Materiāla magnētiskās īpašības ir fizikālu parādību klase, ko izraisa lauki. Elektriskās strāvas un elementārdaļiņu magnētiskie momenti rada lauku, kas iedarbojas uz citām strāvām. Vispazīstamākie efekti rodas feromagnētiskajos materiālos, kurus spēcīgi pievelk magnētiskie lauki un kuri var kļūt pastāvīgi magnetizēti, radot pašus lādētos laukus.
Tikai dažas vielas ir feromagnētiskas. Lai noteiktu šīs parādības attīstības līmeni konkrētā vielā, ir materiālu klasifikācija pēc magnētiskajām īpašībām. Visizplatītākie ir dzelzs, niķelis un kob alts un to sakausējumi. Prefikss ferro- attiecas uz dzelzi, jo pastāvīgais magnētisms pirmo reizi tika novērots tukšā dzelzs, dabiskās dzelzsrūdas formā, ko sauc par materiāla magnētiskajām īpašībām, Fe3O4.
Paramagnētiski materiāli
Lai ganferomagnētisms ir atbildīgs par lielāko daļu magnētisma seku, kas sastopama ikdienas dzīvē, visus citus materiālus zināmā mērā ietekmē lauks, kā arī daži citi magnētisma veidi. Paramagnētiskās vielas, piemēram, alumīnijs un skābeklis, vāji pievelk pielietotais magnētiskais lauks. Diamagnētiskas vielas, piemēram, varš un ogleklis, vāji atgrūž.
Lai gan antiferomagnētiskajiem materiāliem, piemēram, hromam un griežamajiem stikliem, ir sarežģītāka saistība ar magnētisko lauku. Magnēta stiprums uz paramagnētiskiem, diamagnētiskiem un antiferomagnētiskiem materiāliem parasti ir pārāk vājš, lai to sajustu, un to var noteikt tikai ar laboratorijas instrumentiem, tāpēc šīs vielas nav iekļautas to materiālu sarakstā, kuriem ir magnētiskas īpašības.
Nosacījumi
Materiāla magnētiskais stāvoklis (vai fāze) ir atkarīgs no temperatūras un citiem mainīgajiem, piemēram, spiediena un pielietotā magnētiskā lauka. Materiālam var būt vairāk nekā viens magnētisma veids, mainoties šiem mainīgajiem.
Vēsture
Materiāla magnētiskās īpašības pirmo reizi tika atklātas senajā pasaulē, kad cilvēki pamanīja, ka magnēti, dabiski magnetizēti minerālu gabali, var piesaistīt dzelzi. Vārds "magnēts" cēlies no grieķu vārda Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnēzija akmens, pēdas akmens".
Senajā Grieķijā Aristotelis piedēvēja pirmo no tā, ko varētu saukt par zinātnisku diskusiju par materiālu magnētiskajām īpašībām,filozofs Thales no Milētas, kurš dzīvoja no 625. gada pirms mūsu ēras. e. pirms 545.g.pmē e. Senindiešu medicīnas tekstā Sushruta Samhita ir aprakstīta magnetīta izmantošana, lai noņemtu cilvēka ķermenī iestrādātās bultas.
Senā Ķīna
Senajā Ķīnā agrākā literārā atsauce uz materiālu elektriskajām un magnētiskajām īpašībām ir atrodama 4. gadsimtā pirms mūsu ēras grāmatā, kas nosaukta tās autora vārdā “Spoku ielejas viedais”. Agrākais adatas pievilcības pieminējums ir 1. gadsimta darbā Lunheng (Līdzsvaroti pieprasījumi): "Magnēts piesaista adatu."
11. gadsimta ķīniešu zinātnieks Šens Kuo bija pirmais cilvēks, kurš Sapņu baseina esejā aprakstīja magnētisko kompasu ar adatu un to, ka tas ar astronomiskām metodēm uzlaboja navigācijas precizitāti. patieso ziemeļu jēdziens. Jau 12. gadsimtā ķīnieši navigācijai izmantoja magnēta kompasu. Vadošo karoti viņi izgatavoja no akmens tā, lai karotes rokturis vienmēr būtu vērsts uz dienvidiem.
Viduslaiki
Aleksandrs Nekam 1187. gadā pirmais Eiropā aprakstīja kompasu un tā izmantošanu navigācijai. Šis pētnieks pirmo reizi Eiropā rūpīgi noskaidroja magnētisko materiālu īpašības. 1269. gadā Pīters Peregrīns de Marikūrs uzrakstīja Epistola de Magne, pirmo saglabājušos traktātu, kurā aprakstītas magnētu īpašības. 1282. gadā kompasu un materiālu ar īpašām magnētiskām īpašībām īpašības aprakstīja Jemenas fiziķis, astronoms un ģeogrāfs al Ašrafs.
