Medžiagos magnetinės savybės yra fizinių reiškinių, tarpininkaujamų laukų, klasė. Elektros srovės ir elementariųjų dalelių magnetiniai momentai sukuria lauką, kuris veikia kitas sroves. Labiausiai žinomi efektai atsiranda feromagnetinėse medžiagose, kurias stipriai traukia magnetiniai laukai ir kurios gali būti nuolat įmagnetintos, sukurdamos pačius įkrautus laukus.
Tik kelios medžiagos yra feromagnetinės. Norint nustatyti šio reiškinio išsivystymo lygį konkrečioje medžiagoje, yra medžiagų klasifikacija pagal magnetines savybes. Labiausiai paplitę yra geležis, nikelis ir kob altas bei jų lydiniai. Priešdėlis ferro- reiškia geležį, nes nuolatinis magnetizmas pirmą kartą buvo pastebėtas tuščioje geležyje – natūralios geležies rūdos forma, vadinama medžiagos magnetinėmis savybėmis, Fe3O4.
Paramagnetinės medžiagos
Norsferomagnetizmas yra atsakingas už daugumą magnetizmo padarinių, sutinkamų kasdieniame gyvenime, visas kitas medžiagas tam tikru mastu veikia laukas, taip pat kai kurios kitos magnetizmo rūšys. Paramagnetines medžiagas, tokias kaip aliuminis ir deguonis, silpnai traukia taikomas magnetinis laukas. Diamagnetinės medžiagos, tokios kaip varis ir anglis, silpnai atstumia.
Nors antiferomagnetinės medžiagos, tokios kaip chromas ir besisukantys stiklai, turi sudėtingesnį ryšį su magnetiniu lauku. Magneto stiprumas ant paramagnetinių, diamagnetinių ir antiferomagnetinių medžiagų paprastai yra per silpnas, kad jį būtų galima pajusti, ir jį galima aptikti tik laboratoriniais instrumentais, todėl šios medžiagos nėra įtrauktos į medžiagų, turinčių magnetines savybes, sąrašą.
Sąlygos
Medžiagos magnetinė būsena (arba fazė) priklauso nuo temperatūros ir kitų kintamųjų, pvz., slėgio ir taikomo magnetinio lauko. Keičiantis šiems kintamiesiems, medžiaga gali turėti daugiau nei vieną magnetizmo formą.
Istorija
Medžiagos magnetinės savybės pirmą kartą buvo atrastos senovės pasaulyje, kai žmonės pastebėjo, kad magnetai, natūraliai įmagnetinti mineralų gabalėliai, gali pritraukti geležį. Žodis „magnetas“kilęs iš graikų kalbos termino Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „magnezo akmuo, pėdų akmuo“.
Senovės Graikijoje Aristotelis priskyrė pirmąją mokslinę diskusiją apie medžiagų magnetines savybes,filosofas Talis Miletietis, gyvenęs nuo 625 m.pr. Kr. e. prieš 545 m.pr. Kr e. Senovės Indijos medicinos tekste Sushruta Samhita aprašomas magnetito naudojimas žmogaus kūne įterptoms strėlėms pašalinti.
Senovės Kinija
Senovės Kinijoje anksčiausios literatūrinės nuorodos apie elektrines ir magnetines medžiagų savybes yra 4 amžiuje prieš Kristų išleistoje knygoje, pavadintoje jos autoriaus „Vaiduoklių slėnio išminčius“. Ankstyviausias adatos pritraukimo paminėjimas yra I a. veikale Lunheng (Subalansuoti prašymai): „Magnetas traukia adatą“.
XI amžiaus kinų mokslininkas Shen Kuo buvo pirmasis žmogus, kuris „Svajonių baseino esė“aprašė magnetinį kompasą su adata ir kad jis pagerino navigacijos tikslumą taikant astronominius metodus. tikrosios šiaurės samprata. Jau XII amžiuje kinai navigacijai naudojo magnetinį kompasą. Vadovą jie pagamino iš akmens taip, kad šaukšto rankena visada būtų nukreipta į pietus.
Viduramžiai
1187 m. Aleksandras Neckamas pirmasis Europoje aprašė kompasą ir jo naudojimą navigacijai. Šis mokslininkas pirmą kartą Europoje nuodugniai nustatė magnetinių medžiagų savybes. 1269 m. Peteris Peregrine'as de Maricourt parašė Epistola de Magne – pirmąjį išlikusį traktatą, aprašantį magnetų savybes. 1282 m. kompasų ir specialių magnetinių savybių turinčių medžiagų savybes aprašė Jemeno fizikas, astronomas ir geografas al Ašrafas.
