Магнітні властивості матеріалу: основні характеристики та застосування

Магнітні властивості матеріалу – це клас фізичних явищ, опосередкованих полями. Електричні струми і магнітні моменти елементарних частинок породжують поле, яке діє на інші струми. Найбільш знайомі ефекти виникають у феромагнітних матеріалах, які сильно притягуються магнітними полями і можуть намагнічуватися, перетворюючись на постійні, створюючи самі заряджені поля.

Тільки кілька речовин є феромагнітними. Для визначення рівня розвиненості цього феномену конкретної субстанції існує класифікація матеріалів за магнітними властивостями. Найбільш поширеними є залізо, нікель і кобальт та їх сплави. Приставка ферро – відноситься до залозу, тому що постійний магнетизм вперше спостерігався в порожняке, формою природного залізної руди, званої магнітними властивості матеріалу, fe 3 o 4.

Парамагнітні матеріали

Хоча феромагнетизм відповідальний за більшість ефекти магнетизму, що зустрічаються в повсякденному житті, всі інші матеріали в деякій мірі схильні до впливу поля, а також деяких інших типів магнетизму. Парамагнітні речовини, такі як алюміній і кисень, слабо притягаються до прикладеній магнітному полю. Діамагнітні речовини, такі як мідь і вуглець, слабо відштовхуються.

У той час як антиферромагнитные матеріали, такі як хром і спінові стекла, мають більш складну зв’язок з магнітним полем. Сила магніту на парамагнітних, діамагнітних і антиферомагнітних матеріалах зазвичай занадто слабка, щоб її можна було відчути, і її можна виявити тільки лабораторними приладами, тому ці речовини не входять у перелік матеріалів, що володіють магнітними властивостями.

Умови

Магнітне стан (або фаза) матеріалу залежить від температури і інших змінних, таких як тиск і прикладене магнітне поле. Матеріал може проявляти більше ніж одну форму магнетизму при зміні цих змінних.

Історія

Магнітні властивості матеріалу були вперше виявлені в стародавньому світі, коли люди помітили, що магніти, природно намагнічені шматочки мінералів, можуть притягувати залізо. Слово «магніт» походить від грецького терміна μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, «магнезіальний камінь, підніжний камінь».

У Стародавній Греції Аристотель приписав перше з того, що можна назвати науковою дискусією про магнітні властивості матеріалів, філософу Фалесу Милетскому, який жив з 625 р. до н. е. до 545 р. до н. е. Стародавній індійський медичний текст «Сушрута самхіта» описує використання магнетиту для видалення стріл, вбудованих в тіло людини.

Стародавній Китай

У стародавньому Китаї сама рання літературна посилання на електричні і магнітні властивості матеріалів міститься в книзі IV століття до нашої ери, названої на честь її автора, «Мудрець Долини Привидів». Найперша згадка про притягання голки – в роботі I століття Луньхэн («Збалансовані запити»): «Магніт притягує голку».

Китайський учений XI століття Шень Куо був першою людиною, який описав в «Есе пулу снів» – магнітний компас з голкою і те, що він поліпшив точність навігації з допомогою астрономічних методів. Концепція істинного півночі. До 12-го століття китайці, як було відомо, використовували компас-магніт для навігації. Вони виліпили напрямну ложку з каменю так, що ручка ложки завжди вказувала на південь.

Середньовіччя

Олександр Неккам, до 1187 році, був першим у Європі, хто описав компас і його використання для навігації. Цей дослідник вперше в Європі досконально встановив, якими властивостями володіють магнітні матеріали. У 1269 році Пітер Перегрін де Марикур написав Epistola de magnete, перший збережений трактат, що описує властивості магнітів. В 1282 році властивості компасів і матеріалів із особливими магнітними властивостями описав аль-Ашраф, єменський фізик, астроном і географ.