Renesanse
1600. gadā Viljams Gilberts publicējaviņa “Magnētiskais korpuss” un “Magnētiskais telūrs” (“On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet”). Šajā rakstā viņš apraksta daudzus savus eksperimentus ar savu zemes modeli, ko sauc par terrellu, ar kuriem viņš veica pētījumus par magnētisko materiālu īpašībām.
Viņš no saviem eksperimentiem nonāca pie secinājuma, ka pati Zeme ir magnētiska un ka tāpēc kompasi ir vērsti uz ziemeļiem (agrāk daži uzskatīja, ka tā ir polu zvaigzne (Polaris) vai liela magnētiska sala ziemeļos Pols, kas piesaistīja kompasu).
Jauns laiks
Izpratne par saistību starp elektrību un materiāliem ar īpašām magnētiskām īpašībām radās 1819. gadā Kopenhāgenas universitātes profesora Hansa Kristiana Orsteda darbā, kurš, nejauši raustoties kompasa adatai pie vada, atklāja, ka elektriskā strāva var radīt magnētisko lauku. Šis nozīmīgais eksperiments ir pazīstams kā Oersted eksperiments. Sekoja vairāki citi eksperimenti ar Andrē-Mariju Ampēru, kurš 1820. gadā atklāja, ka magnētiskais lauks, kas cirkulē slēgtā ceļā, ir saistīts ar strāvu, kas plūst pa ceļa perimetru.
Karls Frīdrihs Gauss nodarbojās ar magnētisma izpēti. Žans Batists Bio un Fēlikss Savarts 1820. gadā nāca klajā ar Biota-Savarta likumu, kas dod vēlamo vienādojumu. Maikls Faradejs, kurš 1831. gadā atklāja, ka laikā mainīga magnētiskā plūsma caur stieples cilpu izraisa spriegumu. Un citi zinātnieki ir atraduši papildu savienojumus starp magnētismu un elektrību.
XX gadsimts un mūsulaiks
James Clerk Maxwell sintezēja un paplašināja šo Maksvela vienādojumu izpratni, apvienojot elektrību, magnētismu un optiku elektromagnētisma jomā. 1905. gadā Einšteins izmantoja šos likumus, lai motivētu savu speciālās relativitātes teoriju, pieprasot, lai likumi būtu spēkā visos inerciālās atskaites sistēmās.
Elektromagnētisms ir turpinājis attīstīties 21. gadsimtā, un tas ir iekļauts fundamentālākajās gabarītu teorijas, kvantu elektrodinamikas, elektrovājā teorijas un visbeidzot standarta modelī. Mūsdienās zinātnieki jau pēta nanostrukturētu materiālu magnētiskās īpašības. Taču lielākie un pārsteidzošākie atklājumi šajā jomā, iespējams, vēl mums priekšā.
Essence
Materiālu magnētiskās īpašības galvenokārt ir saistītas ar to atomu orbitālo elektronu magnētiskajiem momentiem. Atomu kodolu magnētiskie momenti parasti ir tūkstošiem reižu mazāki nekā elektronu, un tāpēc tie ir niecīgi materiālu magnetizācijas kontekstā. Kodolmagnētiskie momenti tomēr ir ļoti svarīgi citos kontekstos, īpaši kodolmagnētiskās rezonanses (KMR) un magnētiskās rezonanses attēlveidošanā (MRI).
Parasti milzīgais elektronu skaits materiālā ir sakārtots tā, ka to magnētiskie momenti (gan orbitālie, gan iekšējie) tiek anulēti. Zināmā mērā tas ir saistīts ar faktu, ka elektroni apvienojas pa pāriem ar pretējiem iekšējiem magnētiskajiem momentiem Pauli principa rezultātā (sk. Elektronu konfigurāciju) un apvienojas piepildītos apakščaulos ar nulles tīro orbitālo kustību.
BAbos gadījumos elektroni pārsvarā izmanto ķēdes, kurās katra elektrona magnētisko momentu atceļ otra elektrona pretējais moments. Turklāt pat tad, ja elektronu konfigurācija ir tāda, ka ir nesapāroti elektroni un/vai neaizpildīti apakščaulas, bieži vien dažādi elektroni cietā vielā radīs magnētiskos momentus, kas ir vērsti dažādos, nejaušos virzienos, tādējādi materiāls nebūs magnētisks.
Dažreiz spontāni vai pielietota ārēja magnētiskā lauka dēļ katrs elektronu magnētiskais moments sakrīt vidēji. Pareizais materiāls var radīt spēcīgu neto magnētisko lauku.
