Feromagnetika jsou látky, které mají schopnost orientovat své oblasti magnetické náchylnosti jedním směrem, když jsou překryty vnějším magnetickým polem. Navzdory svým magnetickým vlastnostem však feromagnetika nevytvářejí sama o sobě magnetické pole kolem sebe.
V přítomnosti vnějšího magnetického pole se feromagnetikum zmagnetizuje a vytváří své vlastní magnetické pole. Při absenci vnějšího pole je však feromagnetický materiál obvykle magnetizován, ale přesto kolem sebe nevytváří magnetické pole.
Je to proto, že vzájemné uspořádání a interakce elektronických orbitalů a Spinů elektronů ve feromagnetice neumožňují vytvořit magnetické pole na vnější straně materiálu. Místo toho feromagnetik interaguje s vnějším magnetickým polem, které jej magnetizuje.
Struktura feromagnetik a jejich vlastnosti
Struktura feromagnetiky je založena na mikroskopické úrovni, kde se nacházejí domény-oblasti hmoty, ve kterých jsou záda elektronů ($s$$$$) seřazena rovnoběžně. Každá doména uvnitř látky působí jako mikroskopický magnet se svým magnetickým polem. V magnetice jsou stovky tisíc takových domén, které lze orientovat náhodně.
Feromagnetika spontánně magnetizují, když se jejich domény orientují jediným směrem a vytvářejí proměnné magnetické pole, které se šíří kolem látky. Pokud však okolní prostor neobsahuje jiné magnetické materiály nebo vnější magnetická pole, ferromagnetika kolem sebe nevytvářejí výrazné magnetické pole.
Zvláštností feromagnetik je, že mohou být magnetizovány působením vnějšího magnetického pole. Když je feromagnetik v takovém poli, jeho domény se orientují ve směru pole a vytvářejí látku se zvýšeným magnetickým polem. I po odstranění vnějšího pole si feromagnetik zachovává svou magnetizaci a pokračuje ve vytváření vlastního magnetického pole.
Je třeba poznamenat, že vytvoření výrazného a silného magnetického pole vyžaduje přítomnost velkého množství feromagnetického materiálu se stejnou orientací domén. Obvykle se k výrobě magnetů používaných v našem každodenním životě používá speciální ošetření feromagnetického materiálu, aby se domény vyrovnaly a zvýšily intenzitu jeho magnetického pole.
Co je magnetické pole a jak vzniká?
Existují dva způsoby, jak vytvořit magnetické pole:
1. Prvním způsobem je vytvoření proudu. Když elektrický proud prochází vodičem, kolem tohoto vodiče vzniká magnetické pole. Čím silnější je proud, tím silnější bude magnetické pole.
2. Druhým způsobem je vytváření permanentních magnetů. Některé materiály, jako je železo, nikl a kobalt, mají spontánní magnetizaci. Již mají vnitřní magnetická pole a nazývají se ferromagnetika. Když vnější magnetické pole přijde do kontaktu s feromagnetikem, excituje jeho vnitřní magnetická pole a feromagnetik se stává magnetem samotným.
Je důležité poznamenat, že když feromagnetik není uvnitř silného vnějšího magnetického pole, jeho vnitřní magnetická pole jsou chaoticky orientována a vzájemně se kompenzují. To je důvod, proč feromagnetika nevytvářejí kolem sebe magnetické pole bez vlivu vnějšího pole.
Struktura domény a magnetické momenty ve feromagnetikách
Důvodem je zvláštní struktura feromagnetik, která se nazývá doménová struktura. Domény jsou mikroskopické oblasti uvnitř materiálu, kde jsou atomy nebo molekuly seřazeny paralelně podél magnetického pole a vytvářejí magnetické momenty.
V ideálním případě, pokud jsou všechny domény v materiálu uspořádány stejným směrem, musí feromagnetik vytvořit magnetické pole přitahováním látek obsahujících magnetické momenty a jejich orientací ve své struktuře. V praxi se však příroda snaží minimalizovat energii systému. Pokud jsou všechny domény zarovnány stejným směrem, materiál přechází do metastabilního stavu, který vyžaduje další energii.