Renesansas
1600 m. Williamas Gilbertas paskelbėjo „Magnetinis korpusas“ir „Magnetinis telūras“(„Apie magnetą ir magnetinius kūnus, taip pat ant didžiojo žemės magneto“). Šiame darbe jis aprašo daugelį savo eksperimentų su savo modeliu žeme, vadinamu terrela, su kuriuo jis atliko magnetinių medžiagų savybių tyrimus.
Iš savo eksperimentų jis padarė išvadą, kad pati Žemė yra magnetinė ir todėl kompasai buvo nukreipti į šiaurę (anksčiau kai kurie manė, kad tai yra ašigalio žvaigždė (Polaris) arba didelė magnetinė sala šiaurėje Stulpelis, kuris patraukė kompasą).
Naujas laikas
Elektros ir ypatingų magnetinių savybių turinčių medžiagų santykio supratimas atsirado 1819 m. Kopenhagos universiteto profesoriaus Hanso Christiano Oerstedo darbe, kuris, netyčia sutraukęs kompaso adatą šalia laido, atrado, kad elektros srovė gali sukurti magnetinį lauką. Šis svarbus eksperimentas žinomas kaip Oersted eksperimentas. Po kelių kitų eksperimentų su André-Marie Ampère'u, kuris 1820 m. atrado, kad magnetinis laukas, cirkuliuojantis uždarame kelyje, yra susijęs su srove, tekančia aplink kelio perimetrą.
Carlis Friedrichas Gaussas užsiėmė magnetizmo tyrimais. Jeanas-Baptiste'as Biotas ir Feliksas Savartas 1820 m. sugalvojo Biot-Savarto dėsnį, kuris pateikia norimą lygtį. Michaelas Faradėjus, kuris 1831 m. atrado, kad laike kintantis magnetinis srautas per laido kilpą sukelia įtampą. Be to, kiti mokslininkai nustatė tolesnius ryšius tarp magnetizmo ir elektros.
XX amžiuje ir mūsųlaikas
James Clerk Maxwell susintetino ir išplėtė Maksvelo lygčių supratimą, suvienodindamas elektrą, magnetizmą ir optiką elektromagnetizmo srityje. 1905 m. Einšteinas panaudojo šiuos dėsnius, kad motyvuotų savo specialiosios reliatyvumo teoriją, reikalaudamas, kad dėsniai galiotų visose inercinėse atskaitos sistemose.
Elektromagnetizmas ir toliau vystėsi iki XXI amžiaus, įtrauktas į pagrindines matuoklių teorijos, kvantinės elektrodinamikos, elektrosilpnosios teorijos ir galiausiai standartinio modelio teorijas. Šiais laikais mokslininkai jau tiria nanostruktūrinių medžiagų magnetines savybes. Tačiau didžiausi ir nuostabiausi atradimai šioje srityje tikriausiai dar mūsų laukia.
Essence
Medžiagų magnetines savybes daugiausia lemia jų atomų orbitinių elektronų magnetiniai momentai. Atomų branduolių magnetiniai momentai paprastai yra tūkstančius kartų mažesni nei elektronų, todėl medžiagų įmagnetinimo kontekste jie yra nereikšmingi. Branduoliniai magnetiniai momentai vis dėlto yra labai svarbūs kituose kontekstuose, ypač atliekant branduolinio magnetinio rezonanso (BMR) ir magnetinio rezonanso tomografiją (MRT).
Paprastai didžiulis elektronų skaičius medžiagoje yra išdėstytas taip, kad jų magnetiniai momentai (ir orbitiniai, ir vidiniai) būtų panaikinti. Tam tikru mastu taip yra dėl to, kad elektronai susijungia poromis su priešingais vidiniais magnetiniais momentais dėl Pauli principo (žr. Elektronų konfigūraciją) ir susijungia į užpildytus subkorpusus, kurių grynasis orbitinis judėjimas nulinis.
BAbiem atvejais elektronai daugiausia naudoja grandines, kuriose kiekvieno elektrono magnetinį momentą panaikina priešingas kito elektrono momentas. Be to, net kai elektronų konfigūracija yra tokia, kad yra nesuporuotų elektronų ir (arba) neužpildytų posluoksnių, dažnai skirtingi elektronai kietajame kūne sukuria magnetinius momentus, nukreiptus skirtingomis atsitiktinėmis kryptimis, todėl medžiaga nebus magnetinis.
Kartais spontaniškai arba dėl taikomo išorinio magnetinio lauko kiekvieno elektrono magnetiniai momentai išsirikiuoja vidutiniškai. Tada tinkama medžiaga gali sukurti stiprų grynąjį magnetinį lauką.