Materiāla magnētiskā darbība ir atkarīga no tā struktūras, jo īpaši no elektroniskās konfigurācijas, iepriekš minēto iemeslu dēļ, kā arī no temperatūras. Augstā temperatūrā nejauša termiskā kustība apgrūtina elektronu izlīdzināšanos.
Diamagnētisms
Diamagnētisms ir atrodams visos materiālos, un tā ir materiāla tendence pretoties pielietotajam magnētiskajam laukam un tādējādi atvairīt magnētisko lauku. Tomēr materiālā ar paramagnētiskām īpašībām (tas ir, ar tendenci stiprināt ārējo magnētisko lauku) dominē paramagnētiskā uzvedība. Tādējādi, neskatoties uz universālo parādību, diamagnētiskā uzvedība tiek novērota tikai tīri diamagnētiskā materiālā. Diamagnētiskā materiālā nav nepāra elektronu, tāpēc elektronu iekšējie magnētiskie momenti nevar radītjebkurš skaļuma efekts.
Lūdzu, ņemiet vērā, ka šis apraksts ir paredzēts tikai kā heiristisks. Bora-Van Lēvena teorēma parāda, ka saskaņā ar klasisko fiziku diamagnētisms nav iespējams un ka pareizai izpratnei ir nepieciešams kvantu mehāniskais apraksts.
Ņemiet vērā, ka visi materiāli tiek cauri šai orbitālajai reakcijai. Tomēr paramagnētiskajās un feromagnētiskajās vielās diamagnētisko efektu nomāc daudz spēcīgāki efekti, ko izraisa nepāra elektroni.
Paramagnētiskā materiālā ir nepāra elektroni; tas ir, atomu vai molekulārās orbitāles, kurās ir tieši viens elektrons. Lai gan Pauli izslēgšanas princips prasa, lai pārī savienotiem elektroniem būtu savi ("griešanās") magnētiskie momenti, kas vērsti pretējos virzienos, izraisot to magnētisko lauku izzušanu, nepāra elektrons var izlīdzināt savu magnētisko momentu jebkurā virzienā. Kad tiek lietots ārējais lauks, šie momenti mēdz izlīdzināties tajā pašā virzienā kā lietotais lauks, nostiprinot to.
Ferromagnēti
Feromagnētam kā paramagnētiskai vielai ir nepāra elektroni. Tomēr papildus tendencei, ka elektronu iekšējais magnētiskais moments ir paralēls pielietotajam laukam, šajos materiālos ir arī tendence šiem magnētiskajiem momentiem orientēties paralēli viens otram, lai saglabātu samazinātu stāvokli. enerģiju. Tādējādi, pat ja nav piemērota laukaelektronu magnētiskie momenti materiālā spontāni izlīdzinās paralēli viens otram.
Katrai feromagnētiskai vielai ir sava individuālā temperatūra, ko sauc par Kirī temperatūru vai Kirī punktu, virs kuras tā zaudē savas feromagnētiskās īpašības. Tas ir tāpēc, ka termiskā tendence uz traucējumiem pārspēj enerģijas samazināšanos feromagnētiskās kārtības dēļ.
Feromagnētisms rodas tikai dažās vielās; Dzelzs, niķelis, kob alts, to sakausējumi un daži retzemju sakausējumi ir izplatīti.
Atomu magnētiskie momenti feromagnētiskā materiālā liek tiem darboties kā maziem pastāvīgiem magnētiem. Tie salīp kopā un apvienojas mazos reģionos ar vairāk vai mazāk vienādu izlīdzinājumu, ko sauc par magnētiskajiem domēniem vai Veisa domēniem. Magnētiskos domēnus var novērot, izmantojot magnētiskā spēka mikroskopu, lai atklātu magnētiskā domēna robežas, kas līdzinās b altajām līnijām skicē. Ir daudz zinātnisku eksperimentu, kas var fiziski parādīt magnētiskos laukus.
Domēnu loma
Kad domēnā ir pārāk daudz molekulu, tas kļūst nestabils un sadalās divos domēnos, kas atrodas pretējos virzienos, lai stabilāk saliptu kopā, kā parādīts labajā pusē.
Kad tās tiek pakļautas magnētiskajam laukam, domēna robežas pārvietojas tā, ka magnētiski izlīdzinātie domēni aug un dominē struktūrā (punktēts dzeltens laukums), kā parādīts kreisajā pusē. Kad magnetizējošs lauks tiek noņemts, domēni var neatgriezties nemagnetizētā stāvoklī. Tas noved piejo feromagnētiskais materiāls ir magnetizēts, veidojot pastāvīgo magnētu.
