Właściwości magnetyczne materiału to klasa zjawisk fizycznych, w których pośredniczą pola. Prądy elektryczne i momenty magnetyczne cząstek elementarnych generują pole, które oddziałuje na inne prądy. Najbardziej znane efekty występują w materiałach ferromagnetycznych, które są silnie przyciągane przez pola magnetyczne i mogą zostać trwale namagnesowane, tworząc same naładowane pola.
Tylko kilka substancji jest ferromagnetycznych. Aby określić poziom rozwoju tego zjawiska w konkretnej substancji, istnieje klasyfikacja materiałów według właściwości magnetycznych. Najczęściej spotykane są żelazo, nikiel i kob alt oraz ich stopy. Przedrostek ferro- odnosi się do żelaza, ponieważ trwały magnetyzm po raz pierwszy zaobserwowano w pustym żelazie, formie naturalnej rudy żelaza zwanej właściwościami magnetycznymi materiału, Fe3O4.
Materiały paramagnetyczne
Chociażferromagnetyzm jest odpowiedzialny za większość skutków magnetyzmu spotykanych w życiu codziennym, wszystkie inne materiały są w pewnym stopniu dotknięte polem, a także niektóre inne rodzaje magnetyzmu. Substancje paramagnetyczne, takie jak aluminium i tlen, są słabo przyciągane przez przyłożone pole magnetyczne. Substancje diamagnetyczne, takie jak miedź i węgiel, słabo się odpychają.
Podczas gdy materiały antyferromagnetyczne, takie jak chrom i szkła spinowe, mają bardziej złożony związek z polem magnetycznym. Siła magnesu na materiałach paramagnetycznych, diamagnetycznych i antyferromagnetycznych jest zwykle zbyt słaba, aby była wyczuwalna i może być wykryta tylko przez instrumenty laboratoryjne, więc substancje te nie są uwzględnione na liście materiałów, które mają właściwości magnetyczne.
Warunki
Stan magnetyczny (faza) materiału zależy od temperatury i innych zmiennych, takich jak ciśnienie i przyłożone pole magnetyczne. Materiał może wykazywać więcej niż jedną formę magnetyzmu, gdy te zmienne się zmieniają.
Historia
Właściwości magnetyczne materiału zostały po raz pierwszy odkryte w starożytnym świecie, kiedy ludzie zauważyli, że magnesy, naturalnie namagnesowane kawałki minerałów, mogą przyciągać żelazo. Słowo „magnes” pochodzi od greckiego terminu Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „kamień magnezyjski, kamień podłogowy”.
W starożytnej Grecji Arystoteles przypisał pierwszą z tego, co można by nazwać naukową dyskusją na temat właściwości magnetycznych materiałów,filozof Tales z Miletu, który żył od 625 pne. mi. przed 545 pne mi. Starożytny indyjski tekst medyczny Sushruta Samhita opisuje użycie magnetytu do usuwania strzał osadzonych w ludzkim ciele.
Starożytne Chiny
W starożytnych Chinach najwcześniejsze literackie odniesienie do elektrycznych i magnetycznych właściwości materiałów znajduje się w książce z IV wieku p.n.e., nazwanej na cześć jej autora, Mędrca z Doliny Duchów. Najwcześniejsze wzmianki o przyciąganiu igły znajdują się w dziele Lunheng (Zrównoważone prośby) z I wieku: „Magnes przyciąga igłę”.
XI-wieczny chiński naukowiec Shen Kuo był pierwszą osobą, która w Dream Pool Essay opisał kompas magnetyczny z igłą, który poprawił dokładność nawigacji metodami astronomicznymi. koncepcja prawdziwej północy. W XII wieku Chińczycy byli znani z używania kompasu magnetycznego do nawigacji. Stworzyli łyżkę prowadzącą z kamienia tak, że rączka łyżki zawsze była skierowana na południe.
Średniowiecze
Alexander Neckam, do roku 1187, jako pierwszy w Europie opisał kompas i jego zastosowanie w nawigacji. Badacz ten po raz pierwszy w Europie dokładnie ustalił właściwości materiałów magnetycznych. W 1269 Peter Peregrine de Maricourt napisał Epistola de magnete, pierwszy zachowany traktat opisujący właściwości magnesów. W 1282 r. właściwości kompasów i materiałów o specjalnych właściwościach magnetycznych opisał al-Ashraf, jemeński fizyk, astronom i geograf.
