Ферромагнетики⚠️: примеры, применение, особенности

Что такое ферромагнетики

Ферромагнетиками называют вещества, для которых характерна самопроизвольная намагниченность, значительно изменяемая в процессе воздействия внешних факторов таких, как магнитное поле, деформация и температура.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков обладает положительными значениями и равна 10 в 4 или 5 степени. Если напряжённость магнитного поля растет нелинейно, наблюдается увеличение намагниченности и магнитной индукции ферромагнетических веществ.

Отличительное свойство

Ферромагнетики отличаются от диамагнетиков и парамагнетиков наличием самопроизвольной или спонтанной намагниченности, когда внешнее магнитное поле отсутствует. Данный факт говорит об упорядоченной ориентации электронных спинов и магнитных моментов. Ещё одной особенностью ферромагнетиков в отличие от других типов магнетических веществ является значительное превышение внутреннего магнитного поля по сравнению с аналогичными характеристиками внешнего поля.

Примеры материалов

Можно найти немного примеров природных ферромагнетиков. Широко распространены ферриты, которые представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Первым открытым ферромагнитным материалом является магнитный Железняк, который относятся к категории ферритов. Ферромагнетическими свойствами обладают следующие материалы:

• техническое железо;
• оксидные ферромагнетики;
• низкоуглеродистая сталь;
• электротехническая листовая сталь;
• пермаллои, включая железно-никелевый сплав, характеризующийся высокой проницаемостью.

Основные характеристики

Ферромагнетические материалы обладают уникальными физико-химическими свойствами. Основными характеристиками ферромагнетиков являются:

1. Ферромагнетизм материалов возможен лишь тогда, когда вещество находится в кристаллическом состоянии.
2. Ориентация магнитных полей доменов затруднена из-за теплового движения, что подтверждает прямую зависимость свойств ферромагнетиков от температуры. Температура разрушения доменной структуры ферромагнетического вещества может отличаться. Данный показатель называется точкой Кюри. При его достижении ферромагнетик трансформируется в парамагнетик. К примеру, в чистом железе такой процесс происходит, когда температура Кюри достигает 900 градусов.
3. Намагничивание ферромагнетиков происходит до насыщения в слабых магнитных полях.
4. Параметры магнитного поля определяют магнитную проницаемость ферромагнетических веществ.
5. Ферромагнетики обладают остаточной намагниченностью. Можно наблюдать опытным путем на примере ферромагнитного стержня, помещенного под током соленоида, как при намагничивании до насыщения, а затем уменьшении тока, индукция поля в стержне во время его размагничивания сохраняется на более высоком уровне, чем при намагничивании.

Электронные оболочки у ферромагнетиков

Ферромагнетиками могут являться материалы, находящиеся в твердом состоянии. При этом магнитный момент их атомов, в частности с недостроенными внутренними электронными оболочками, является постоянно спиновым или орбитальным. Распространенным примером ферромагнетиков являются переходные металлы. В ферромагнетических материалах резко усиливаются внешние магнитные поля. К ним относятся:

• железо;
• кобальт;
• никель;
• гадолиний;
• тербий;
• диспрозий;
• гольмий;
• эрбий;
• тулий;
• соединения ферромагнетиков с веществами, не являющиеся ферромагнетиками.

Значительная доля веществ не обладает ферромагнетическими свойствами. Это объясняется особым расположением электронов, когда электронные оболочки атомов заполняются. Их магнитные поля ориентированы в противоположных направлениях и компенсируют друг друга, что снижает степень потенциальной энергии взаимодействия электронов.

Наблюдая атомы с нечетным числом электронов на оболочках, которые соединяются в молекулы или кристаллы, можно заметить взаимную компенсацию магнитных полей неспаренных электронов. Атомы железа, никеля, кобальта в кристаллических структурах обладают собственными магнитными полями неспаренных электронов, которые ориентированы параллельно друг другу. Это приводит к образованию микроскопических намагниченных областей или доменов. Суммарное магнитное поле таких образований нулевое. Если материал поместить во внешнее магнитное поле, то поля доменов будут ориентироваться соответственно, что сопровождается намагничиванием ферромагнетиков.

Типы ферромагнетиков, свойства

Ферромагнитные вещества отличаются по характеру магнитного взаимодействия. Выделяют две основные группы ферромагнетиков:

1. Магнитно-мягкие материалы.
2. Магнитно-жесткие материалы.

К первой категории относят ферромагнетики, способные практически полностью устранять собственное магнитное поле при исчезновении внешнего. В процессе материал размагничивается. Такие вещества активно используются в производстве сердечников трансформаторов и электромагнитов. Магнито-жесткие материалы применяют для создания таких изделий, как постоянные магниты, магнитные ленты и диски, на которые записывается информация.

Потеря свойств ферромагнетизма

Ферромагнетические вещества называют «магнитозамороженными» парамагнетиками. Атомы парамагнетических материалов обладают магнитными моментами, которые пребывают в хаотичном вращательном движении. В случае ферромагнетиков моменты направлены определенно. При возрастании температуры число случайных температурных флуктуаций магнитных моментов атомов увеличивается. В случае, если температура ферромагнетика становится приближенной к температуре Кюри, то есть сравнимой с температурой магнитного «плавления», происходит полное разрушение ферромагнитного порядка температурными флуктуациями, и наблюдается переход вещества в парамагнитное состояние:

• магнитный «газ» кристалла;
• магнитная «жидкость» кристалла.

Изменение  температуры в первую очередь влияет на намагниченность ферромагнетиков. По мере ее возрастания свойство намагниченности снижается и становится равно нулю в точке Кюри. В данном температурном режиме происходит изменение всех других свойств, которые определяют разницу между ферромагнетиками и парамагнетиками, а также характеристик вещества, не связанных с отличительными особенностями этих типов магнетиков. К примеру, изменение электрических и акустических свойств ферромагнитного материала, в связи с тем, что твердое тело обладает упругой, электрической, магнитной и другими подсистемами, при изменении одной из которых меняются и другие.

Температура Кюри

Каждый ферромагнетик обладает рядом характеристик. Важным параметром вещества является температура, при которой оно утрачивает свои магнитные свойства. Этот показатель называется точкой Кюри. При температуре, превышающей точку Кюри, упорядоченное состояние в магнитной подсистеме кристалла разрушается.

На примере металла

Потерю свойств ферромагнетика в зависимости от температуры окружающей среды можно рассмотреть опытным путем. К примеру, никель обладает температурой Кюри в 360 градусов. Подвешенный образец металла подвергают воздействию внешнего магнитного поля. В систему помещают горелку. При обычной температуре никель примет горизонтальное положение, так как будет сильно притягиваться магнитом. Если образец нагреть до температуры Кюри, его свойство намагниченности ослабевает, он перестанет притягиваться и начнет падать. После остывания до температуры, которая ниже точки Кюри, никель вновь приобретает ферромагнитные свойства и притягивается к магниту.

Применение ферромагнетиков, примеры

Ферромагнитные вещества благодаря особым физико-химическим свойствам нашли широкое применение в разных сферах электротехники. С помощью магнито-мягких типов ферромагнетиков производят такое оборудование и агрегаты, как:

• трансформаторы;
• электродвигатели;
• генераторы;
• слаботочную технику связи;
• радиотехнику.

Ферромагнетики в условиях отсутствия внешнего магнитного поля остаются намагниченными, создавая магнитное поле во внешней среде. Элементарные токи в веществе сохраняют упорядоченную ориентацию. Свойство активно используется в современной промышленности для создания постоянных магнитов, которые используют для изготовления следующих видов оборудования:

• электроизмерительные приборы;
• громкоговорители;
• телефоны;
• звукозаписывающая аппаратура;
• магнитные компасы.

Материалы, относящиеся к ферритам, обладающие одновременно ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами, широко распространены в производстве радиотехники. Вещества активно применяются при изготовлении сердечников катушек индуктивности, магнитных лент, пленок и дисков.

Открытое образование — Введение в теорию ферромагнетизма

• 10 weeks
• from 2 to 3 hours per week
• 2 credit points

В рамках курса рассматриваются физические основы фазовых переходов второго рода на примере фазового перехода парамагнетик/ферромагнетик. Затрагиваемый круг вопросов включает классификацию материалов по магнитным свойствам, применение приближения среднего поля для расчета различных магнитных характеристик, элементы феноменологической теории Ландау, антиферромагнетизм.

Курс преподается на английском языке с русскими субтитрами и предназначен в первую очередь для иностранных студентов, обучающихся в России.

About

Настоящий курс посвящен явлению ферромагнетизма.

Ферромагнетизмом называют магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором атомные магнитные моменты параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной намагниченностью. Благодаря ферромагнетизму некоторые материалы (например, железо) способны притягиваться к магнитам или же сами становиться постоянными магнитами. Явление ферромагнетизма играет значительную роль в современных технологиях и является физической основой для создания различных электрических и электронных устройств, например, трансформаторов, генераторов, электромагнитов, магнитных накопителей информации, жестких дисков, спинтронных устройств и т.д. Однако ферромагнетизм в отсутствии внешнего магнитного поля устанавливается не при любой температуре, а лишь при температуре ниже критической, называемой температурой Кюри. Разумеется, для каждого материала температура Кюри имеет свое значение. Ответственным за явление ферромагнетизма является обменное взаимодействие, стремящееся установить магнитные моменты соседних атомов или ионов параллельно друг другу. Обменное взаимодействие – это чисто квантовомеханический эффект, не имеющий аналога в классической физике. В рамках курса мы постараемся разобраться с микроскопической природой ферромагнетизма, узнать о его экспериментальных проявлениях и построить его квантовомеханическую теорию.

Курс ориентирован на студентов магистратуры, в том числе иностранных, для которых английский язык является родным, желающих повысить свой уровень в области теоретической физики.

Format

Курс состоит из 7 модулей.

Общая длительность курса — 10 недель.

Времени на изучение в неделю — от 2 до 3 часов.

Requirements

Необходимо знание основ векторного исчисления, теории функций комплексного переменного, теории дифференциальных уравнений, теории вероятностей, статистической физики и квантовой механики. Курс ориентирован на студентов магистратуры физических специальностей, владеющих английским языком.