Z tohoto důvodu mají feromagnetika složitou doménovou strukturu, kde jsou domény různých směrů distribuovány na pravidelné stupnici po sobě. To umožňuje materiálu zachovat celkový nulový magnetický moment a minimalizovat energii systému.
Aby ferromagnetik vytvořil magnetické pole kolem sebe, je zapotřebí vnější expozice, která může změnit strukturu domén a podle toho magnetické momenty. Toho lze dosáhnout aplikací vnějšího magnetického pole nebo změnou teploty feromagnetiku.
Ferromagnetika tedy nevytvářejí magnetické pole kolem sebe v přirozených podmínkách, kvůli složité doménové struktuře a snaze systému minimalizovat energii. Za určitých podmínek jsou však schopny vytvářet magnetické pole a ovlivňovat látky s magnetickými momenty.
Vnitřní a vnější magnetická pole
Ferromagnetika však kolem sebe nevytvářejí samotné magnetické pole. Je to proto, že vnitřní magnetické pole feromagnetického pole je kompenzováno magnetickými momenty atomů v různých směrech. Celkové magnetické pole uvnitř feromagnetického pole je tedy nulové.
Po vystavení vnějšímu magnetickému poli si však feromagnetik může zachovat určitou magnetizaci a pokračovat ve vytváření magnetického pole uvnitř sebe i po ukončení vnějšího pole. Tento jev se nazývá magnetizace vnitřního pole.
Také vnitřní magnetické pole může být vytvořeno uvnitř feromagnetik při tepelném pohybu elektronů, které mají svůj vlastní magnetický moment. Tento jev se nazývá tepelné vnitřní pole.
Takže ferromagnetika nevytvářejí kolem sebe magnetické pole, ale jsou schopna magnetizovat pod vlivem vnějšího pole a vytvářet magnetické pole uvnitř sebe.
Vliv vnějšího magnetického pole na feromagnetika
Vnější magnetické pole má významný vliv na vlastnosti feromagnetik, které mají schopnost magnetizovat. Když je feromagnetikum ve vnějším magnetickém poli, toto pole orientuje magnetické dipóly uvnitř materiálu a vede je k zarovnání podél směru pole.
V přítomnosti vnějšího magnetického pole může mít feromagnetický magnet konstantní magnetizaci, díky čemuž vypadá jako permanentní magnet. I při absenci vnějšího pole však může mít feromagnetikum magnetizaci přítomností vnitřních magnetických dipólů, ale obvykle jsou orientovány chaoticky a netvoří významné magnetické pole.
Klíčovou vlastností feromagnetik je schopnost rychle reagovat na změnu vnějšího magnetického pole. Například, když je magnet umístěn vedle feromagnetického materiálu, domény, které jsou obvykle uspořádány v různých směrech, se začnou seřazovat stejným směrem a vytvářet magnetické pole.
Vnější magnetické pole tedy výrazně ovlivňuje feromagnetika tím, že seřadí jejich magnetické dipóly a dodá jim magnetizaci. Ferromagnetika však sama o sobě nevytvářejí kolem sebe magnetické pole, jejich magnetizace je způsobena výhradně vnějším magnetickým polem.
| Vlastnosti feromagnetik | Vliv vnějšího magnetického pole |
|---|---|
| Magnetizace | Zarovnání magnetických dipólů uvnitř materiálu |
| Rychlá reakce | Nastavení domén při změně pole |
Magnetizační křivka a nasycení feromagnetik
Feromagnetika mají schopnost magnetizovat pod vlivem vnějšího magnetického pole. Kolem sebe však nevytvářejí magnetické pole. To je způsobeno nasycením ferromagnetiky.
Když vnější magnetické pole začne působit na ferromagnetik, nejprve dojde k jeho magnetizaci, tj. magnetické domény feromagnetiky se začínají spořádaně Orientovat podél magnetických polí.