Medžiagos magnetinis elgesys priklauso nuo jos struktūros, ypač nuo elektroninės konfigūracijos, dėl pirmiau nurodytų priežasčių, taip pat nuo temperatūros. Esant aukštai temperatūrai dėl atsitiktinio šiluminio judėjimo elektronams sunku išsilyginti.
Diamagnetizmas
Diamagnetizmas yra visose medžiagose ir yra medžiagos polinkis atsispirti taikomam magnetiniam laukui ir dėl to atstumti magnetinį lauką. Tačiau medžiagoje, turinčioje paramagnetinių savybių (tai yra, turinčioje tendenciją stiprinti išorinį magnetinį lauką), dominuoja paramagnetinis elgesys. Taigi, nepaisant visuotinio pasireiškimo, diamagnetinis elgesys stebimas tik grynai diamagnetinėje medžiagoje. Diamagnetinėje medžiagoje nėra nesuporuotų elektronų, todėl vidiniai elektronų magnetiniai momentai negali sukurtibet koks garsumo efektas.
Atkreipkite dėmesį, kad šis aprašymas skirtas tik euristikai. Bohr-Van Leeuwen teorema rodo, kad pagal klasikinę fiziką diamagnetizmas neįmanomas ir kad norint teisingai suprasti, reikia kvantinio mechaninio apibūdinimo.
Atkreipkite dėmesį, kad visa medžiaga praeina per šį orbitos atsaką. Tačiau paramagnetinėse ir feromagnetinėse medžiagose diamagnetinį poveikį slopina daug stipresnis poveikis, kurį sukelia nesuporuoti elektronai.
Paramagnetinėje medžiagoje yra nesuporuotų elektronų; tai yra atominės arba molekulinės orbitalės, kuriose yra lygiai vienas elektronas. Nors Pauli išskyrimo principas reikalauja, kad suporuoti elektronai turėtų savo („sukimosi“) magnetinius momentus, nukreiptus priešingomis kryptimis, todėl jų magnetiniai laukai išnyksta, nesuporuotas elektronas gali suderinti savo magnetinį momentą bet kuria kryptimi. Kai taikomas išorinis laukas, šie momentai bus linkę lygiuotis ta pačia kryptimi kaip taikomas laukas, jį sustiprindami.
Ferromagnetai
Feromagnetas, kaip paramagnetinė medžiaga, turi nesuporuotų elektronų. Tačiau, be tendencijos, kad elektronų vidinis magnetinis momentas yra lygiagretus taikomam laukui, šiose medžiagose taip pat yra tendencija, kad šie magnetiniai momentai orientuotųsi lygiagrečiai vienas kitam, kad būtų išlaikyta sumažinta būsena. energijos. Taigi, net ir nesant taikomosios sritieselektronų magnetiniai momentai medžiagoje spontaniškai išsilygina lygiagrečiai vienas kitam.
Kiekviena feromagnetinė medžiaga turi savo individualią temperatūrą, vadinamą Kiuri temperatūra arba Kiuri tašku, kurią viršijus ji praranda savo feromagnetines savybes. Taip yra todėl, kad šiluminis polinkis į netvarką viršija energijos sumažėjimą dėl feromagnetinės tvarkos.
Feromagnetizmas pasireiškia tik keliose medžiagose; geležis, nikelis, kob altas, jų lydiniai ir kai kurie retųjų žemių lydiniai yra įprasti.
Feromagnetinėje medžiagoje esančių atomų magnetiniai momentai verčia juos elgtis kaip maži nuolatiniai magnetai. Jie sulimpa ir susijungia į mažus daugiau ar mažiau vienodo išlyginimo regionus, vadinamus magnetiniais domenais arba Weiss domenais. Magnetinius domenus galima stebėti naudojant magnetinės jėgos mikroskopą, kad būtų atskleistos magnetinių domenų ribos, panašios į b altas linijas eskize. Yra daug mokslinių eksperimentų, kurie gali fiziškai parodyti magnetinius laukus.
Domenų vaidmuo
Kai domene yra per daug molekulių, jis tampa nestabilus ir skyla į du domenus, išdėstytus priešingomis kryptimis, kad stabiliau suliptų, kaip parodyta dešinėje.
Kai veikia magnetinis laukas, domenų ribos pasislenka taip, kad magnetiškai suderinti domenai auga ir dominuoja struktūroje (taškinė geltona sritis), kaip parodyta kairėje. Pašalinus įmagnetinimo lauką, domenai gali nebegrįžti į neįmagnetintą būseną. Tai veda prienes feromagnetinė medžiaga yra įmagnetinta ir susidaro nuolatinis magnetas.