Course program

Модуль 1

• Введение. Классификация фазовых переходов

Модуль 2

• Магнитный момент атома
• Физические величины, характеризующие магнитные свойства вещества
• Классификация веществ по магнитным свойствам

Модуль 3

• Изолированный магнитный момент во внешнем магнитном поле
• Система невзаимодействующих локальных магнитных моментов во внешнем магнитном поле
• Закон Кюри
• Эффективное поле Вейсса
• Обменное взаимодействие
• Взаимодействие двух локальных магнитных моментов

Модуль 4

• Модель Гейзенберга и модель Изинга
• Приближение среднего поля в модели Изинга
• Уравнение Кюри-Вейсса. Закон Кюри-Вейсса
• Ферромагнитный переход в модели Изинга. Температура Кюри. Параметр порядка
• Зависимость параметра порядка от температуры в модели Изинга для ферромагнетика
• Основное и возбужденное состояние ферромагнетика в модели Изинга

Модуль 5

• Свободная энергия ферромагнетика в модели Изинга в приближении среднего поля. Свободная энергия ферромагнетика вблизи критической температуры
• Спонтанное нарушение симметрии при фазовых переходах парамагнетик/ферромагнетик
• Феноменологическая теория фазовых переходов второго рода (теория Ландау)
• Теплоемкость и магнитная восприимчивость ферромагнетика в модели Изинга в приближении среднего поля
• Критические индексы

Модуль 6

• Точное решение одномерной модели Изинга
• Приближение среднего поля в антиферромагнитной модели Изинга. Температура Нееля
• Магнитная восприимчивость изинговского антиферромагнетика в приближении среднего поля

Модуль 7

• Решение задач. Заключение

Education results

Прослушав курс, Вы узнаете:

—  Классификацию материалов по магнитным свойствам

—  Приближение среднего поля для расчета различных магнитных характеристик

—  Основные сведения о феноменологической теории фазовых переходов второго рода Ландау

—  Что такое антиферромагнетизм

Ферромагнитный материал научились изменять с помощью лазера

«Мы показали, что характерные линейные размеры, устойчивость и форму скирмиона можно контролировать с помощью внешнего электромагнитного поля, например, линейно поляризованного лазерного излучения – излучения, в котором вектор напряженности электрического поля колеблется в некотором направлении, перпендикулярном направлению распространения электромагнитного поля», – рассказал один из авторов статьи Дмитрий Юдин, руководитель проекта, PhD, научный сотрудник Международной научной лаборатории фотопроцессов в мезоскопических системах Университета ИТМО.

Авторы отмечают, что обнаруженный ими эффект может применяться в спинтронике (в данном случае – в скирмионике). Спинтроника как прикладное направление исследований зародилась в конце 1980-х годов как альтернатива зарядовой электронике. Использование спинового, а не зарядового тока для передачи и обработки информации является краеугольным камнем этой технологии. В устройствах молекулярной спинтроники битом информации является уже не домен, который состоит из множества молекул, а всего лишь одна молекула. Таким образом плотность записи информации повышается в 10-15 раз. Поэтому с помощью принципов спинтроники можно гораздо эффективнее записывать информацию на жесткие диски, создавать новые транзисторы, элементы логики и ячейки памяти.

В ходе работы авторы рассмотрели модель ферромагнитного материала, который представлял собой один слой однородного вещества. Магнитный порядок – это явление, при котором магнитные моменты (векторы) атомов в материале имеют строго определенные направления. Если все векторы направлены в одну сторону, такой порядок называют ферромагнитным, а материал – ферромагнетиком. К ферромагнитным материалам относятся, например, металлы кобальт (Co), никель (Ni) и гадолиний (Gd). Также существует антиферромагнитный порядок, при котором магнитные моменты соседних атомов направлены в противоположные стороны. При этом ферромагнетики обладают намагниченностью даже в отсутствии внешнего магнитного поля, а антиферромагнетики таким свойством не обладают и поэтому считаются слабыми магнитами.

Изначально предполагалось, что в изучаемом слое отсутствует центр инверсии, то есть его внутренняя структура несимметрична относительно замены знаков всех координат на противоположные. Отсутствие центра инверсии приводит к появлению сильного спин-орбитального взаимодействия, то есть взаимодействия между движущейся частицей и ее собственным магнитным моментом, связанным с наличием у частицы спина — вращения частицы вокруг своей оси (но не перемещения ее как целого).

При сильном спин-орбитальном взаимодействии в магнитных материалах появляются сложные спиновые текстуры – скирмионы. Это конфигурации (скопления) магнитных моментов, которые частицей не являются, но по строению подобны ей. Они не принадлежат ни к ферромагнитному, ни к антиферромагнитному порядкам, потому что их магнитные моменты ни параллельны, ни антипараллельны. Скирмионы образуют комбинацию в виде диска с рядами спинов. В центре спин ы направлены вниз, а у краев — вверх. Все спины, находящиеся посередине, являются промежуточными состояниями: если взять по спину из каждого ряда и посмотреть на их расположение, то видно, что они описывают полный круг.

«Хорошо известно, что в магнитных материалах без центра инверсии возможно появление частицеподобных структур скирмионов. Последние могут найти широкое применение в проектируемых устройствах энергонезависимой памяти. В сравнении с устройствами на магнитных доменах в ферромагнитных материалах управление скирмионами как источниками информации требует существенно меньших пороговых значений тока. Использование же внешнего электромагнитного излучения, например, лазера, открывает широкие перспективы для возможности манипулировать отдельными скирмионами в ферромагнитных системах», — заключил ученый.

Работа проходила в сотрудничестве с ученым из Университета Неймегена (Нидерланды).

Физики научились включать и выключать ферромагнетизм лазером

J. Ehrler et al./ ACS Applied Materials & Interfaces, 2018

Физики обнаружили, что в пленке нанометровой толщины из сплава алюминия и железа лазерным пучком можно обратимо включать и выключать ферромагнетизм. Переход из парамагнитного в ферромагнитное состояние и обратно в такой системе возможен за счет перехода из кристаллического состояния в переохлажденное с усиленным взаимодействием между атомами железа, пишут ученые в статье в ACS Applied Materials & Interfaces.

Большинство современных устройств для записи и хранения информации основаны на использовании ферромагнетиков. Основу этих материалов составляет доменная структура, в которой общий магнитный момент возникает не у отдельных атомов, а у довольно крупных областей. Этот магнитный момент сохраняется даже при больших внешних полях, поэтому в системе из ферромагнитных элементов с помощью направленных в нужную сторону магнитных моментов можно хранить информацию. В качестве одного из способов управления состоянием ферромагнитных элементов в устройствах для записи информации ученые предлагают использовать лазерное излучение, с помощью которого можно менять направление намагниченности отдельных ячеек. Изменяются при этом не магнитные свойства самого материала, а только направление его магнитного момента.

Физики из Германии, США, Португалии, России и Швейцарии под руководством Рантея Бали (Rantej Bali) из Центра имени Гельмгольца Дрезден-Россендорф нашли способ, с помощью которого лазером можно менять в тонких магнитных пленках не направление намагниченности, а полностью включать или выключать в них ферромагнитный порядок. Для этого ученые использовали пленку толщиной в несколько десятков нанометров из сплава железа и алюминия состава Fe₆₀Al₄₀, которую облучали короткими лазерными импульсами длиной волны 800 нанометров, длительностью 100 фемтосекунд и частотой 2,5 мегагерца. Диаметр облученной области составлял около двух микрометров и при правильном подборе энергии лазерного пучка импульсы обратимо включали и выключали в ней ферромагнитный порядок, что можно было зафиксировать с помощью измерений рентгеновского кругового дихроизма.

Схема эксперимента: нанометровая пленка сплава железа и алюминия наносится на подложку из оксида магния и облучается лазерным пучком нужной энергии. Магнитные свойства пленки исследуются с помощью рентгеновского излучения

J. Ehrler et al./ ACS Applied Materials & Interfaces, 2018

Такое переключение оказалось возможным благодаря тому, что у использованного авторами сплава железа и алюминия при комнатной температуре может образоваться две разных фазы: парамагнитная кристаллическая и ферромагнитная разупорядоченная. В устойчивом состоянии этот материал имеет кристаллическую структуру, в которой слои атомов железа и алюминия чередуются и обладают парамагнитными свойствами, однако при внешнем воздействии в сплаве может появиться ферромагнитный порядок за счет перехода в переохлажденное разупорядоченное состояние и усиления взаимодействия между атомами железа.

Таким внешним воздействием, как оказалось, может быть облучение лазером, в результате которого парамагнитные свойства сменяются ферромагнитными или наоборот. Так, с помощью более высокоэнергетических импульсов (плотностью больше 300 или 400 миллиджоулей на квадратный сантиметр для пленок разной толщины) можно перевести материал в ферромагнитное состояние, а с помощью импульсов меньшей энергии (например 200 миллиджоулей на квадратный сантиметр) — наоборот, снять всю намагниченность, превратив пленку в парамагнитную.

Последовательное переключение пленки из ферромагнитного состояния (верхний ряд) в парамагнитное (нижний ряд) и наоборот. На рисунках приведены карты намагниченности облученной области при отсутствии внешнего поля (слева) и при включенном внешнем поле разного направления и силы. Перевод в парамагнитное состояние производился с помощью разного количества импульсов

J. Ehrler et al./ ACS Applied Materials & Interfaces, 2018

По утверждениям авторов работы, лазер выполняет функцию локального нагревателя, который может на короткое время расплавить кристалл и перевести пленку в переохлажденное ферромагнитное состояние или наоборот — в кристаллическое. При этом основное отличие между двумя типами облучения состоит в том, какая часть пленки плавится во время импульса. В первом случае — локальное плавление происходит во всей толщине кристалла, а во втором — плавится только небольшая область вблизи облученной поверхности. Стоит отметить, что даже один низкоэнергетический лазерный импульс уменьшает намагниченность образца, однако для полного перехода необходима последовательность примерно из 100 тысяч импульсов.

При этом намагниченность образца полностью зависит от внешнего поля: при отсутствии магнитного поля образуется многодоменная структура, а при наличии внешнего поля намагниченность зависит от его направления и величины. В будущем авторы планируют использовать для подобных переходов не единственный лазер, а целую систему интерферирующих лазерных пучков, благодаря которой в пленке можно будет создавать сложные упорядоченные ферромагнитные решетки большой площади.

Если для трехмерных материалов, пусть даже и в виде пленок нанометровой толщины, ферромагнитное состояние наблюдается достаточно часто, то произвести переход в упорядоченное магнитное состояние в настоящих двумерных системах очень сложно. С точки зрения классической теории такое упорядочение невозможно, и до недавнего времени ферромагнетизм наблюдался только в квазидвумерных системах, однако в прошлом году американские физики обнаружили ферромагнетизм и в настоящем двумерном кристалле — теллуриде хрома и германия.