Renesans
W 1600 roku William Gilbert opublikowałjego „Magnetyczny korpus” i „Magnetyczne tellurium” („O magnesie i ciałach magnetycznych, a także o Wielkim Magnesie Ziemi”). W tym artykule opisuje on wiele swoich eksperymentów ze swoim modelem ziemi, zwanym terrellą, z którym prowadził badania nad właściwościami materiałów magnetycznych.
Na podstawie swoich eksperymentów doszedł do wniosku, że sama Ziemia jest magnetyczna i dlatego kompasy wskazywały na północ (wcześniej niektórzy uważali, że była to gwiazda polarna (Polaris) lub duża magnetyczna wyspa na północy Polak, który przyciągnął kompas).
Nowy czas
Zrozumienie związku między elektrycznością a materiałami o specjalnych właściwościach magnetycznych pojawiło się w 1819 roku w pracy Hansa Christiana Oersteda, profesora Uniwersytetu w Kopenhadze, który odkrył przez przypadkowe poruszenie igłą kompasu w pobliżu drutu, że elektryczny prąd może wytworzyć pole magnetyczne. Ten przełomowy eksperyment znany jest jako Eksperyment Oersteda. Kilka innych eksperymentów zostało przeprowadzonych z André-Marie Ampère, który w 1820 r. odkrył, że pole magnetyczne krążące po zamkniętej ścieżce było powiązane z prądem przepływającym po obwodzie ścieżki.
Carl Friedrich Gauss zajmował się badaniem magnetyzmu. Jean-Baptiste Biot i Felix Savart w 1820 opracowali prawo Biota-Savarta, które daje pożądane równanie. Michael Faraday, który w 1831 r. odkrył, że zmienny w czasie strumień magnetyczny przepływający przez pętlę drutu powoduje napięcie. Inni naukowcy odkryli dalsze powiązania między magnetyzmem a elektrycznością.
XX wiek i naszczas
James Clerk Maxwell zsyntetyzował i poszerzył zrozumienie równań Maxwella, łącząc elektryczność, magnetyzm i optykę w dziedzinie elektromagnetyzmu. W 1905 roku Einstein użył tych praw, aby uzasadnić swoją szczególną teorię względności, wymagając, aby prawa te były prawdziwe we wszystkich bezwładnościowych układach odniesienia.
Elektromagnetyzm nadal ewoluował w XXI wieku, będąc włączonym do bardziej fundamentalnych teorii teorii cechowania, elektrodynamiki kwantowej, teorii elektrosłabości i wreszcie modelu standardowego. Obecnie naukowcy badają już właściwości magnetyczne materiałów nanostrukturalnych z mocą i główną siłą. Jednak największe i najbardziej niesamowite odkrycia w tej dziedzinie prawdopodobnie jeszcze przed nami.
Esencja
Właściwości magnetyczne materiałów wynikają głównie z momentów magnetycznych elektronów orbitalnych ich atomów. Momenty magnetyczne jąder atomowych są zwykle tysiące razy mniejsze niż momentów magnetycznych elektronów, a zatem są pomijalne w kontekście namagnesowania materiałów. Jądrowe momenty magnetyczne są jednak bardzo ważne w innych kontekstach, zwłaszcza w jądrowym rezonansie magnetycznym (NMR) i obrazowaniu metodą rezonansu magnetycznego (MRI).
Zazwyczaj ogromna liczba elektronów w materiale jest ułożona w taki sposób, że ich momenty magnetyczne (zarówno orbitalne, jak i wewnętrzne) są zerowane. W pewnym stopniu wynika to z faktu, że elektrony łączą się w pary o przeciwnych wewnętrznych momentach magnetycznych w wyniku zasady Pauliego (patrz Konfiguracja elektronowa) i łączą się w wypełnione podpowłoki z zerowym ruchem orbitalnym netto.
BW obu przypadkach elektrony wykorzystują głównie obwody, w których moment magnetyczny każdego elektronu jest niwelowany przez moment przeciwny drugiego elektronu. Co więcej, nawet jeśli konfiguracja elektronów jest taka, że istnieją niesparowane elektrony i/lub niewypełnione podpowłoki, często zdarza się, że różne elektrony w ciele stałym będą przyczyniać się do momentów magnetycznych, które wskazują w różnych, losowych kierunkach, tak że materiał nie będzie magnetyczny.
