Was ist ein ferromagnetisches Material?
Es handelt sich um eine ausgewählte Gruppe von Metallen, die die Fähigkeit besitzen, sich in Dauermagnete aufgrund ihrer einzigartigen magnetische Eigenschaften. Sie haben eine relativ hohe Empfindlichkeit gegenüber Magnetfeldern, wodurch sie leicht magnetisiert werden können. Diese Art von Magnetismus zeigt sich bei einer Kategorie von Metallen, die als Eisenmetalle bezeichnet werden. Eisen, Kobalt und Nickel sind Beispiele für solche Metalle.
Diese Materialien enthalten ungepaarte Elektronen sowie atomare Dipole. Diese Eigenschaften sowie ihre kristalline Struktur erhöhen ihre magnetische Suszeptibilität und ihre Fähigkeit, sofort magnetisch zu werden.
Arten von ferromagnetischen Metallen und Legierungen
Mehrere Materialien weisen diese Eigenschaft auf. Diese Materialien umfassen;
This metal has a crystalline structure with two unpaired electrons in outer shells. The α variation of the metal is ferromagnetic. The metal’s Curie point is 1043°K beyond which it loses its superior properties. It has domains within which its unpaired electrons spin to create the magnetic field as they align. Prolonged exposure will result in the magnetic saturation of the metal. It is also very susceptible to external magnetic fields which allow it to be easily magnetized.
It has a relatively high magnetic saturation which increases its ability to be permanently magnetized. Just like iron, it can maintain its properties until it hits Curie point which is 1145°C. Its magnetic properties are influenced by the size of its particles and may differ with varying sizes. It exhibits magnetic anisotropy which is characterized by the alignment of the electron in a similar direction. The metal can be temporarily demagnetized using a stronger magnet. It also has a strong magnetic permeability.
Nickel is another ferromagnetic material that exhibits that displays Paramagnetismus in its pure state. However, if it contains a trace of iron or cobalt it becomes ferromagnetic with a high magnetic susceptibility. Its ferromagnetic ability largely depends on other elements found in it. It loses all its ferromagnetic abilities at 355°C.
This is a material with a high susceptibility to magnetic influence and can therefore be easily magnetized. Its magnetic properties are influenced by temperature and display ferromagnetic properties below 85°K. In its basal plane, it experiences spontaneous magnetization as well as an increase in temperature in the presence of a magnetic field.
Terbium is a rare-earth element that is paramagnetic at room temperatures but displays ferromagnetic properties below 237°K. Once introduced to a magnetic field its temperature begins to rise.
This material is typically fused with materials such as boron and iron which greatly enhance its magnetic properties although in its natural state, it is anti-ferromagnetic. It is magnetized along a particular crystal axis because of its elevated uniaxial anisotropy. Its microstructure and crystalline structure are some of the properties that make it an exceptionally strong magnet.
Weiches ferromagnetisches Material vs. hartes ferromagnetisches Material
Es gibt zwei Hauptkategorien von ferromagnetischen Materialien: weiche und harte ferromagnetische Materialien. Die Einteilung in diese Kategorien wird durch verschiedene Eigenschaften wie Rückhaltevermögen, Permeabilität und Koerzitivfeldstärke beeinflusst. Ein weiterer Faktor, der die Kategorie bestimmt, sind die Kurven ihrer Hysterese.
Weichferromagnetische Magnete benötigen nur einen begrenzten externen magnetischen Einfluss, um entmagnetisiert zu werden, und haben daher eine geringe Koerzitivfeldstärke. Sie geben in der Schleife nur begrenzt Energie ab, wodurch ihre Hysteresekurve schmal und steil ist. Sie haben auch eine geringere Speicherkapazität und Permeabilität.
Andererseits haben hartferromagnetische Materialien eine höhere magnetische Stärke und eine höhere Koerzitivfeldstärke. Es bedarf eines stärkeren Magnetfeldes, um sie zu entmagnetisieren, wodurch sie ein höheres Rückhaltevermögen haben. Ihre Kurve ist breit, da sie in der Hystereseschleife viel Energie freisetzen.
Praktische Anwendungen von ferromagnetischen Materialien
Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften haben ferromagnetische Materialien eine Vielzahl von Verwendungsmöglichkeiten. Zu diesen Anwendungen gehört die Herstellung der folgenden Produkte;
- Dauermagnete
- Kerne für Transformatoren
- Magnetische Speichergeräte
- Elektrische und elektromechanische Geräte
- Elektromagnete
Verschiedene Arten von ferromagnetischen Werkstoffen eignen sich für unterschiedliche Anwendungen. Ferromagnetische Werkstoffe eignen sich hervorragend für Anwendungen, die auf magnetische Eigenschaften angewiesen sind. Aufgrund ihrer unterschiedlichen Eigenschaften ist es wichtig, ein ferromagnetisches Material auszuwählen, das alle Ihre Anforderungen erfüllt.
Ursachen des Ferromagnetismus
Der Ferromagnetismus wird durch die folgenden Faktoren verursacht:
Atomare Dipole
Dies bezieht sich auf die Trennung von positiven und negativen Ladungen in einem Molekül. In Materialien, die Ferromagnetismus aufweisen, gibt es Bereiche, die Domänen genannt werden und in denen die Ausrichtung dieser atomaren Dipole stattfindet. Durch diese Ausrichtung entsteht ein magnetisches Nettomoment, das in diesen Materialien gleich Null ist, da es in entgegengesetzter Richtung auftritt.