Александр Дубов

Манипуляции с ферромагнетизмом — будущее накопителей?

Исследования в области хранения данных ведутся повсеместно. Какие-то ученые склоняются к использованию новых химических соединений или изменению уже имеющихся. Кто-то стремится к футуристическим высотам в виде носителей из воды или ДНК.

Сейчас мы прекрасно знаем о методиках чтения/записи данных, позволяющих изменять направление намагниченности определенного участка с использованием оптических технологий. Однако, наши сегодняшние герои решили «поиграться» с самим ферромагнетизмом. По их словам, именно в этом и заключается будущее хранения данных. Как именно им удалось манипулировать ферромагнетизмом, какие есть достоинства и недостатки у этой технологии, и действительно ли она станет прорывом в мире ИТ? Ответы на эти вопросы мы попытаемся найти в докладе ученых. Поехали.

Ферромагнетизм — что это?

Прежде чем начать описывать саму технологию, которая позволяет манипулировать данным физическим явлением, стоит коротенько пояснить что такое ферромагнетизм.

Типы магнетизмам (направление электронов): A — парамагнетизм; B — ферромагнетизм; C — антиферромагнетизм; D — ферримагнетизм; (E) принудительный ферромагнетизм.

Электроны веществ-ферромагнетиков склонны параллельно выстраиваться по отношению к приложенному магнитному полю. Помимо этого наблюдается тенденция к ориентированию этих магнитных моментов друг на друга для поддержания состояния пониженной энергии. Даже если приложенное поле отсутствует, электроны вещества спонтанно выстраиваются параллельно друг другу. Все это возможно только при температуре ниже точки Кюри*.

Кусочек железа, нагретый до температуры выше точки Кюри лишь слегка притягивается к магниту. После охлаждения его ферромагнитные свойства восстанавливаются полностью.

*Точка Кюри — параметр, определяющий температуру, при которой вещество теряет свои ферромагнитные свойства. Когда температура превышает границу, установленную точкой Кюри, интенсивность теплового движения атомов возрастает и разрушает магнитный порядок электронов, т.е. симметрия нарушается, и ферромагнетик становится парамагнетиком (веществом, способным намагничиваться за счет воздействия внешнего магнитного поля, например алюминий или литий).

Стоит уточнить, что существует несколько типов магнетизма. А ферромагнетизм является самым знакомым для нас в быту. Именно его мы наблюдаем, когда крепим сувенирный магнитик на холодильник, когда записываем данные на оптический диск и т.д.

Манипуляции с ферромагнетизмом

По словам исследователей лазерные манипуляции со свойствами веществ это не новость в мире технологий хранения данных. Ярким примером являются CD-RW — перезаписываемые оптические диски.

Попытки совместить скорость лазерных импульсов и плотность магнитной записи стали целью многих современных исследований. Для достижения подобной гибридизации используются методы оптического перемагничивания и термоассистируемой магнитной записи. Однако такие методы не позволяют манипулировать с самим ферромагнетизмом, как явление. Сатурация намагниченности (далее Ms) вещества остается прежней во время процесса чтения/записи.

Если же найти перезаписываемые магниты внутри немагнитного вещества, это будет гораздо эффективнее и практичнее, чем запись битов данных в соответствии с направлением размагничивающего поля.

Реорганизация атомов

Основой исследований стал слой из Fe₆₀Al₄₀ типа В2. Поскольку данный слой состоит из неферромагнетиков (A = Al, V, Rh), они были реорганизованы в виде структуры объёмно-центрированной кубической сингонии (тип А2). Реорганизация подразумевает обмен местами атомов Fe и Al.

Молекулярная структура А2

В молекулярной структуре испытуемого вещества (Fe₆₀Al₄₀) сторона (001) состоит исключительно из атомов Fe, а сторона (002) из атомов Al и остатков атомов Fe. Такая структура обладает самым слабым комплексным соединением Fe-Fe, а также является парамагнетиком.

Таким образом, если случайным образом поменять местами атомы Fe и Al в структуре В2, число соседствующих Fe−Fe увеличивается от 2.7 (В2) до 4.8 (А2). Процесс перехода от В2 до А2 также слегка увеличивает параметр решетки, что влияет на стимулирование ферромагнетизма.

Процесс реорганизации атомов можно проводить локально. Сфокусированный луч ионов гелия может избирательно намагничивать определенные нано-участки молекулярной структуры.

Процедура эксперимента

Для изучения воздействия лазерных импульсов на уровень намагниченности слоя B2 Fe₆₀Al₄₀ была использована прозрачная подложка из MgO*.

MgO* — оксид магния, обладает высоким коэффициентом отражения (в данном случае, отражательной способностью — величина, описывающая способность вещества отражать электромагнитное излучение).

Тонкие пленки изготавливались посредством магнетронного распыления* мишени в аргоносодержащей среде, при этом температуру подложки сохраняли на уровне комнатной.

Магнетронное распыление* — способ нанесения тонких пленок на подложку посредством бомбардировки катода (отрицательно заряженного электрода) положительными ионами в плазме магнетронного разряда.

Магнетронное распыление

А2 структура полученных пленок Fe₆₀Al₄₀ была реорганизована в В2 с помощью отжига в вакууме при температуре 773 К (приблизительно 500 ^оC).

Тестирование воздействия лазерных импульсов проводились на фотоэмиссионном электронном микроскопе в стенах BESSY II* в Берлине.

BESSY II* (Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung II) — синхротрон с длиной окружности 240 м.

Одним из основных «участников» тестирования является лазер. Был использован титан-сапфировый лазер, поскольку он обладает широкой полосой генерации, что позволяет ему также генерировать и необходимые для эксперимента сверхкороткие импульсы. Длина волны лазера, сфокусированного на участке в 2 мкм с помощью микролинзы, составляла 800 нм, а длительность импульса приблизительно 100 фс (100 фемтосекунд, 1 фс = 10^-15 с).

Изображение №1: Воздействие сверкороткого лазерного импульса в 100 фс на пространство между Fe₆₀Al₄₀ и MgO. Магнитные свойства поверхности Fe₆₀Al₄₀ исследуются с помощью рентгеновского излучения.

Тестирование воздействия лазерных импульсов проводилось на пленках из B2 Fe₆₀Al₄₀ толщиной 20, 40 и 80 нанометров. Частота повторения импульсов составила 2,5 МГц. Для выделения определенного импульса или череды нескольких импульсов использовался прибор Pulse Picker (дословный перевод — сборщик импульсов).

Один из вариантов прибора Pulse Picker

Магнитные изображения участков, на которые воздействовали лазерные импульсы, были записаны при L3 ферромагнитном резонансе Fe (707 эВ — электронвольт), посредством использования магнитного кругового дихроизма рентгеновского излучения.

Результат воздействия лазерных импульсов на тестируемую поверхность (Изображение №2)

Воздействие на пленку B2 Fe₆₀Al₄₀ толщиной 40 нм единым лазерным импульсом с флюенсом 500 мДж/см^-2 привело к проявлению сильной поверхностной магнитной контрастности (2а). Магнитная контрастность изображена в виде разницы двух изображений, сделанных с помощью круговой поляризацией и обратной спиральностью. Параллельная рентгеновскому лучу намагниченность изображена красным цветом, а антипараллельная — синим.

При количестве импульсов 10⁵ и флюенсом* 200 мДж/см^-2 намагниченность поверхности, полученная при первом импульсном воздействии, была ликвидирована. На изображении 2b видно, что намагниченность поверхности сильно уменьшена, а контрастность отсутствует.

Флюенс* — интеграл по времени от плотности потока частиц или энергии.

Далее на тестируемый участок повторно воздействовал один импульс (500 мДж/см^-2), но с применением внешнего небольшого магнитного поля +5 мТл (миллитесла). На изображении 2с видно, что поле способствует формированию единого магнитного участка.

При повторном воздействии 104 импульсов (флюенс — 200 мДж/см^-2) намагниченность опять снизилась (2d).

Для оптимизации было проведено еще несколько тестов в различных условиях.

На изображении 2е — результат воздействия единого импульса (флюенс — 400 мДж/см^-2) при внешнем магнитном поле -15 мТл. Такое воздействие привело к формированию единой области с сильной намагниченностью.

В отличие от предыдущих переменных тестов (единый луч — несколько лучей — единый луч), тестируемая поверхность опять была подвержена воздействию лишь одного луча (флюенс — 200 мДж/см^-2). В результате намагниченность сильно снизилась, примерно на 40% от предыдущего показателя (изображение 2f).

Далее требовалось определить зависимость намагниченности от плотности воздействия. Потому изначальная пленка B2 Fe₆₀Al₄₀ подвергалась воздействию одного импульса, а плотность увеличивалась ступенчато от теста к тесту. Магнитная контрастность измерялась после каждого импульса. Дабы сохранять намагниченность в одной области было применено магнитное поле +15 мТл.

Изображение №3

На изображении 3а видно увеличение намагниченности пленок толщиной 20, 40 и 80 нм при увеличении лазерного флюенса. Контрастность, пропорциональная сатурации намагниченности, увеличивается сигмоидально при увеличении флюенса. Половинная амплитуда сатурации намагниченности (черные крестики на изображении 3а) достигалась при таком флюенсе:

• для 20 нм пленки — 300 мДж/см^-2;
• для 40 нм пленки — 390 мДж/см^-2;
• для 80 нм пленки — 650 мДж/см^-2.

Такая половинная амплитуда может считаться эффективным критическим порогом для магнитной записи, о чем говорят измерения намагниченности поверхности.

Изображение 3b демонстрирует снижение намагниченности при увеличении числа лазерных импульсов с низким флюенсом.

В качестве импульса записи были применены следующие показатели флюенса:

• для 20 нм пленки — 400 мДж/см^-2;
• для 40 нм пленки — 400 мДж/см^-2;
• для 80 нм пленки — 700 мДж/см^-2.

Для изучения процесса стирания последовательность импульсов обладала флюенсом всего 200 мДж/см^-2. Рост числа импульсов стирания был построен в логарифмическом порядке: 100, 101…104, 5 × 104 и 5 × 106.

«Ex situ» эксперимент

Дабы подтвердить, что молекулярная реорганизация атомов ответственна за магнитную запись посредством воздействия лазерных импульсов, был проведен «Ex situ» эксперимент.

Поверхность пленки B2 Fe₆₀Al₄₀ толщиной 40 нм в воздушной среде была подвергнута воздействию Nd:YAG-лазера с длиной волны 355 нм. Ширина импульса составила 5 нс. Общее число импульсов — 105, а флюенс — 500 мДж/см^-2.