Дивіться також:  Привітання суперникам, вболівальникам і журі. Вітання команді суперників у віршах на спортивних змаганнях

Ренесанс

У 1600 році Вільям Гілберт опублікував свої «Магнетичний корпус» і «Магнітне теллур» («Про магніті і магнітних тілах, а також про Великому магніті Землі»). У цій роботі він описує багато зі своїх експериментів зі своїй модельній землею, званої терреллой, з допомогою якої він проводив дослідження властивостей магнітних матеріалів.

Зі своїх експериментів він прийшов до висновку, що Земля сама по собі є магнітної і що саме тому компаси вказували на північ (раніше деякі вважали, що саме полярна зірка (Polaris) або великий магнітний острів на Північному полюсі притягував компас).

Новий час

Розуміння взаємозв’язку між електрикою і матеріалами зі спеціальними магнітними властивостями з’явилося в 1819 році в роботі Ханса Крістіана Ерстеда, професора в Копенгагенському університеті, який виявив у результаті випадкового посмикування стрілки компаса біля проводу, що електричний струм може створити магнітне поле. Цей знаменний експеримент відомий як Експеримент Ерстеда. Дещо інших експериментів пішли з Андре-Марі Ампера, який у 1820 році виявив, що магнітне поле, що циркулює по замкнутому шляху, було пов’язано зі струмом, що протікає по периметру шляху.

Карл Фрідріх Гаусс займався дослідженням магнетизму. Жан-Батіст Біо і Фелікс Савар у 1820 році придумали закон Біо-Савара, що дає потрібне рівняння. Майкл Фарадей, який у 1831 році виявив, що змінюється в часі магнітний потік через петлю проводу викликав напругу. А інші вчені знаходили подальші зв’язку між магнетизмом і електрикою.

ХХ століття і наш час

Джеймс Клерк Максвелл синтезував і розширив це розуміння рівнянь Максвелла, об’єднавши електрика, магнетизм і оптику в області електромагнетизму. У 1905 році Ейнштейн використав ці закони, мотивуючи свою теорію спеціальної теорії відносності, вимагаючи, щоб закони зберігалися у всіх інерціальних системах відліку.

Електромагнетизм продовжував розвиватися в XXI столітті, будучи включеним у більш фундаментальні теорії калібрувальної теорії, квантової електродинаміки, электрослабой теорії і, нарешті, в стандартну модель. В наш час вчені вже щосили вивчають магнітні властивості наноструктурних матеріалів. Але самі великі і дивовижні відкриття в цій області, ймовірно, все ще чекають нас попереду.

Суть

Магнітні властивості матеріалів в основному обумовлені магнітними моментами орбітальних електронів їх атомів. Магнітні моменти ядер атомів зазвичай у тисячі разів менше, ніж у електронів, а тому вони незначні в контексті намагнічування матеріалів. Ядерні магнітні моменти тим не менше є дуже важливими в інших контекстах, особливо в ядерно-магнітному резонансі (ЯМР) і магнітно-резонансної томографії (МРТ).

Зазвичай величезна кількість електронів в матеріалі влаштовано так, що їх магнітні моменти (як орбітальні, так і внутрішні) зводяться на немає. В деякій мірі це пов’язано з тим, що електрони об’єднуються в пари з протилежними власними магнітними моментами в результаті принципу Паулі (див. Конфігурацію електронів) і об’єднуються в заповнені подоболочки з нульовим сумарним орбітальним рухом.

В обох випадках електрони переважно використовують схеми, в яких магнітний момент кожного електрона нейтралізується протилежною моментом іншого електрона. Більш того, навіть коли конфігурація електронів така, що існують неспарені електрони і / або незаповнені подоболочки, часто буває так, що різні електрони в твердому тілі будуть вносити магнітні моменти, які вказують у різних випадкових напрямках, так що матеріал не буде магнітним.