Czasami, albo spontanicznie, albo w wyniku przyłożonego zewnętrznego pola magnetycznego, momenty magnetyczne każdego z elektronów ułożą się przeciętnie. Właściwy materiał może następnie wytworzyć silne netto pole magnetyczne.
Zachowanie magnetyczne materiału zależy od jego struktury, w szczególności od jego konfiguracji elektronicznej, z powodów podanych powyżej, a także od temperatury. W wysokich temperaturach losowy ruch termiczny utrudnia wyrównanie elektronów.
Diamagnetyzm
Diamagnetyzm występuje we wszystkich materiałach i jest tendencją materiału do opierania się przyłożonemu polu magnetycznemu, a zatem odpychania pola magnetycznego. Jednak w materiale o właściwościach paramagnetycznych (czyli z tendencją do wzmacniania zewnętrznego pola magnetycznego) dominuje zachowanie paramagnetyczne. Tak więc, pomimo powszechnego występowania, zachowanie diamagnetyczne obserwuje się tylko w materiale czysto diamagnetycznym. W materiale diamagnetycznym nie ma niesparowanych elektronów, więc wewnętrzne momenty magnetyczne elektronów nie mogą tworzyćdowolny efekt głośności.
Proszę zauważyć, że ten opis ma charakter wyłącznie heurystyczny. Twierdzenie Bohra-Van Leeuwena pokazuje, że diamagnetyzm jest niemożliwy według fizyki klasycznej, a prawidłowe zrozumienie wymaga opisu mechaniki kwantowej.
Zauważ, że wszystkie materiały przechodzą przez tę reakcję orbitalną. Jednak w substancjach paramagnetycznych i ferromagnetycznych efekt diamagnetyczny jest tłumiony przez znacznie silniejsze efekty wywołane przez niesparowane elektrony.
W materiale paramagnetycznym znajdują się niesparowane elektrony; to znaczy orbitale atomowe lub molekularne z dokładnie jednym elektronem. Podczas gdy zasada wykluczania Pauliego wymaga, aby sparowane elektrony miały swoje własne („spinowe”) momenty magnetyczne skierowane w przeciwnych kierunkach, powodując zniesienie ich pól magnetycznych, niesparowany elektron może wyrównać swój moment magnetyczny w dowolnym kierunku. Kiedy stosowane jest pole zewnętrzne, momenty te będą miały tendencję do wyrównania się w tym samym kierunku, co zastosowane pole, wzmacniając je.
Ferromagnesy
Ferromagnes, jako substancja paramagnetyczna, ma niesparowane elektrony. Jednak oprócz tendencji własnego momentu magnetycznego elektronów do równoległego do przyłożonego pola, w tych materiałach występuje również tendencja do orientowania się tych momentów magnetycznych równolegle względem siebie w celu utrzymania stanu zredukowanego energia. Tak więc, nawet przy braku zastosowanego polamomenty magnetyczne elektronów w materiale spontanicznie ustawiają się równolegle do siebie.
Każda substancja ferromagnetyczna ma swoją indywidualną temperaturę, zwaną temperaturą Curie lub punktem Curie, powyżej której traci swoje właściwości ferromagnetyczne. Dzieje się tak, ponieważ tendencja termiczna do nieporządku przeważa nad redukcją energii spowodowaną uporządkowaniem ferromagnetycznym.
Ferromagnetyzm występuje tylko w kilku substancjach; żelazo, nikiel, kob alt, ich stopy i niektóre stopy ziem rzadkich są powszechne.
Momenty magnetyczne atomów w materiale ferromagnetycznym powodują, że zachowują się one jak małe magnesy trwałe. Sklejają się i łączą w małe regiony o mniej lub bardziej jednolitym ułożeniu, zwane domenami magnetycznymi lub domenami Weissa. Domeny magnetyczne można obserwować za pomocą mikroskopu sił magnetycznych, aby odkryć granice domen magnetycznych, które przypominają białe linie na szkicu. Istnieje wiele eksperymentów naukowych, które mogą fizycznie pokazać pola magnetyczne.
Rola domen
Kiedy domena zawiera zbyt wiele cząsteczek, staje się niestabilna i dzieli się na dwie domeny ustawione w przeciwnych kierunkach, aby sklejać się bardziej stabilnie, jak pokazano po prawej stronie.