В результате была получена область 300 мкм в диаметре, на которую сильнее всего воздействовал лазер. Полученную намагниченность получилось определить используя магнитооптический эффект Керра. Вокруг точки абляции* было выявлена кольцеобразная область с высоким показателем намагниченности. Для проведения структурного анализа использовался TEM (Transmission electron microscopy / Трансмиссионный электронный микроскоп).

Абляция* — метод удаления вещества с поверхности лазерным импульсом.

а) — Для проведения анализа был взят образец, обладающий ферромагнитными свойствами, рядом с областью абляции. Для этого использовалось устройство с фокусированным ионным лучом.

b) — Яркое поле TEM-изображения показывает неповрежденный поликристаллический слой толщиной 40 нм.

c) — SAED (дифракция электронов в выбранной области) подтвердила, что структура Fe₆₀Al₄₀ именно типа А2, поскольку отсутствовали сверхструктурные отражения 100, 111 и 210.

Подробности проведения данного эксперимента изложены тут

Анализ результатов тестов

Для более четкого понимания взаимосвязи условий, контролирующих процессы реорганизации, и перезаписываемой намагниченности пленки было проведено несколько симуляций. Они проводились на основе континуальной модели, в которой учитывались такие факторы: лазерное возбуждение электронов зоны проводимости; электронно-фононное равновесие; теплопередача; кинетика плавления и твердения. Условия воздействия лазера аналогичны тем, что применялись в тестах, результаты которых отображены на изображении №1.

Поскольку результаты симуляций с участием пленки толщиной 40 нм самые ярко выраженные, они и будут рассматриваться при анализе.

Порог плавления

На испытуемый слой Fe₆₀Al₄₀ на подложке из MgO воздействовал лазерный луч различного флюенса.

• при флюенсе 173 мДж/см^-2 был определен порог плавления Fe₆₀Al₄₀/MgO;
• 357 мДж/см^-2 — выявление второй области плавления на поверхности пленки;
• 394 мДж/см^-2 — полное плавление через всю толщину пленки, когда два фронта плавления, распространившиеся через пленку и подложку, и поверхность сливаются воедино.

Пример: порог плавления льда составляет 0 ^оС

Такие показатели дают основания полагать, что быстрое твердение временно расплавленного участка пленки формирует неупорядоченную метастабильную (сохраняющую стабильность при не очень больших возмущениях) молекулярную структуру типа А2. При охлаждении затвердевшего участка метастабильная структура может перейти от типа А2 к В2.

Диффузия вакансий

Что есть вакансия? Это, грубо говоря, «брак» молекулярной структуры кристалла. Когда мы имеем идеальный кристалл — все атомы располагаются на своем месте. Если же в каком-то месте атома нет (хотя он должен там быть при идеальных условиях), то это место и есть наша вакансия. Диффузия вакансий это, простыми словами, переход атома в свободную область, т.е. смена его положения. Именно этот механизм и является основой атомной реорганизации испытуемого вещества.

Упрощенное схематическое изображение вакансии

Поскольку фотоэмиссионный электронный микроскоп, который использовался при сборе данных, крайне чувствителен к намагничиванию на поверхностях тонких слоев пленки, среднее квадратичное смещение вакансий (Х2) оценивалось в центре той области, куда направлен луч лазера. Оценка проводилась начиная от момента полного твердения этой области до момента, когда охлаждение прекращает процесс диффузии вакансий.

Термодинамика

Температурная зависимость термодинамической движущей силы по отношению к реорганизации атомов не позволяет четко определить количественную связать величины Х2 с кинетикой фазового перехода атомов. Однако предоставляет показательные результаты измерений степени атомных перестроек, возникающих в процессе реорганизации молекулярной структуры.

Изображение №4а

На изображении 4а представлено изменение температуры поверхности в центре места воздействия лазерного луча (лазерное «пятно» / «точка») во время четырех симуляций. Синий цвет линии обозначает твердую фазу, а красный — жидкую фазу вещества.

Переохлаждение* плавленого слоя ниже Tm* отображено красной штриховой линией.

Переохлаждение* — имеется в виду процесс снижения температуры жидкости или газа ниже точки замерзания, но при этом не доводя вещество до состояния твердого тела.

Tm* — температура плавления, когда тело переходит из твердого состояния в жидкое или наоборот.

Для упрощения подсчетов было установлено единое значение Tm = 1660 K. Это значение находится между значениями солидуса (1630 К) и ликвидуса (1680 К). Серые участки на графиках представляют совокупное среднее квадратичное смещение вакансий (X2).

При значении флюенса 328 мДж/см^-2, до начала плавления поверхности, быстрое нагревание участка поверхности практически до Tm привело к скачку X2. Однако дальнейшее охлаждение, до температуры ниже ∼0.7 Tm (1160 K), снизило диффузию вакансий до незначительного уровня. При увеличении флюенса до 388 температура поверхности становится выше Tm, что приводит к переходному плавлению тонкого поверхностного слоя пленки. В данной симуляции фронты плавления, распространяющиеся от поверхности и от стыка пленка/подложка, не соединяются. При этом наблюдается быстрый рост кристаллической части пленки, который приводит к твердению при очень незначительном переохлаждении вещества. Как видно из графика, красная штриховая линия очень короткая.

Относительно высокая температура поверхности в момент ее повторного твердения гарантирует диффузию вакансий во время последующего охлаждения поверхности, при этом уровень X2 опустится до примерно того же, что и при флюенсе 328 мДж/см^-2.

Вероятность быстрого роста кристаллической части исключается, если температура поверхности выше порога полного плавления по всей толщине пленки. А твердение плавленого участка может пройти исключительно через латеральное распространение фронта твердения от краев участка до центра лазерного пятна.

Относительно большой размер плавленого участка и ограниченная скорость фронта твердения (≤130 м/с) позволяют процессу твердения проходить медленнее, что, в свою очередь, приводит к более мощному переохлаждению плавленого вещества в центральной области лазерного пятна.

На практике это дает следующие результаты. При резком скачке времени твердения (от 740 пс (пикосекунд) при 388 мДж/см^-2 до 2.4 нс (наносекунд) при 403 мДж/см^-2) температура поверхности снижается в момент полного твердения с 0.93 до 0.91 Tm.

Значение 0.91 Tm также отображает максимум, возникающие во время всплеска температуры, который возникает при локальном выделении тепла твердения. Однако это тепло быстро рассеивается ввиду большого локального температурного градиента вокруг свеже-затвердевшей поверхности.

Низкая же температура в повторно затвердевшем участке поверхности сильно ограничивает диффузию вакансий и приводит к сатурации значения Х2 при 403 мДж/см^-2, которое в 4 раза меньше, чем при 388 мДж/см^-2.

С дальнейшим увеличением флюенса время твердения центрального участка лазерного пятна увеличивается, а диффузия вакансий подавляется.

На практике это дало следующие результаты. При увеличении флюенса с 403 до 478 мДж/см^-2 температура поверхности в момент твердения упала с 0.91 до 0.83 Tm. Сатурация Х2 снизилась до такого уровня, когда об необходимой атомной реорганизации не может быть и речи. Это отображено на четвертом графике изображения 4а.

Изображение №4b

На изображении выше (4b) X2 представлен в виде функции лазерного флюенса для более наглядного иллюстрирования его эффекта на диффузию вакансий. Ниже предела индукции второго фронта плавления длина диффузии вакансий увеличивается экспоненциально с увеличением флюенса.

В начале плавления поверхности X2 насыщается практически на постоянном уровне. Только при увеличении лазерного флюенса идет незначительное падение, что связано с сильным переохлаждением повторно твердеющего участка поверхности.

Выше порога полного плавления время, требуемое на повторное твердение центрального участка лазерного пятна, резко увеличивается. Из-за этого происходит значительно более сильное переохлаждение, предшествующее повторному твердению, которое ограничивает диффузию вакансий во время охлаждения затвердевшей поверхности и снижает вероятность атомной перестройки молекулярной структуры от А2 до В2. Как результат, разорганизованность структуры и намагниченность должны сохраниться в центральной части лазерного пятна после быстрого снижения температуры до уровня комнатной.

Ниже порога полного плавления поверхности диффузия вакансий может быть достаточно активной, чтобы обеспечить процесс реорганизации атомов. Как видно на изображении 4b пиковый показатель Х2 = 21.5 нм², что соответствует примерно 320 скачкам вакансий. Максимальная концентрация вакансий, возникающих при быстром неравномерном твердении металлов, равна 10^-3. Учитывая это можно предположить, что примерно 32% атомов сменили свое положение за счет диффузии вакансий.

Вышеуказанные параметры позволяют сделать заключение, что реорганизация может происходить и при воздействии единого лазерного импульса. Хотя, все же, нельзя точно определить взаимоотношение общего числа скачков вакансий во время охлаждения и относительной доли равновесных В2 фаз и метастабильных А2 фаз, генерируемых лазерным воздействием.

Этот вывод сходится с результатами тестов, показанных на изображениях 2f и 2b. Мы видим, что намагниченность существенно снизилась после воздействия на пленки толщиной 40 и 80 нм одного лазерного импульса.

Генерация ферромагнитных областей под воздействием лазерных импульсов при отсутствии магнитного поля соответствует прогнозированной схеме плавления и повторного твердения (изображение 2а).

Ожидается, что повторное твердение будет проходить посредством следующих процессов:

• возобновление твердых участков пленки;
• гетерогенная нуклеация* области пленка/подложка;
• гомогенная нуклеация* кристаллитов внутри расплава в случае глубокого переохлаждения (к примеру, 0.6 Tm при флюенсе единого луча 478 мДж/см^-2 / изображение 4а).

Гетерогенная нуклеация* — первая стадия перехода из одной термодинамической фазы в другую внутри гетерогенной системы (состоит из двух или нескольких фаз).

Гомогенная нуклеация* — возникновение зачатков новой фазы внутри существующей.

В процессе повторного твердения в участках роста выделяется тепло, которое приводит к неравномерному распределению температуры по зоне воздействия лазера. Такая температурная неоднородность может сохраняться вплоть до момента достижения точки Кюри. Участки намагничиваются при локальной температуре Tc − ΔT. Их поле смещает локальные магнитные моменты к краям участка, где температура все еще Tc + ΔT, тем самым индуцируя намагниченные домены (область/участок) (изображение 2а).