Každá doména se skládá z atomů se zády orientovanými různými směry. Působením vnějšího pole se záda uvnitř domény začínají seřazovat rovnoběžně s tímto polem. Uvnitř feromagnetiky se tak vytváří složitá struktura složená z uspořádaných domén.
Jak je vnější magnetické pole zesíleno, uspořádanost domén ve feromagnetice se zvyšuje. Když jsou všechny domény seřazeny rovnoběžně s vnějším polem, feromagnetik dosáhne saturace.
Pokud je dosaženo nasycení feromagnetického pole, další zvýšení vnějšího magnetického pole nevede ke zvýšení magnetické indukce materiálu. To je způsobeno skutečností, že všechny domény jsou již seřazeny rovnoběžně s polem a další pole nemůže ovlivnit jejich uspořádanost.
Ferromagnetikum, které je ve stavu nasycení, tedy nevytváří kolem sebe magnetické pole. Lze jej však použít k zesílení magnetického pole, pokud je k dispozici externí zdroj pole.
Magnetostatická energie ve feromagnetech
Jednou z vlastností feromagnetik je jejich schopnost vytvářet silná magnetická pole. Pozorovaný tok magnetického pole kolem feromagnetického pole však nepochází ze samotného materiálu, ale z oblastí magnetizace, které se v něm tvoří, nazývaných domény.
Magnetostatická energie je energie spojená s magnetickým polem způsobená uspořádáním magnetických dipólů v substanci. Feromagnetika mají velkou magnetostatickou energii, protože tvoří silné magnetické dipóly orientované uvnitř každé domény. Díky tomu mohou feromagnetika interagovat s vnějším magnetickým polem a zesilovat jej.
Magnetostatická energie ve feromagnetech závisí na magnetické magnetizaci materiálu, magnetické indukci a objemu. Čím větší je objem feromagnetiku a čím vyšší je jeho magnetická indukce, tím více se v materiálu vytvoří magnetostatická energie. Tato energie charakterizuje stabilitu magnetické konfigurace a schopnost feromagnetika udržovat svou magnetizaci ve vnějším magnetickém poli.
Feromagnetika tak v sobě vytvářejí magnetické pole díky spontánní magnetizaci a tvorbě domén, ale nevytvářejí kolem sebe v prostoru magnetické pole kvůli orientaci domén a zjednodušené magnetické konfiguraci, která nevytváří celkový magnetický moment dostatečné síly.
Praktické aplikace feromagnetik bez vytváření magnetického pole
Zde je několik praktických aplikací feromagnetik, kde chybí vytvoření vnějšího magnetického pole:
1. Magnetické štítky:
Feromagnetické štítky jsou široce používány v nákupních centrech a obchodech, aby se zabránilo krádežím. Tyto štítky se nanášejí na předměty, jako je oblečení nebo elektronika, a mají schopnost přitahovat senzory namontované u vchodu. Díky feromagnetickým vlastnostem štítků může obchod odhalit krádež, když se člověk pokusí odnést předmět s etiketou aktivací senzorů. V tomto případě je pole vytvořeno na senzorech v obchodě, ale ne kolem samotných štítků.
2. Kde není třeba tykadla:
Feromagnetické materiály také nacházejí uplatnění v železničních systémech, kde se používá antibuxační systém. Tento systém se skládá z feromagnetické brzdové studny, která se používá k zabránění trakci mezi dvěma vlaky nebo vagony. Brzdová studna má magnetické pole, které zabraňuje pohybu, ale protože je vytvořena magnetem uvnitř samotné studny, nešíří se kolem ní.
3. Dekorační prvek:
Feromagnetické materiály lze použít v dekorativních prvcích, jako jsou ledničky nebo koše pro uložení malých předmětů. Magnety na lednici vám umožňují připevnit k němu poznámky, fotografie nebo jiné předměty, aniž byste kolem nich museli vytvářet magnetické pole. Koše s magnetickou základnou jsou navrženy tak, aby pohodlně držely sponky, tlačítka nebo jiné kovové předměty, které mohou být přitahovány k základně kvůli feromagnetickým vlastnostem.