Дивіться також:  Єгерські полки – прообраз сучасного спецназу

Іноді, або самостійно, або через прикладеного зовнішнього магнітного поля – кожен з магнітних моментів електронів буде в середньому збудований в лінію. Відповідний матеріал може створити сильне чисте магнітне поле.

Магнітне поведінку матеріалу залежить від його структури, зокрема від електронної конфігурації, з причин, вказаних вище, а також від температури. При високих температурах випадкове тепловий рух ускладнює вирівнювання електронів.

Діамагнетизм

Діамагнетизм проявляється у всіх матеріалах і являє собою тенденцію матеріалу протистояти додається магнітного поля і, отже, відштовхуватися від магнітного поля. Однак у матеріалі з парамагнитными властивостями (тобто з тенденцією посилювати зовнішнє магнітне поле) домінує парамагнітний поведінку. Таким чином, незважаючи на універсальне виникнення, діамагнітне поведінка спостерігається тільки в чисто диамагнитном матеріалі. У диамагнитном матеріалі немає неспарених електронів, тому власні магнітні моменти електронів не можуть створювати будь-якого об’ємного ефекту.

Зверніть увагу, що це опис розуміється тільки як евристичний варіант. Теореми Бора-Ван Леувена показує, що діамагнетизм неможливий у відповідності з класичною фізикою, і що правильне розуміння вимагає квантово-механічного опису.

Зверніть увагу, що всі матеріали проходять цей орбітальний відповідь. Проте в парамагнітних і феромагнітних речовин діамагнітний ефект пригнічується набагато більш сильними ефектами, викликаними неспаренными електронами.

У парамагнитном матеріалі є неспарені електрони; тобто атомні або молекулярні орбіталі з рівно одним електроном в них. У той час як для принципу виключення Паулі потрібно, щоб спарені електрони мали свої власні («спін») магнітні моменти, які вказують у протилежних напрямках, у результаті чого їх магнітні поля компенсуються, неспарений електрон може вирівняти свій магнітний момент в будь-якому напрямку. Коли докладено зовнішнє поле, ці моменти будуть прагнути поєднуватися в тому ж напрямку, що і прикладене поле, підсилюючи його.

Феромагнетики

Феромагнетик, як парамагнітний речовина, має неспарені електрони. Однак, на додаток до тенденції власного магнітного моменту електрона бути паралельною додається полю, в цих матеріалах також існує тенденція для цих магнітних моментів орієнтуватися паралельно один одному, щоб підтримувати стан зниженої енергії. Таким чином, навіть за відсутності прикладеного поля магнітні моменти електронів в матеріалі спонтанно шикуються паралельно один одному.

Кожне феромагнітна речовина має свою індивідуальну температуру, звану температурою Кюрі, або точкою Кюрі, вище якої воно втрачає свої феромагнітні властивості. Це пов’язано з тим, що теплова тенденція до безладу пригнічує зниження енергії з-за феромагнітного порядку.

Феромагнетизм зустрічається тільки в декількох речовин; поширеними є залізо, нікель, кобальт, їх сплави і деякі сплави рідкоземельних металів.

Магнітні моменти атомів у феромагнітному матеріалі змушують їх поводитися як крихітні постійні магніти. Вони злипаються і об’єднуються в невеликі області більш або менш рівномірного вирівнювання, що називаються магнітними доменами або доменами Вейсса. Магнітні домени можна спостерігати з допомогою магнітно-силового мікроскопа, щоб виявити межі магнітних доменів, які нагадують білі лінії на ескізі. Є багато наукових експериментів, які можуть фізично показати магнітні поля.

Роль доменів

Коли домен містить занадто багато молекул, він стає нестабільним і ділиться на два домену, вирівняних в протилежних напрямках, щоб вони більш стабільно злипалися, як показано праворуч.

При впливі магнітного поля межі доменів переміщуються, так що домени, вирівняні по магнітному полю, ростуть і домінують у структурі (пунктирна жовта область), як показано зліва. Коли намагнічується поле видалено, домени можуть не повернутися в ненамагниченное стан. Це призводить до того, що феромагнітний матеріал намагнічується, утворюючи постійний магніт.