Чтобы избежать формирования множественных намагниченных доменов, во время лазерного воздействия применяется небольшое магнитное поле. Это позволяет эффективно избежать неоднородного рассеянного поля и сформировать единый магнитный домен (изображение 2с и 2е).

Изображение №5

На изображениях выше (a и b) продемонстрирован процесс плавления при флюенсе лазера 388 и 418, Х2 для обоих вариантов равен 11 нм² (изображения c и d).

При флюенсе 418 мДж/см^-2 на поверхности и в области пленка/подложка возникают фронты плавления, что приводит к появлению области плавления. Процесс твердения данного участка происходит за счет распространения фронта твердения и занимает несколько наносекунд. Температура плавленого участка начинает снижаться и на момент полного затвердения достигает слишком низкого уровня, чтобы была возможна атомная реорганизация.

На изображении 5с видна область примерно в 500 нм в диаметре. Это область намагниченности поверхности. На уровне схождения пленка/подложка участок намагниченности соответствует (практически) области лазерного пятна. Площадь намагниченности увеличивается при увеличении флюенса.

При флюенсе 388 мДж/см^-2 два фронта плавления, распространяющихся от схождения пленка/подложка и поверхность пленки, остаются разделенными (изображение 5b). Как только температура падает ниже точки плавления, фронты плавления распространяются вертикально, что приводит к очень быстрому повторному твердению. Однако, в конце процесса твердения температура все еще высокая, что сопутствует активной диффузии вакансий. Диффузионная атомная реорганизация приводит к трансформации метастабильной А2 структуры, образованной во время плавления и повторного твердения участков пленки, в равновесную В2 структуру. Этот процесс полностью элиминирует намагниченность поверхности, что мы можем увидеть на изображении 5d.

Выводы исследователей

На примере В2 пленки было получено доказательство возможности «включать» и «выключать» ферромагнетизм с помощью лазерных импульсов и структурной реорганизации атомов. Симуляции выявили критически важную роль переохлаждения участков расплава в процессе реорганизации атомов. На один и тот же участок пленки 10 раз подряд воздействовал импульс лазера с флюенсом, большим предельно допустимого. При этом повреждений пленки не было выявлено. Многократное использование пленки может быть ограничено либо абляцией материала, либо загрязнением во время лазерного облучения. Однако этого можно избежать, используя защитный поверхностный слой (MgO).

Дабы увеличить максимальный возможный уровень переохлаждения перед повторным твердением для контроля диффузии и реорганизации, а также достичь оптимальных изменяемых свойств лазеров, необходимо исследовать теплопроводность подложки и добавить буферный слой.

Идея перезаписываемой намагниченности в сопряжении с лазерами может быть реализована на различных других материалах, которые демонстрируют возможность реорганизовать их структуру. Изучение подобных веществ может помочь понять фемтосекундный лазерный нагрев и охлаждение слоев. В частности, механизмы и кинетику упорядочивания и разупорядочивания, которые до сих пор полностью не ясны. Результаты этих исследований могут расширить спектр поиска новых сплавов, демонстрирующие обратимость изменений магнитных свойств за счет лазерного воздействия.

Более подробно ознакомиться с исследованиями ученых вы можете с помощью их доклада

Эпилог

Конечно, данное исследование это только первый шаг в понимании скрытых возможностей и свойств некоторых веществ и сплавов, в том числе и в понимании процесса манипуляции с их магнитными свойствами. Ученые продемонстрировали нам, что мы можем использовать какой-то материал, более распространенный и, соответственно, более дешевый, и просто наделить его нужными нам свойствами.

Возможно это исследование ради исследования, и оно никогда не получит практического применения по причине дороговизны изготовления, сложностей с использованием или просто кто-то другой придумает что-то гораздо лучшее. Несмотря на риски и возможную нереализованность, данные исследования и любые другие исследования имеют право на существования, ибо ученые это люди, которые не знаю ответы на все вопросы, а задают эти вопросы. Именно поиски ответов и приводят нас, человечество, к новым открытиям и новым технологиям.

---

Спасибо, что остаётесь с нами. Вам нравятся наши статьи? Хотите видеть больше интересных материалов? Поддержите нас оформив заказ или порекомендовав знакомым, 30% скидка для пользователей Хабра на уникальный аналог entry-level серверов, который был придуман нами для Вас: Вся правда о VPS (KVM) E5-2650 v4 (6 Cores) 10GB DDR4 240GB SSD 1Gbps от $20 или как правильно делить сервер? (доступны варианты с RAID1 и RAID10, до 24 ядер и до 40GB DDR4).

Dell R730xd в 2 раза дешевле? Только у нас 2 х Intel Dodeca-Core Xeon E5-2650v4 128GB DDR4 6x480GB SSD 1Gbps 100 ТВ от $249 в Нидерландах и США! Читайте о том Как построить инфраструктуру корп. класса c применением серверов Dell R730xd Е5-2650 v4 стоимостью 9000 евро за копейки?

Фуллерены придают меди магнитные свойства | Блоги

Тонкие слои двух немагнитных металлов – меди и марганца – становятся магнитными, когда они находятся в контакте с молекулами фуллерена. Это открытие было сделано физиками из Великобритании, США и Швейцарии и может привести к новым видам практических электронных устройств и даже к квантовым компьютерам.

Ферромагнетики, такие как знакомые магниты на холодильниках, это материалы, которые имеют постоянные магнитные моменты. Есть только три металла, которые являются ферромагнетиками при комнатной температуре, – железо, никель и кобальт, — и это объясняется в терминах «критерия Стоунера», который впервые был получен в 1938 году в Университете Лидса, Великобритания, Эдмундом Стоунером (Edmund Stoner).

Стоунер знал, что магнетизм в металлах является свойством электронов проводимости. Эти электроны участвуют в обменном взаимодействии, что позволяет им понизить свою энергию, установив спины в одном направлении, образуя тем самым ферромагнитный металл. Однако расположение спинов в одном направлении увеличивает общую кинетическую энергию электронов. Стоунер понял, что ферромагнетизм будет наблюдаться только тогда, когда уменьшение энергии, вызванное обменом, превышает прирост кинетической энергии. Он показал количественно, что это происходит, когда произведение плотности электронных состояний (количество энергетических состояний, доступных для электронов) и силы обменного взаимодействия (обозначаемое U) больше единицы.

U называется критерием Стоунера, и он больше единицы для железа, никеля и кобальта, но не для их соседей по периодической таблице — марганца и меди. Теперь международная команда, включающая Фатьму Аль Ма’Мари (Fatma Al Ma’Mari) и Тима Мурсома (Tim Moorsom) из Университета Лидса, нашла способ повысить плотность электронных состояний и силу обменного взаимодействия в меди и марганце, так что они становятся ферромагнетиками при комнатной температуре.

Команда сделала свои образцы путем осаждения нескольких чередующихся слоев С60 и меди (или марганца) на подложку. Медные слои были около 2,5 нм и слои C60 – около 15 нм. С60 используется потому, что он имеет большое сродство к электрону, что означает, что каждая молекула может захватить до трех электронов проводимости от меди. Как ожидается, это должно увеличить как плотность электронных состояний, так и силы обменного взаимодействия в меди.
Затем команда измерила намагниченность слоистых образцов и обнаружила, что они стали ферромагнитными материалами. Исследователи также рассмотрели образцы, в которых медь и слои C60 были разделены слоями алюминия, и не обнаружили никаких доказательств магнетизма, что предполагает, что ферромагнетизм возникает на стыке меди и C60. Это было подкреплено высокочувствительными экспериментами с использованием мюонов, которые показали, что ферромагнетизм возникает в меди вблизи границы с C60. Исследователи также обнаружили ферромагнетизм в слоях С60/марганца при комнатной температуре, но с более слабой намагниченностью.

Удивительно, что когда исследователи вычислили U для своих образцов меди, они обнаружили, что оно должно быть меньше 1. Другими словами, в соответствии с критерием Стоунера, образцы не должны были ферромагнитными. Однако дальнейшие теоретические исследования показывают, что образцы должны стать ферромагнетиками при воздействии относительно малого магнитного поля, что могло произойти при подготовке образцов. Это говорит о том, что другие немагнитные металлы могут быть сделаны ферромагнитнетиками при увеличении U, но не обязательно до 1.

Хотя необходима дальнейшая работа для увеличения намагниченности меди и марганца, исследования могут привести к разработке новых видов крошечных магнитных компонентов. Они могут найти применение в устройствах спинтроники, которые используют спин электрона для хранения и обработки информации, или даже в квантовых компьютерах, в которых спины электронов используются в качестве квантовых битов информации.

Медь и магнетизм: фуллерены создают два новых ферромагнетика

Замовлення хмари в декілька кліків. UCloud запустив хмарний чат бот!

Слово ФЕРРОМАГНЕТИК — Что такое ФЕРРОМАГНЕТИК?

Слово состоит из 13 букв: первая ф, вторая е, третья р, четвёртая р, пятая о, шестая м, седьмая а, восьмая г, девятая н, десятая е, одиннадцатая т, двенадцатая и, последняя к,

Слово ферромагнетик английскими буквами(транслитом) — ferromagnetik

Значения слова ферромагнетик. Что такое ферромагнетик?

Ферромагнетизм

Ферромагнетизм, одно из магнитных состояний кристаллических, как правило, веществ, характеризуемое параллельной ориентацией магнитных моментов атомных носителей магнетизма.Необходимым условием Ф. является наличие постоянных (независящих от Н)магнитных (спиновых или орбитальных, или обоих вместе) моментов электронных оболочек атомов ферромагнетиков.

БСЭ. — 1969—1978

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ — магнитоупорядоченное состояние в-ва, при к-ром все магн. моменты ат. носителей магнетизма в в-ве параллельны и оно обладает самопроизвольной намагниченностью.Магн. и др. физ. свойства ферромагнетиков обладают специфич. зависимостью от темп-ры.

