Feromagnetismus

Rozbalit box

Obsah boxu

Feromagnetismus (z latinského ferrum – železo) je fyzikální jev, při kterém látka (tzv. feromagnetikum) vykazuje silné magnetické vlastnosti. Je to nejsilnější forma magnetismu a je zodpovědná za chování běžných permanentních magnetů. Vyznačuje se schopností materiálu nejen silně zesilovat vnější magnetické pole, ale také si udržet magnetizaci i po jeho odstranění.

Feromagnetické materiály jsou v běžném životě všudypřítomné, od magnetů na ledničce přes pevné disky v počítačích až po jádra transformátorů a elektromotorů. Mezi základní feromagnetické prvky patří železo (Fe), kobalt (Co), nikl (Ni) a některé prvky ze skupiny lanthanoidů, jako je gadolinium (Gd) při nízkých teplotách.

⚛️ Fyzikální podstata

Podstata feromagnetismu leží v kvantově-mechanických vlastnostech elektronů v atomových obalech. Každý elektron má vlastní vnitřní moment hybnosti, známý jako spin, který generuje malý magnetický moment. Ve většině látek jsou spiny elektronů orientovány náhodně, takže se jejich magnetické účinky navzájem ruší.

U feromagnetických látek však dochází vlivem tzv. výměnné interakce ke spontánnímu paralelnímu uspořádání spinů sousedních atomů. Tato interakce je mnohem silnější než klasická magnetická dipólová interakce a způsobuje, že se spiny v určité oblasti materiálu samovolně srovnají do stejného směru.

🧲 Magnetické domény

I když jsou spiny na mikroskopické úrovni uspořádané, nezmagnetovaný kus feromagnetického materiálu se navenek jako magnet nechová. Důvodem je existence tzv. magnetických domén (též Weissovy domény). Jedná se o makroskopické oblasti (velikosti od mikrometrů po milimetry) uvnitř materiálu, ve kterých jsou všechny atomové magnetické momenty orientovány stejným směrem. Celková magnetizace domény je tedy maximální možná (saturační).

V nezmagnetovaném stavu jsou však tyto domény orientovány náhodně, takže jejich magnetické momenty se v celkovém součtu vyruší. Působením vnějšího magnetického pole dochází ke dvěma procesům:

Růst domén: Domény, jejichž magnetizace je orientována ve směru vnějšího pole, se zvětšují na úkor ostatních. Hranice mezi doménami (tzv. Blochovy stěny) se posouvají.
Stáčení magnetizace: Při dostatečně silném poli se magnetické momenty celých domén začnou stáčet do směru vnějšího pole.

Po odstranění vnějšího pole se domény nevrátí do původního náhodného stavu. Materiál si zachová část magnetizace a stává se z něj permanentní magnet. Tento jev se nazývá remanentní magnetizace.

🔥 Curieova teplota

Feromagnetické uspořádání je citlivé na teplotu. S rostoucí teplotou se zvyšuje tepelný pohyb atomů, který narušuje paralelní uspořádání spinů. Při dosažení určité kritické teploty, známé jako Curieova teplota (T_c), zaniká feromagnetické uspořádání a látka se stává paramagnetickou. V tomto stavu materiál stále reaguje na vnější magnetické pole, ale mnohem slaběji a po jeho odstranění si magnetizaci neudrží.

Každý feromagnetický materiál má svou charakteristickou Curieovu teplotu:

Železo (Fe): 770 °C (1043 K)
Kobalt (Co): 1130 °C (1403 K)
Nikl (Ni): 358 °C (631 K)
Gadolinium (Gd): 20 °C (293 K)

Zahřátí permanentního magnetu nad jeho Curieovu teplotu vede k jeho trvalé demagnetizaci.

📈 Hysterezní smyčka

Vztah mezi magnetickou indukcí (B) v materiálu a intenzitou vnějšího magnetického pole (H) není lineární a závisí na předchozím stavu materiálu. Tento jev se nazývá hystereze a graficky se znázorňuje jako hysterezní smyčka.

Počáteční magnetizace: Začínáme s odmagnetovaným materiálem (bod 0). Jak zvyšujeme H, B roste po tzv. primární křivce magnetizace až do bodu nasycení (saturace), kdy jsou již všechny domény srovnány.
Remanence (B_r): Když vnější pole H snížíme na nulu, magnetická indukce B neklesne na nulu, ale na hodnotu remanentní magnetizace. To je zbytkový magnetismus, který v materiálu zůstává.
Koercitivní síla (H_c): Abychom materiál zcela odmagnetovali, musíme přiložit opačně orientované magnetické pole o intenzitě H_c. Tato hodnota udává "odolnost" materiálu vůči demagnetizaci.