Дивіться також:  Ізомери Пентена: будова, застосування, загроза здоров'ю.

При досить сильному намагнічуванні, щоб переважаючий домен перекривав всі інші, приводячи до утворення тільки одного окремого домену, матеріал магнітно насичується. Коли намагнічений феромагнітний матеріал нагрівають до температури точки Кюрі, молекули перемішуються до такої міри, що магнітні домени втрачають організацію, а магнітні властивості, які вони викликають, припиняються. Коли матеріал охолоджується, ця структура вирівнювання доменів мимоволі повертається, приблизно аналогічно тому, як рідина може замерзнути в кристалічна тверда речовина.

Антиферомагнетику

В антиферомагнетику, на відміну від феромагнетика, власні магнітні моменти сусідніх валентних електронів мають тенденцію вказувати в протилежних напрямках. Коли всі атоми розташовані в речовині так, що кожен сусід антипараллелен, речовина є антиферомагнітним. Антиферомагнетики мають нульовий сумарний магнітний момент, що означає, що вони не створюють поля.

Антиферомагнетики зустрічаються рідше в порівнянні з іншими типами поведінки і найчастіше спостерігаються при низьких температурах. При різних температурах антиферомагнетики виявляють діамагнітні та феромагнітні властивості.

У деяких матеріалах сусідні електрони віддають перевагу вказувати в протилежних напрямках, але немає геометричного розташування, у якому кожна пара сусідів є анти-вирівняною. Це називається спін-скло і є прикладом геометричного розчарування.

Магнітні властивості феромагнітних матеріалів

Як і феромагнетизм, ферримагнетики зберігають свою намагніченість у відсутності поля. Однак, як і антиферомагнетики, сусідні пари електронних спінів мають тенденцію вказувати в протилежних напрямках. Ці дві властивості не суперечать один одному, тому що в оптимальному геометричному розташуванні магнітний момент від гратки електронів, які вказують в одному напрямку, більше, ніж від гратки, яка вказує в протилежному напрямку.

Більшість феритів є ферримагнитными. Магнітні властивості феромагнітних матеріалів на сьогоднішній день вважаються незаперечними. Перше виявлене магнітне речовина, магнетит, є феритом і спочатку вважалося феромагнетиком. Однак Луї Неэль спростував це, відкривши ферримагнетизм.

Коли феромагнетик або ферримагнетик досить малий, він діє як один магнітний спін, який схильний до броунівського руху. Його реакція на магнітне поле якісно аналогічна реакції парамагнетика, але набагато більше.

Електромагніти

Електромагніт – це магніт, в якому магнітне поле створюється електричним струмом. Магнітне поле зникає, коли вимикається струм. Електромагніти зазвичай складаються з великої кількості близько розташованих витків дроти, які створюють магнітне поле. Дротові витки часто намотуються навколо магнітного сердечника, виготовленого з феромагнітного або ферримагнитного матеріалу, такого як залізо; магнітний сердечник концентрує магнітний потік і створює більш потужний магніт.

Основною перевагою електромагніту перед постійним магнітом є те, що магнітне поле можна швидко змінити, контролюючи величину електричного струму в обмотці. Однак, на відміну від постійного магніту, який не вимагає живлення, електромагніт вимагає безперервної подачі струму для підтримки магнітного поля.

Електромагніти широко використовуються в якості компонентів інших електричних пристроїв, таких як двигуни, генератори, реле, соленоїди, гучномовці, жорсткі диски, МРТ-апарати, наукові прилади та обладнання для магнітної сепарації. Електромагніти також використовуються в промисловості для захоплення і переміщення важких залізних предметів, таких як металобрухт і сталь. Електромагнетизм був відкритий в 1820 році. Тоді ж вийшла перша класифікація матеріалів за магнітними властивостями.