Физическая энциклопедия. — 1988

ФЕРРОМАГНЕТИЗМ — магнитоупорядоченное состояние вещества, в к-ром большинство атомных магнитных моментов параллельны друг другу, так что вещество обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью.Магнитная восприимчивость ферромагнетиков может достигать значений 10 4-10 5 Гс/Э; их…

Физическая энциклопедия. — 1988

Ферромагнетики

Ферромагнетик Термин ферромагнетик Термин на английском ferromagnetic Синонимы Аббревиатуры Связанные термины гигантское магнетосопротивление, нанофармакология, доставка лекарственных средств, парамагнетизм, суперпарамагнетизм, ферромагнетизм…

Энциклопедический словарь нанотехнологий. — 2010

Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов…

ru.wikipedia.org

ФЕРРОМАГНЕТИКИ, в-ва, к-рые ниже определенной т-ры — Кюри точки Тк обладают самопроизвольной намагниченностью. К ферромагнетикам относятся переходные элементы — Fe, Со, Ni, нек-рые РЗЭ (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm)…

Химическая энциклопедия

Ферромагнитный резонанс

Ферромагнитный резонанс, одна из разновидностей электронного магнитного резонанса; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии электромагнитного поля при частотах…

БСЭ. — 1969—1978

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС — разновидность электронного магнитного резонанса в ферромагнетиках и ферримагнетиках; проявляется в избирательном поглощении ферромагнетиком энергии эл.-магн. поля при определ. (резонансных) значениях частоты w0 и внеш. магн…

Физическая энциклопедия. — 1988

ФЕРРОМАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС — резонансное поглощение эл.-магн. энергии ферромагнетиком, один из видов электронного магнитного резонанса в твёрдом теле. От электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) Ф. р. отличается тем…

Физическая энциклопедия. — 1988

Русский язык

Ферромагне́тик, -а.

Орфографический словарь. — 2004

Ферр/о/магне́т/ик/.

Морфемно-орфографический словарь. — 2002

---

1. ферродинамический
2. феррозонд
3. ферромагнетизм
4. ферромагнетик
5. ферромагнитный
6. ферромарганец
7. ферромарганцем

Ферромагнетиков

Ферромагнетиков
Далее: Токи от магнетизма Up: Магнитные материалы Предыдущий: Постоянные магниты

Ферромагнетики Третий тип магнитного материала — ферромагнетик . В этом материала, существуют области, в которых магнитные поля отдельные атомы выравниваются, но ориентация магнитных полей Количество доменов является случайным, что не приводит к возникновению чистого магнитного поля. Это проиллюстрировано ниже.

Рисунок 9.13: Ферромагнетик

Полезное свойство ферромагнетиков состоит в том, что когда внешнее магнитное поле приложено к ним, магнитные поля отдельных доменов стремятся выстраиваются в направлении этого внешнего поля из-за природы магнитные силы, которые вызывают усиление внешнего магнитного поля. Это проиллюстрировано ниже.

Рисунок 9.14: Ферромагнетик во внешнем магнитном поле

Это усиление внешнего магнитного поля является причиной того, что находит петли из проволоки, которые используются в электромагните, например, в Инжир.9.10, намотаны на ферромагнитный сердечник.

Еще одна область применения ферромагнитных материалов — это магнитная промышленность. записывающие устройства, такие как кассеты, дискеты для компьютеров, и магнитная полоса на обратной стороне кредитных карт. Эти устройства по существу принимают информацию в виде электрических сигналов и постоянно закодировать его в магнитный материал. Как это делается проиллюстрировано ниже.

Рисунок 9.15: Магнитная запись / чтение

Когда электрический сигнал (переменного тока) проходит через проволочную петлю, возникает магнитное поле. производится через ферромагнитный сердечник, что, в свою очередь, производит магнитное поле вблизи движущейся магнитной ленты.Это магнитное поле выравнивает магниты атомов на ленте, которые случайно проходят мимо нее в тот момент. Вскоре направление тока меняется на противоположное, который меняет направление магнитного поля, которое впоследствии меняет ориентацию следующего атома на ленте, которая проходит мимо. Таким образом информация сохраненный в электрическом сигнале кодируется в определенной ориентации магнитных полей отдельных атомов.

---

Далее: Токи от магнетизма Up: Магнитные материалы Предыдущий: Постоянные магниты

modtech @ теория.uwinnipeg.ca
1999-09-29

Ферромагнетизм

Железо, никель, кобальт и некоторые редкоземельные элементы (гадолиний, диспрозий) проявляют уникальное магнитное поведение, которое называется ферромагнетизмом, потому что железо (железо на латыни) является наиболее распространенным и ярким примером. Самарий и неодим в сплавах с кобальтом использовались для изготовления очень сильных редкоземельных магнитов.

Ферромагнитные материалы демонстрируют явление дальнего упорядочения на атомном уровне, которое заставляет неспаренные электронные спины выстраиваться параллельно друг другу в области, называемой доменом.Внутри домена магнитное поле является интенсивным, но в массивном образце материал обычно не намагничивается, потому что многие домены сами по себе будут ориентированы случайным образом относительно друг друга. Ферромагнетизм проявляется в том, что небольшое внешнее магнитное поле, например, от соленоида, может заставить магнитные домены выровняться друг с другом, и материал считается намагниченным. При этом управляющее магнитное поле будет увеличиваться в большой степени, что обычно выражается как относительная проницаемость для материала.Есть много практических применений ферромагнитных материалов, таких как электромагнит.

Ферромагнетики будут иметь тенденцию оставаться в некоторой степени намагниченными после воздействия внешнего магнитного поля. Эта тенденция «вспоминать свою магнитную историю» называется гистерезисом. Доля намагниченности насыщения, которая сохраняется при удалении управляющего поля, называется остаточной намагниченностью материала и является важным фактором в постоянных магнитах.

Все ферромагнетики имеют максимальную температуру, при которой ферромагнитные свойства исчезают в результате теплового перемешивания.Эта температура называется температурой Кюри.

Ферромагнетики механически реагируют на приложенное магнитное поле, слегка изменяя длину в направлении приложенного поля. Это свойство, называемое магнитострикцией, приводит к знакомому гудению трансформаторов, поскольку они механически реагируют на переменное напряжение 60 Гц.

В чем разница между парамагнетизмом и ферромагнетизмом?

Спросил: Авраам Дж.

Ответ

Короче говоря, определения выглядят так: Диамагнетизм относится к материалам, на которые не действует магнитное поле. Парамагнетизм относится к материалам, таким как алюминий или платина, которые намагничиваются в магнитном поле, но их магнетизм исчезает при снятии поля. Ферромагнетизм относится к материалам (таким как железо и никель), которые могут сохранять свои магнитные свойства при удалении магнитного поля. Ферро — это латинское слово, обозначающее железо (это причина атомного символа железа — Fe), материала, который проявляет сильные магнитные свойства. Электроны создают небольшое магнитное поле, когда они вращаются и вращаются вокруг ядра атома.Для многих атомов комбинации электронов на их орбитах нейтрализуют друг друга. В ферромагнитных материалах, однако, электронные поля в атомах не компенсируются, поэтому они демонстрируют явление дальнего упорядочения на атомном уровне, которое заставляет неспаренные электронные спины выстраиваться параллельно друг другу в области, называемой доменом. Внутри домена магнитное поле является интенсивным, но в массивном образце материал обычно не намагничивается, потому что многие домены сами по себе будут ориентированы случайным образом относительно друг друга.Но когда вы подвергаете этот материал воздействию магнитного поля, магнитные поля выровняются друг с другом, и ваш материал намагнитится. Ферромагнетики будут в некоторой степени оставаться намагниченными после воздействия внешнего магнитного поля. Эта тенденция «вспоминать свою магнитную историю» называется гистерезисом. Часть намагниченности насыщения, которая сохраняется при удалении управляющего поля, называется остаточной массой материала и является основой хранения данных на аудио- и видеокассетах и ​​жестких дисках компьютеров.Записывающая головка магнитофона или записывающая головка дисковода прикладывает поле, которое намагничивает небольшую часть ленты (или диска). Магнетизм в каждой части сохраняется, пока другое магнитное поле не изменит его. Когда каждая намагниченная секция перемещается под головку воспроизведения или считывающую головку, движущееся магнитное поле индуцирует небольшие токи, которые усиливаются и превращаются либо в музыку, либо в биты данных. Если бы домены не могли запомнить примененное к ним поле, все это было бы невозможно.Магнитные домены будут оставаться выровненными до тех пор, пока они не будут рандомизированы тепловым перемешиванием или какой-либо другой внешней силой, которая может работать при вращении доменов внутри материала. (Например, нагревание магнита или удары молотком по нему может устранить магнитные эффекты материала!) Ферромагнитные материалы будут механически реагировать на приложенное магнитное поле, слегка изменяя длину в направлении приложенного поля. Это свойство, называемое магнитострикцией, приводит к знакомому гудению трансформаторов, поскольку они механически реагируют на переменное напряжение 60 Гц.В парамагнитных материалах орбиты электронов не компенсируются, но поля электронов не усиливают друг друга так сильно, как в ферромагнитных материалах. Поэтому они имеют постоянные дипольные моменты, которые пытаются выровняться с магнитным полем, но не могут оставаться выровненными из-за случайного теплового движения. Когда парамагнитный материал помещается в сильное магнитное поле, он становится магнитом, и, пока присутствует сильное магнитное поле, он будет притягивать и отталкивать другие магниты обычным образом.Но когда сильное магнитное поле удаляется, общее магнитное выравнивание теряется, поскольку диполи возвращаются в свое нормальное случайное движение.
Ответил: Д. Паради, инструктор по авионике, NAMTRAU Lemoore, CA

Типы, свойства, применение и преимущества

Ферромагнитные материалы или вещества были изобретены французским физиком Луи Эженом Феликсом Нилом. Он родился 22 ^года ноября 1904 года в Лионе и умер 17 ^года ноября 2000 года в Брив-ла-Гайард.Он учился в Страсбургском университете и получил Нобелевскую премию по физике. Доступны несколько компаний по производству ферромагнитных материалов, такие как Dexter Magnetic Technologies, основанная в 1951 году в деревне Элк-Гроув, Digi Key Electronics, основанная в 1972 году в Thief River Falls, компоненты RS, основанные в 1937 году в Корби Уорингом и П.М.Себестиеном, Star Trace Private Limited, основанная в 1985 в Тамилнаду, Shields Company Magnetics в городе Калвер, Magnum Magnetics Corporation в Мариетте, Alliance LLC, Arnold Magnetic Technologies, International Magna Products, Master Magnetics — одни из ведущих производителей магнитных материалов.

Что такое ферромагнитные материалы?

В некоторых материалах постоянные атомные магнитные моменты имеют сильную тенденцию выравниваться даже без внешнего поля. Эти материалы называются ферромагнитными материалами. Некоторыми примерами ферромагнитных материалов являются кобальт, железо, никель, гадолиний, диспрозий, пермаллой, аваруит, вайракит, магнетит и т. Д. Существует много ферромагнитных материалов, некоторые из списков ферромагнитных материалов показаны в таблице ниже.