Kristallstruktur
Die Kristallstruktur hat großen Einfluss auf die Ausrichtung der atomaren Dipole und andere magnetische Eigenschaften ferromagnetischer Materialien. Die Struktur kann die Drehung der Dipole erleichtern oder die Entstehung eines magnetischen Moments verhindern. Sie beeinflusst auch Eigenschaften wie die Domänenstruktur, die magnetische Ordnung, die Raumgruppen, die Anisotropie und die Curie-Temperatur.
Quantenmechanische Effekte
Die Elektronen in ferromagnetischen Materialien werden durch die Quantenmechanik gesteuert. Das Pauli-Ausschlussprinzip diktiert die Ausrichtung der Elektronen und besagt, dass sich nahe beieinander liegende Elektronen nicht in eine ähnliche Richtung ausrichten können. Dadurch werden sie antiparallel, was zu einer starken Abstoßung führt, die die Ausrichtung der Elektronen auf die Spins bewirkt
Hysterese
Dies bezieht sich auf die Verschiebung und Ausrichtung von Domänen, wenn ein Material durch äußere Einflüsse magnetischen Feldern ausgesetzt ist, was eine erhöhte Magnetisierung bewirkt. Dieses Phänomen beeinflusst andere magnetische Eigenschaften wie Sättigung, Koerzitivfeldstärke und Suszeptibilität. Der Grad der Hysterese wird durch die Stärke des äußeren Magnetfelds beeinflusst.
Zu den Eigenschaften von ferromagnetischen Materialien gehören
- Diese Materialien haben eine mikroskalige Anordnung von Elektronenspins, wodurch magnetische Domänen entstehen, die das Magnetfeld der Materialien verstärken.
- In ihrem Bereich haben diese Materialien ein permanentes Dipolmoment, das in einer einheitlichen Richtung ähnlich dem äußeren Feld ausgerichtet ist.
- Der Magnetismus dieser Materialien erlischt, wenn das Material Temperaturen oberhalb des Curie-Punkts ausgesetzt wird. Der Grund dafür ist das Verschwinden der langreichweitigen Ordnung, die durch diese Temperaturen verursacht wird.
- Die Materialien weisen eine hohe magnetische Suszeptibilität auf, so dass sie leicht magnetisiert werden können und verbesserte magnetische Eigenschaften aufweisen.
- Wenn ein externes Feld an diese Materialien angelegt wird, nimmt die Stärke ihrer magnetischen Fähigkeit bis zu ihrer maximalen Grenze zu. Diese Grenze kann auch als Sättigungsgrad bezeichnet werden.
- Ihre magnetischen Eigenschaften lassen sich grafisch als eine Form des angelegten Magnetfelds darstellen. Dieses Diagramm wird als Hystereseschleife bezeichnet und ermöglicht die Verfolgung von magnetisierten, entmagnetisierten und ummagnetisierten Materialien.
Ferromagnetische Materialien machen eine Veränderung durch, die als Phasenübergang bekannt ist, wenn sie Temperaturen ausgesetzt werden, die über ihrer Curie-Temperatur liegen. Temperaturen oberhalb der Materialgrenze führen dazu, dass das Material seine Fähigkeit zu magnetisieren verliert. Das resultierende Material weist dann nur noch paramagnetische Eigenschaften auf.
Die Curie-Temperatur von ferromagnetischen Materialien umfasst;
- Eisen: 770 °C
- Nickel: 360 °C
- Kobalt: 1121 °C
- Ferromagnetische vs. diamagnetische Materialien
Ferromagnetische Materialien weisen eine verstärkte Anziehungskraft auf, wenn sie Magnetfeldern ausgesetzt sind, was darauf zurückzuführen ist, dass sich die ungepaarten Elektronen drehen, wenn sie in Richtung eines äußeren Feldes fallen. Auf der anderen Seite der Skala stehen diamagnetische Materialien, die keine solchen Elektronen haben. Aus diesem Grund erfahren diese Materialien eine induzierte Form von magnetischen Momenten, die zu einer abstoßenden Wirkung führen.
Diamagnetische Materialien zeichnen sich daher dadurch aus, dass sie unabhängig von dem Pol, dem sie ausgesetzt sind, eine Abstoßungsbewegung erzeugen können. Ferromagnetische Materialien werden unabhängig von der Ausrichtung des Pols ebenfalls in Richtung eines Feldes gezogen.
- Ferromagnetische versus paramagnetische Materialien
Paramagnetische Materialien sind Materialien, die aufgrund des Vorhandenseins ungepaarter Elektronen in ihrer Struktur eine gedämpfte Anziehungskraft zu Gunsten nur eines Pols aufweisen. Außerdem besitzen sie ein permanentes Dipolmoment, das durch die unvollständige Aufhebung des Elektronenspins entsteht. Wenn sie einem äußeren Feld ausgesetzt werden, gehen alle Eigenschaften verloren, die sich aus der Nähe des Feldes ergeben.
Andererseits werden ferromagnetische Materialien, die sowohl ein permanentes Dipolmoment als auch ungepaarte Elektronen haben, von beiden Polen angezogen. Sie haben magnetische Domänen, die ihre Magnetkraft verstärken. Sie behalten ihre magnetischen Eigenschaften auch ohne äußere Einwirkung bei.
- Ferromagnetisches vs. antiferromagnetisches Material
Die magnetischen Momente antiferromagnetischer Materialien bestehen aus Atomen, die sich in der Nähe zueinander antiparallel ausrichten, was zu einer Umkehrung ihrer magnetischen Eigenschaften führt. Antiferromagnetische Materialien enthalten ein verringertes magnetisches Dipolmoment, das sich in die dem Magnetfeld entgegengesetzte Richtung ausrichtet. Andererseits enthalten ferromagnetische Materialien ein erhöhtes großes magnetisches Dipolmoment, das in eine ähnliche Richtung wie das magnetisierende Feld weist.
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