Podle tvaru hysterezní smyčky dělíme feromagnetické materiály na:

Magneticky měkké materiály: Mají úzkou hysterezní smyčku, nízkou koercitivní sílu a nízkou remanenci. Snadno se magnetizují a demagnetizují. Používají se v jádrech transformátorů, elektromagnetů a relé, kde je žádoucí minimalizovat energetické ztráty způsobené přemagnetizací. Příkladem je křemíková ocel.
Magneticky tvrdé materiály: Mají širokou hysterezní smyčku, vysokou koercitivní sílu a vysokou remanenci. Je obtížné je zmagnetizovat, ale poté si magnetizaci dlouho udrží. Jsou ideální pro výrobu permanentních magnetů. Příkladem jsou Alnico, ferity a magnety na bázi neodymu a samaria.

🔬 Materiály a jejich vlastnosti

Kromě základních prvků (Fe, Co, Ni) existuje mnoho slitin a sloučenin s významnými feromagnetickými vlastnostmi.

Ocel: Slitina železa a uhlíku. Její magnetické vlastnosti lze výrazně ovlivnit tepelným zpracováním a přídavkem dalších prvků.
Alnico: Slitina hliníku, niklu, kobaltu a železa. Jsou to silné permanentní magnety, které jsou odolné vůči vysokým teplotám.
Ferity: Keramické sloučeniny oxidu železitého s oxidy jiných kovů (např. baria nebo stroncia). Jsou křehké, ale mají vysoký elektrický odpor, což je činí vhodnými pro vysokofrekvenční aplikace (jádra cívek, antény).
Magnety ze vzácných zemin:

   * Samarium-kobalt (SmCo): Velmi silné magnety s vysokou Curieovou teplotou, odolné proti korozi.
   * Neodym-železo-bor (NdFeB): V současnosti nejsilnější komerčně dostupné permanentní magnety. Jsou však náchylné ke korozi a mají nižší Curieovu teplotu než SmCo magnety.

⚙️ Využití a aplikace

Feromagnetismus je klíčový pro mnoho moderních technologií.

Ukládání dat: Pevné disky (HDD), magnetické pásky a dříve diskety využívají malé zmagnetizované oblasti na povrchu feromagnetického materiálu k záznamu bitů informací (0 a 1).
Elektromotory a generátory: Interakce mezi permanentními magnety a elektromagnety je základem přeměny elektrické energie na mechanickou a naopak.
Transformátory a tlumivky: Jádra z magneticky měkkých materiálů koncentrují a vedou magnetický tok, což umožňuje efektivní přenos energie mezi cívkami.
Senzory: Hallovy sondy a další magnetické senzory detekují přítomnost a sílu magnetických polí, což se využívá například v ABS systémech v automobilech.
Reproduktory a mikrofony: Využívají interakci mezi cívkou a permanentním magnetem k přeměně elektrického signálu na zvuk a naopak.
Lékařství: Magnetická rezonance (MRI) využívá extrémně silná supravodivá magnetická pole, ale feromagnetické materiály se používají i v jiných aplikacích, například pro cílené doručování léků.
Každodenní život: Magnety na ledničce, magnetické zavírání skříněk, kompas, upínací magnety v dílnách.

↔️ Srovnání s jinými typy magnetismu

Diamagnetismus: Velmi slabý jev, přítomný ve všech látkách. Diamagnetické materiály mírně zeslabují vnější magnetické pole a jsou z něj vytlačovány.
Paramagnetismus: Slabý přitažlivý magnetismus. Vnější pole mírně uspořádá náhodně orientované magnetické momenty atomů. Po odstranění pole se uspořádání ztrácí.
Antiferomagnetismus: Sousední magnetické momenty se uspořádávají antiparalelně (proti sobě), takže se jejich účinky navenek ruší. Látka se chová podobně jako paramagnetikum.
Ferrimagnetismus: Podobný antiferomagnetismu, ale antiparalelní magnetické momenty mají různou velikost. Výsledkem je nenulová spontánní magnetizace, podobně jako u feromagnetismu, ale obvykle slabší. Typickým příkladem jsou ferity.

🧑‍🔬 Pro laiky: Jak funguje magnet?

Představte si materiál jako obrovskou armádu malinkých střelkových kompasů. V běžném kusu železa míří každá střelka jiným směrem, takže se jejich síly navzájem vyruší a železo se navenek jako magnet neprojevuje.

Když k železu přiblížíme silný magnet, je to jako když velitel zakřičí "K poctě zbraň!". Všechny malé střelky (odborně "magnetické domény") se jako poslušní vojáci srovnají do jednoho směru – ve směru vnějšího magnetického pole. Železo se stane dočasně magnetickým.

Kouzlo feromagnetických materiálů, ze kterých se dělají permanentní magnety, spočívá v tom, že i když velitel (vnější magnet) odejde, většina vojáčků-domén zůstane poslušně srovnaná. Materiál si "pamatuje" směr, kterým byl zmagnetizován, a proto zůstává magnetem i nadále. Tento jev se nazývá hystereze. Pokud bychom ale vojáky pořádně "roztřásli" (například úderem kladiva nebo zahřátím na vysokou teplotu), jejich uspořádání by se rozpadlo a magnet by ztratil svou sílu.

Šablona:Aktualizováno