S.NO	Ферромагнитные материалы	Температура Кюри	Точка плавления	Точка кипения	Атомный номер	Плотность
1.	Кобальт	1388	1768K	3200K	27	8,90 г / см 3
2.	Железо	1043	1811K	3134K	26	7,874 г / см 3
3.	Никель	627	1728K	3003K	28	8,908 г / см 3
4.	Неодимовый магнит	593	1297 K	3347 K	60	0,275 фунта. на кубический дюйм
5.	Двуокись хрома	386	> 375 0 C	4000 0 C	24	4,89 г / см 3
6.	Гадолиний	292	1585K	3273K	64	7,90 г / см 3
7.	Тербий	219	1629K	3396K	65	8.23 г / см 3
8.	Диспрозий	88	1680K	2840K	66	8,540 г / см 3

1). Кобальт: Кобальт изобретен Георгом Брандтом в 1739 году. Он родился 26 ^года июня 1964 года в Риддархиттане и умер в Стокгольме 29 ^года апреля 1768 года. корочка.Он представлен в периодической таблице символом CO, а его атомный номер — 27.

2). Железо: Железо — это химический элемент одного типа, который содержится в земной коре и обычно обозначается символом Fe. Цвет железа серебристо-серый, а атомный номер 26 в периодической таблице. Первый электрический утюг был изобретен в 1882 году Генри Сили, который использовался для глажки одежды. Генри Сили родился 20 ^-го -го мая 1861 года в Нью-Йорке и умер 20 ^-го -го мая 1943 года.

3). Никель: Никель, химический элемент, также содержится в земной коре и обозначается символом Ni. Атомный номер никеля в периодической таблице равен 28, а цвет никеля — серебристо-белый. Этот металл изобрел Аксель Фредрик Кростедт, он родился в Швеции 23 ^-го декабря 1722 года и умер 20 ^-го мая 1943 года.

4). Неодимовый магнит: Это один из видов сильных и постоянных магнитов, но он редко встречается в земной коре, а цвет неодима — серебристо-белый.Его также называют магнитом NIB или Neo или NdFeB, а формула неодимового магнита — Nd ₂ Fe ₁₄ B . Этот металл изобрел Карл Ауэр фон Вельсбах, он родился в Австрии 1 сентября 1858 года и умер 4 августа 1929 года.

5). Диоксид хрома: Химическая формула диоксида хрома — CrO ₂ , он нерастворим в воде и также называется оксидом хрома (iv). Другие названия диоксида хрома — Carolyn и magtrieve . Металлический хром открыт Луи Николя Воклен, он родился в Австрии 16 ^{994 мая 1763 года и умер 14 9 ноября 1829 года во Франции.}

6). Гадолиний: Гадолиний — это химический элемент одного типа, который обозначается символом Gd. Атомный номер гадолиния 64 в периодической таблице. Металлический гадолиний изобретен Полем-Эмилем Лекоком де Буабодраном (18 ^-е, апреля 1838 г. — 28 мая 1912 г.) во Франции и Жаном Шарлем Галиссаром де Мариньяком (24 ^-е, апреля 1817 — 15 ^-е, апреля 1894 г.) в Швейцарии.

7). Тербий: Тербий также является одним из видов химического элемента, который обозначается символом Td. Он изобретен Карлом Густавом Мосандером в 1843 году и редко встречается в земной коре. Этот химический элемент был изобретен Карлом Густавом Мосандером в 1843 году. Он родился 10 ^{сентября 1797 года в Кальмаре и умер 15 года октября 1858 года в графстве Стокгольм.}

8). Диспрозий: Диспрозий — это один из типов ферромагнитного материала, который был идентифицирован Полем Эмилем Лекоком де Буабодраном в 1886 году.Он родился 18 ^-го -го апреля 1838 года и умер 28 ^-го -го мая 1912 года во Франции. Атомный номер гадолиния 66 в периодической таблице.

Типы ферромагнитных материалов

Есть два типа ферромагнитных материалов: немагнитный ферромагнитный материал и намагниченный ферромагнитный материал. Классификация ферромагнитных материалов показана на рисунке ниже

Типы ферромагнитных материалов

1). Немагниченный ферромагнитный материал

В каждом немагнитном ферромагнетике атомы образуют домены внутри материала.У разных доменов разные направления магнитного момента. Следовательно, материал остается немагниченным. Немагниченный ферромагнетик, показанный на рисунке ниже

, немагнитный ферромагнетик

2). Намагниченный ферромагнетик

При приложении внешнего магнитного поля к доменам ненамагниченного ферромагнетика, домены будут вращаться и выравниваться в направлении магнитного поля из-за доменного характера ферромагнетика, даже если приложено небольшое магнитное поле. вызывает большую намагниченность.Магнитное поле в таком материале намного больше, чем магнитное поле. Магнитные моменты доменов параллельны магнитному полю в ферромагнетизме, потому что эти домены также выстраиваются в одном направлении.

намагниченный ферромагнетик

Это объяснение ненамагниченного ферромагнетика и намагниченного ферромагнетика с помощью диаграмм.

Свойства ферромагнитных материалов

Свойства ферромагнитных материалов:

• Ферромагнитные вещества сильно притягиваются магнитным полем
• Эти вещества проявляют постоянный магнетизм даже в отсутствие магнитного поля
• Ферромагнитные вещества превращаются в парамагнитные когда вещества нагреваются до высокой температуры.

Причина: это связано с рандомизацией доменов при нагревании

• Все домены выровнены в параллельном направлении

Преимущества

Преимущества ферромагнитных материалов

• Сопротивление высокое
• Дешево
• Низкие потери на гистерезис
• Электрическое сопротивление высокое,
• Коэрцитивная сила низкая
• Высокая проницаемость.
• Он может работать до 300 ⁰ C температура
• Стабильность ферромагнитных материалов хорошая

Недостатки

Главный недостаток ферромагнитных материалов

• Создает недельное магнитное поле

Приложения

Приложения ферромагнитные материалы

• Трансформаторы
• Электромагниты
• Запись на магнитную ленту
• Жесткие диски
• Генераторы
• Телефоны
• Громкоговорители
• Электродвигатели
• Жесткий диск

Список магнитных хранилищ Ферромагнитные материалы и объяснение каждого материала, применения, преимуществ и недостатков.Вот вам вопрос, какой ферромагнитный материал является лучшим и почему?

Магнитные домены

Ферромагнетизм

Примеры ферромагнитных материалов включают железо, кобальт, никель и сплав под названием Alnico. Атомы в этих материалах обладают постоянными магнитными моментами, и имеет место явление, называемое обменной связью, при котором магнитные моменты соседних атомов совпадают друг с другом.Это формирует домены, небольшие окрестности, в которых выровнены магнитные моменты. Типичные размеры доменов от 0,1 до 1 мм.

Когда ферромагнитный материал не намагничен, в нем все еще есть домены, но у них есть случайные направления намагниченности. Если включить внешнее поле, произойдут две вещи. Домены, выровненные с полем, растут за счет доменов, выровненных против поля, и направление намагниченности внутри каждого домена имеет тенденцию смещаться в сторону направления приложенного поля.

Какое направление имеет приложенное магнитное поле при моделировании?

1. осталось
2. правый
3. вверх
4. вниз

Если внешнее поле удаляется, ферромагнитный материал не возвращается в исходное состояние, но сохраняет некоторую часть своей чистой намагниченности. Степень сохранения намагниченности зависит от материала.

В «жестком» ферромагнитном материале сложно сдвинуть домены, поэтому значительная часть намагниченности сохраняется при удалении внешнего поля.Так делают постоянные магниты.

В «мягком» ферромагнитном материале домены более точно следуют за внешним полем, и при удалении внешнего поля остается не так много суммарной намагниченности. Хорошим применением этого является электромагнит, который имеет сильное магнитное поле при включении тока и очень слабое поле при его снятии.

Ферромагнитный материал имеет кривую гистерезиса , которая показывает результирующее поле как функцию от H.Например, в случае цилиндрического куска ферромагнетика с намотанной на него катушкой из проволоки это можно интерпретировать как график зависимости чистого поля от тока через катушку, поскольку ток циклически изменяется от некоторого максимального значения. в одном направлении до того же максимума в другом.

Кривая двузначна — величина B, чистого поля, зависит не только от магнитного поля от тока в катушке, но и от того, увеличивается или уменьшается ток.B обычно отстает от H, потому что домены не любят меняться.

Площадь, ограниченная кривой B-H, пропорциональна работе, необходимой для однократного прохождения материала по циклу.

Еще одной особенностью графика является то, что он выравнивается при больших значениях. Это известно как насыщение, точка, в которой большинство доменов выровнены и, по существу, достигается максимум M . Увеличение тока в катушке за пределами этой точки не даст вам особого результата.

Ферромагнетизм — Engineering LibreTexts

Магнетизм — явление, которое веками пленило человечество. Существует пять различных типов магнетизма: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Средний человек вспоминает, что ферромагнетизм является наиболее распространенным явлением. Это потому, что большинство людей когда-нибудь сталкивались с постоянными магнитами, и они сделаны из ферромагнитного материала. Это действительно похоже на парамагнитный материал, но с одним важным отличием, которое их разделяет.

Парамагнетизм не имеет чистого магнитного поля, потому что спины электронов направлены в разные стороны. Это означает, что когда рядом с парамагнитным материалом помещается сильный магнит с положительным или отрицательным притяжением, частичное выравнивание спинов приведет к слабому притяжению. Где, как в ферромагнетизме, все спины электронов направлены в одном направлении. Это то, что заставляет постоянные магниты притягиваться через противоположные полюса, с юга на север и наоборот, а также отталкиваться, когда одни и те же полюса обращены друг к другу.

Использование ферромагнитных материалов

Наиболее распространенными ферромагнитными материалами являются кобальт, железо, никель, а также природный намагниченный минерал и другие соединения редкоземельных металлов. Обычно ферромагнитные материалы, влияющие на нашу повседневную жизнь, представляют собой магнитное хранилище в форме данных. В противном случае считается энергонезависимым хранилищем, поскольку данные не могут быть потеряны, когда устройство не работает. Преимущество этого метода хранения заключается в том, что это одна из самых дешевых форм хранения данных, а также возможность повторного использования.Все это возможно из-за гистерезиса.