Kai įmagnetinimas buvo pakankamai stiprus, todėl dominuojantis domenas sutapo su visais kitais, todėl susidarė tik vienas atskiras domenas, medžiaga buvo magnetiškai prisotinta. Kai įmagnetinta feromagnetinė medžiaga kaitinama iki Curie taško temperatūros, molekulės susimaišo iki taško, kai magnetiniai domenai praranda organizaciją ir nutrūksta jų sukeliamos magnetinės savybės. Kai medžiaga atšaldoma, ši srities išlyginimo struktūra spontaniškai grįžta, maždaug panašiai, kaip skystis gali užš alti į kristalinę kietą medžiagą.
Antiferromagnetika
Antiferomagnete, skirtingai nei feromagnete, gretimų valentinių elektronų vidiniai magnetiniai momentai yra linkę nukreipti priešingomis kryptimis. Kai visi atomai yra išdėstyti medžiagoje taip, kad kiekvienas kaimynas būtų antilygiagretus, medžiaga yra antiferomagnetinė. Antiferomagnetų grynasis magnetinis momentas lygus nuliui, o tai reiškia, kad jie nesukuria lauko.
Antiferromagnetai yra retesni nei kiti elgesio tipai ir dažniausiai stebimi žemoje temperatūroje. Esant skirtingoms temperatūroms, antiferomagnetai pasižymi diamagnetinėmis ir feromagnetinėmis savybėmis.
Kai kuriose medžiagose gretimi elektronai nori nukreipti priešingomis kryptimis, tačiau nėra geometrinio išdėstymo, kuriame kiekviena kaimynų pora būtų priešinga. Jis vadinamas sukamu stiklu iryra geometrinio nusivylimo pavyzdys.
Feromagnetinių medžiagų magnetinės savybės
Kaip ir feromagnetizmas, ferimagnetai išlaiko įmagnetinimą, kai nėra lauko. Tačiau, kaip ir antiferomagnetai, gretimos elektronų sukinių poros linkusios nukreipti priešingas puses. Šios dvi savybės neprieštarauja viena kitai, nes esant optimaliam geometriniam išdėstymui, magnetinis momentas iš elektronų, nukreiptų ta pačia kryptimi, pogardelės yra didesnis nei iš pogardelės, nukreiptos priešinga kryptimi.
Dauguma feritų yra ferimagnetiniai. Šiandien laikomos neginčijamos feromagnetinių medžiagų magnetinės savybės. Pirmoji atrasta magnetinė medžiaga, magnetitas, yra feritas ir iš pradžių buvo manoma, kad tai yra feromagnetas. Tačiau Louis Neel tai paneigė atradęs ferimagnetizmą.
Kai feromagnetas arba ferimagnetas yra pakankamai mažas, jis veikia kaip vienas magnetinis sukimasis, veikiamas Brauno judėjimo. Jo atsakas į magnetinį lauką kokybiškai panašus į paramagneto, bet daug daugiau.
Elektromagnetai
Elektromagnetas yra magnetas, kuriame elektros srovė sukuria magnetinį lauką. Išjungus srovę, magnetinis laukas išnyksta. Elektromagnetai paprastai susideda iš daugybės glaudžiai išdėstytų vielos vijų, kurios sukuria magnetinį lauką. Vielos ritės dažnai suvyniotos aplink magnetinę šerdį, pagamintą iš feromagnetinės arba ferimagnetinės medžiagos.medžiaga, tokia kaip geležis; magnetinė šerdis sukoncentruoja magnetinį srautą ir sukuria stipresnį magnetą.
Pagrindinis elektromagneto pranašumas, palyginti su nuolatiniu magnetu, yra tas, kad magnetinį lauką galima greitai pakeisti valdant elektros srovės kiekį apvijoje. Tačiau skirtingai nuo nuolatinio magneto, kuriam nereikia energijos, elektromagnetui reikalinga nuolatinė srovė, kad išlaikytų magnetinį lauką.
Elektromagnetai plačiai naudojami kaip kitų elektros prietaisų, tokių kaip varikliai, generatoriai, relės, solenoidai, garsiakalbiai, standieji diskai, MRT aparatai, moksliniai instrumentai ir magnetinio atskyrimo įranga, komponentai. Elektromagnetai taip pat naudojami pramonėje sunkiems geležiniams daiktams, pvz., metalo laužui ir plieno laužui, sugriebti ir perkelti. Elektromagnetizmas buvo atrastas 1820 m. Tuo pačiu metu buvo paskelbta pirmoji medžiagų klasifikacija pagal magnetines savybes.