Kad magnetizācija bija pietiekami spēcīga, lai dominējošais domēns pārklājās ar visiem pārējiem, izraisot tikai viena atsevišķa domēna veidošanos, materiāls bija magnētiski piesātināts. Kad magnetizēts feromagnētisks materiāls tiek uzkarsēts līdz Kirī punkta temperatūrai, molekulas sajaucas līdz vietai, kur magnētiskie domēni zaudē organizāciju un beidzas to radītās magnētiskās īpašības. Kad materiāls tiek atdzesēts, šī domēna izlīdzināšanas struktūra spontāni atgriežas, aptuveni līdzīgi tam, kā šķidrums var sas alt kristāliskā cietā vielā.
Antiferromagnetics
Antiferomagnētā, atšķirībā no feromagnēta, blakus esošo valences elektronu raksturīgie magnētiskie momenti mēdz norādīt pretējos virzienos. Kad visi atomi vielā ir sakārtoti tā, lai katrs kaimiņš būtu pretparalēls, viela ir antiferomagnētiska. Antiferomagnētu tīrais magnētiskais moments ir nulle, kas nozīmē, ka tie nerada lauku.
Antiferromagnēti ir retāk nekā citi uzvedības veidi, un tos visbiežāk novēro zemā temperatūrā. Dažādās temperatūrās antiferomagnētiem piemīt diamagnētiskas un feromagnētiskas īpašības.
Dažos materiālos blakus esošie elektroni dod priekšroku norādīt pretējos virzienos, taču nav ģeometriska izkārtojuma, kurā katrs kaimiņu pāris būtu pretizlīdzināts. To sauc par spin stiklu unir ģeometriskas neapmierinātības piemērs.
Feromagnētisko materiālu magnētiskās īpašības
Tāpat kā feromagnētisms, ferimagnēti saglabā savu magnetizāciju, ja nav lauka. Tomēr, tāpat kā antiferomagnēti, blakus esošie elektronu spinu pāri mēdz vērsties pretējos virzienos. Šīs divas īpašības nav pretrunā viena otrai, jo optimālā ģeometriskā izkārtojumā magnētiskais moments no elektronu apakšrežģa, kas vērsts vienā virzienā, ir lielāks nekā no apakšrežģa, kas rāda pretējā virzienā.
Lielākā daļa ferītu ir ferimagnētiski. Feromagnētisko materiālu magnētiskās īpašības mūsdienās tiek uzskatītas par nenoliedzamām. Pirmā atklātā magnētiskā viela, magnetīts, ir ferīts, un sākotnēji tika uzskatīts, ka tas ir feromagnēts. Tomēr Luiss Nīls to atspēkoja, atklājot ferimagnētismu.
Kad feromagnēts vai ferimagnēts ir pietiekami mazs, tas darbojas kā viens magnētisks grieziens, kas ir pakļauts Brauna kustībai. Tā reakcija uz magnētisko lauku ir kvalitatīvi līdzīga paramagnēta reakcijai, taču daudz vairāk.
Elektromagnēti
Elektromagnēts ir magnēts, kurā magnētisko lauku rada elektriskā strāva. Magnētiskais lauks pazūd, kad strāva tiek izslēgta. Elektromagnēti parasti sastāv no liela skaita cieši izvietotu stieples pagriezienu, kas rada magnētisko lauku. Stiepļu spoles bieži tiek apvītas ap magnētisko serdi, kas izgatavots no feromagnētiska vai ferimagnētiska materiāla.materiāls, piemēram, dzelzs; magnētiskais kodols koncentrē magnētisko plūsmu un rada spēcīgāku magnētu.
Galvenā elektromagnēta priekšrocība salīdzinājumā ar pastāvīgo magnētu ir tā, ka magnētisko lauku var ātri mainīt, kontrolējot elektriskās strāvas daudzumu tinumā. Tomēr atšķirībā no pastāvīgā magnēta, kuram nav nepieciešama jauda, elektromagnētam ir nepieciešama nepārtraukta strāvas padeve, lai uzturētu magnētisko lauku.
Elektromagnēti tiek plaši izmantoti kā citu elektrisko ierīču, piemēram, motoru, ģeneratoru, releju, solenoīdu, skaļruņu, cieto disku, MRI iekārtu, zinātnisko instrumentu un magnētiskās atdalīšanas iekārtu sastāvdaļas. Elektromagnēti tiek izmantoti arī rūpniecībā, lai satvertu un pārvietotu smagus dzelzs priekšmetus, piemēram, metāllūžņus un tēraudu. Elektromagnētisms tika atklāts 1820. gadā. Tajā pašā laikā tika publicēta pirmā materiālu klasifikācija pēc magnētiskajām īpašībām.