Как только ферромагнитные материалы намагничиваются в определенном направлении, они теряют способность терять свою намагниченность (гистерезис). Это означает, что он не сможет вернуться в исходное состояние без какого-либо намагничивания. Но может быть применено другое противоположное магнитное поле, которое приведет к созданию петли гистерезиса, как показано на рисунке 1. Это, в конечном счете, уникальный эффект, который позволяет этим материалам сохранять данные после того, как намагничивающее поле падает до нуля.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \):: Петля гистерезиса для ферромагнитного материала, изображает уменьшение магнитного поля (H), а затем увеличение, когда оно возвращается к исходной начальной точке.

Намагничивание ферромагнитных материалов

Ферромагнитные материалы содержат уникальные магнитные моменты, которые выровнены параллельно друг другу в одном направлении (рис. 2). Все другие типы намагничивания имеют моменты более чем в одном направлении.Ферромагнетизм — единственная намагниченность с одинаковыми моментами направления. Приводя к притяжению или отталкиванию с другими магнитными материалами. Северные полюса притягивают южные полюса, в то время как одни и те же полюса отталкивают друг друга (с севера на север, с юга на юг). У них будут равные противоположные моменты, отталкивающие друг друга. На рисунке 2 ниже показаны магнитные моменты в ферромагнитных материалах. Они имеют одинаковую величину и упорядочены без магнитного поля.

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \):: Магнитные моменты в ферромагнитных материалах

Классическое объяснение

Теория Вейсса (Hw) описывает, как молекулярное поле Вейсса пропорционально намагниченности ферромагнитного материала, как показано в уравнении ниже.Где B представляет собой константу пропорциональности.

$$ \ H_ \ omega = \ beta M \ label {1} ​​$$

Уравнение \ ref {2} ниже описывает полное магнитное поле с \ (H \) в качестве внешнего поля.

\ [\ H_ {tot} = H + H_ \ omega = H + \ beta M \ label {2} \]

Из-за сходства с парамагнетизмом приведенное ниже уравнение может быть решено и заменено на \ (H \) в функции Ланжевена.

\ [\ a = \ mu_o m_ \ beta \ dfrac {H_ (tot)} {k T} \ label {3} \]

\ [\ dfrac {M} {M_S} = L (\ dfrac {\ mu_o m_ \ beta (H + \ beta M)} {kT}) \ label {4} \]

\ [\ dfrac {Nm_b} {v} = M_S \ label {5} \]

Нет внутреннего поля выше температуры Кюри \ (T_c \), решение уравнения \ ref {1} дает BM, равное 0.2} {v3k (T-T_c)} = X_F \ label {6} \]

Квантово-механическое объяснение

Квантово-механическое явление — более точный способ описания ферромагнетизма, поскольку разрешены только определенные углы магнитного движения. С классической точки зрения разрешены все углы, поскольку теория Ланжевена делает этот метод крайне маловероятным. Следовательно, приведенный ниже нормированный степенной закон с гаммой 0,5 является точным представлением явления ферромагнетизма.

\ [\ dfrac {M_S (T)} {M_S (T_o)} = \ dfrac {T_c — T} {T_c} \ label {7} \]

Температурная зависимость

Ниже температуры Кюри спины ферромагнитного материала имеют одинаковую величину и хорошо упорядочены.Когда достигается температура Кюри, это означает, что моменты становятся случайно выровненными, что означает превышение предела спиновой связи, что приводит к разрыву связи, заставляя материал действовать парамагнитно. Глядя на рисунок 3 ниже, он показывает, как моменты выравниваются ниже температуры Кюри (в ферромагнетике), но затем выше температуры Карри он становится парамагнитным. За счет образования случайно расположенных спинов.

Рисунок \ (\ PageIndex {3} \):: Кривая представляет зависимость намагниченности от абсолютной температуры ферромагнитных материалов.Ниже температуры Кюри (Т Гури) намагниченность является ферромагнитной с выровненными моментами, а выше — парамагнитной с невыровненными моментами.

Вопросы

1. В чем разница между ферромагнетизмом и парамагнетизмом?
2. Объясните, почему и как ферромагнетизм ведет себя выше и ниже Кюри?
3. Каково общее применение материалов ферромагнетизма и почему / как оно работает?

Ответы

1. Ферромагнетики имеют однородные электронные спины, направленные в одном направлении, в то время как парамагнетики имеют спины во всех направлениях.Это заставляет ферромагнетики иметь сильные силы притяжения или отталкивания, когда они вводятся в постоянный магнит. С другой стороны, ферромагнетики имеют слабое притяжение к сильным постоянным магнитам.
2. Моменты выравниваются ниже температуры Кюри (в ферромагнетике), но затем выше температуры Карри он становится парамагнитным. Это ожидается, потому что ниже температуры Кюри спины имеют одинаковую величину с порядком. Но затем прохождение температуры Кюри означает, что моменты станут случайно выровненными, что приведет к разрыву связи, что сделает материал парамагнитным.
3. Обычно ферромагнитные материалы применяются в системах хранения данных. Это потому, что это дешевле, чем другие методы, и со временем диски можно стирать и использовать снова. Это возможно потому, что после намагничивания ферромагнитные материалы теряют способность к размагничиванию. В результате продолжается парамагнитное намагничивание с внешним источником тока или без него.

Список литературы

1. С. О.Kasap, Принципы электронных материалов и устройств . Макгроу-Хилл, 2006
2. Р. Э. Хаммель, Электронные свойства материалов . Springer New York, 2013. стр. 347-371
3. Ферромагнетизм . N.p., n.d. Интернет. 07 декабря 2015 г.
4. Британская энциклопедия онлайн . Британская энциклопедия, без даты. Интернет. 06 декабря 2015 г.

Авторы и авторство

• Хосе Андраде, Материаловедение и инженерия — Калифорнийский университет, Дэвис

Для чего нужна физика?

«Для чего нужна физика?» Дополнительный кредит доступен в конце этой страницы.Пожалуйста, ответьте до 9:00 понедельника, 23 октября rd , 2000. Магнитные материалы В течение следующих нескольких недель мы будем изучать магнитные поля и силы, которые испытывают заряженные частицы и токи в результате этих полей. Однако у нас нет времени, чтобы подробно описать магнитные материалы. Это плохо как минимум по двум причинам: Магнитные материалы — важная технология, которая влияет на нашу повседневную жизнь. Исследования вашего преподавателя находятся в этой области, и они ему особенно нравятся. Эта страница предоставит ОЧЕНЬ КРАТКОЕ введение в основные типы магнитных материалов и некоторые их применения. Во-первых, технический момент. Все материалы являются магическими в том смысле, что на них так или иначе влияют магнитные поля. Однако степень их воздействия сильно различается. Есть три категории, которые описывают, как на материал влияет магнитное поле.Есть и другие, но самые простые. Диамагнетизм: Такие материалы, как медь, свинец, кварц, вода, ацетон и диоксид углерода, являются диамагнитными. Эти материалы очень слабо подвержены влиянию магнитных полей. В той степени, в которой они затронуты, они становятся магнитно поляризованными в направлении , противоположном направлению от магнитного поля. Если магнитное поле неоднородно, они чувствуют силу на расстоянии от области от области с более высоким полем. Диамагнетизм возникает в результате воздействия магнитных полей на все электроны в материале.Таким образом, все материалы диамагнитны. Однако другие формы магнетизма сильнее диамагнетизма, поэтому диамагнетизм обычно можно игнорировать, если только он не является единственным присутствующим магнетизмом. Парамагнетизм: Такие материалы, как натрий, кислород, оксид железа (FeO или Fe 2 O 3 ) и платина являются парамагнитными. На них воздействуют несколько сильнее, чем на диамагнитные материалы, они становятся поляризованными параллельно магнитному полю. Таким образом, в неоднородном магнитном поле они ощущают силу по направлению к в области более высокого поля. Парамагнетизм возникает из-за магнитных сил на неспаренных электронах. Вы можете вспомнить из курса химии, что электроны движутся вокруг атомов по «орбиталям» и что максимум два электрона могут войти на каждую орбиталь. Электроны, которые находятся на орбитали в одиночку, считаются неспаренными. Ферромагнетик: Такие материалы, как железо, никель, гадолиний, оксид железа (Fe 3 O 4 ), марганцево-висмут (MnBi) и феррит кобальта (CoFe 2 O 4 ) являются ферромагнитными. .Эти материалы очень сильно подвержены влиянию магнитных полей. Они становятся сильно поляризованными в направлении магнитного поля, поэтому их сильно привлекает область сильного поля, когда поле неоднородно. Кроме того, они сохраняют свою поляризацию после снятия магнитного поля. После поляризации ферромагнитные материалы создают собственные магнитные поля. Поскольку эти поля обычно неоднородны (особенно вблизи концов детали), ферромагнитные материалы способны притягивать друг друга.Все материалы, которые вы привыкли называть магнитами, являются ферромагнитными материалами. Ферромагнетизм возникает в результате взаимодействия электронов в материале. Вот почему ферромагнетик может оставаться магнитно поляризованным, даже если к нему не приложено магнитное поле извне. Неудивительно, что для большинства применений магнитных материалов требуются ферромагнитные материалы. Это те, которые наиболее сильно взаимодействуют с магнитными полями.В этой категории есть несколько важных подкатегорий. Это связано с тем, насколько легко можно изменить магнитную поляризацию (намагниченность) материала. Как правило, чем сложнее намагничивать материал, тем больше этот материал сохраняет свою намагниченность. Это свойство известно как «магнитная жесткость». Например, в (магнитном) твердом материале намагниченность очень трудно изменить. Однако намагниченный материал сохранит почти всю свою намагниченность после удаления намагничивающего поля.Затем материал можно использовать в этом состоянии. Твердые материалы идеально подходят для использования в качестве «постоянных магнитов». Постоянные магниты используются по-разному, наиболее известным из них, вероятно, является магнит «на холодильник», который часто используется, чтобы подносить списки покупок и детские рисунки к дверце холодильника. Постоянные манжеты также используются в магнитных защелках (например, чтобы держать дверцу холодильника закрытой), в электродвигателях (в холодильнике есть еще один), в электрических генераторах (которые питают холодильник), в антиблокировочных тормозах, в электрогитаре. пикапы и тысячи других обычных и необычных устройств. Ферромагнетики, которые очень легко намагничиваются, но которые теряют большую часть своей намагниченности при удалении из магнитного поля, известны как мягкие магнитные материалы . Эти материалы используются в датчиках магнитного поля (для считывания данных с магнитной ленты и дисков или в антиблокировочной системе тормозов), а также в магнитном экранировании. Они также используются в электрических трансформаторах, о которых мы узнаем, когда изучим схемы переменного тока. Добавить комментарий Отменить ответ Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены * Комментарий * Имя * Email * Сайт