Pod wpływem pola magnetycznego granice domen przesuwają się tak, że domeny wyrównane magnetycznie rosną i dominują nad strukturą (obszar kropkowany w kolorze żółtym), jak pokazano po lewej stronie. Gdy pole magnesujące zostanie usunięte, domeny mogą nie powrócić do stanu nienamagnesowanego. To prowadzi doponieważ materiał ferromagnetyczny jest namagnesowany, tworząc magnes trwały.
Kiedy namagnesowanie było na tyle silne, że domena dominująca nakładała się na wszystkie inne, prowadząc do powstania tylko jednej oddzielnej domeny, materiał był nasycony magnetycznie. Kiedy namagnesowany materiał ferromagnetyczny zostanie podgrzany do temperatury punktu Curie, cząsteczki mieszają się do momentu, w którym domeny magnetyczne tracą organizację, a właściwości magnetyczne, które powodują, ustają. Kiedy materiał jest chłodzony, ta struktura wyrównania domeny spontanicznie powraca, mniej więcej analogicznie do tego, jak ciecz może zamarznąć w krystaliczne ciało stałe.
Antyferromagnetyka
W antyferromagnecie, w przeciwieństwie do ferromagnetyka, wewnętrzne momenty magnetyczne sąsiednich elektronów walencyjnych mają tendencję do wskazywania przeciwnych kierunków. Kiedy wszystkie atomy są ułożone w substancji tak, że każdy sąsiad jest antyrównoległy, substancja jest antyferromagnetyczna. Antyferromagnetyki mają wypadkowy moment magnetyczny równy zero, co oznacza, że nie wytwarzają pola.
Antyferromagnesy są rzadsze niż inne rodzaje zachowań i są najczęściej obserwowane w niskich temperaturach. W różnych temperaturach antyferromagnetyki wykazują właściwości diamagnetyczne i ferromagnetyczne.
W niektórych materiałach sąsiednie elektrony wolą być skierowane w przeciwnych kierunkach, ale nie ma układu geometrycznego, w którym każda para sąsiadów jest przeciwnie wyrównana. To się nazywa szkło spinowe ijest przykładem frustracji geometrycznej.
Właściwości magnetyczne materiałów ferromagnetycznych
Podobnie jak ferromagnetyzm, ferrimagnesy zachowują swoje namagnesowanie przy braku pola. Jednak, podobnie jak antyferromagnetyki, sąsiednie pary spinów elektronów mają tendencję do wskazywania przeciwnych kierunków. Te dwie właściwości nie są ze sobą sprzeczne, ponieważ w optymalnym układzie geometrycznym moment magnetyczny z podsieci elektronów, która jest zwrócona w tym samym kierunku, jest większy niż z podsieci, która wskazuje w przeciwnym kierunku.
Większość ferrytów jest ferrimagnetyczna. Właściwości magnetyczne materiałów ferromagnetycznych są dziś uważane za niezaprzeczalne. Pierwsza odkryta substancja magnetyczna, magnetyt, to ferryt i pierwotnie uważano, że jest ferromagnesem. Jednak Louis Neel zaprzeczył temu, odkrywając ferrimagnetyzm.
Kiedy ferromagnes lub ferrimagnes jest wystarczająco mały, działa jak pojedynczy spin magnetyczny, który podlega ruchom Browna. Jego reakcja na pole magnetyczne jest jakościowo podobna do reakcji paramagnesu, ale znacznie więcej.
Elektromagnesy
Elektromagnes to magnes, w którym prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne. Pole magnetyczne znika po wyłączeniu prądu. Elektromagnesy zwykle składają się z dużej liczby blisko rozmieszczonych zwojów drutu, które wytwarzają pole magnetyczne. Cewki drutu są często owinięte wokół rdzenia magnetycznego wykonanego z materiału ferromagnetycznego lub ferrimagnetycznego.materiał taki jak żelazo; rdzeń magnetyczny skupia strumień magnetyczny i tworzy silniejszy magnes.
Główną zaletą elektromagnesu nad magnesem trwałym jest to, że pole magnetyczne można szybko zmienić, kontrolując ilość prądu elektrycznego w uzwojeniu. Jednak w przeciwieństwie do magnesu trwałego, który nie wymaga zasilania, elektromagnes wymaga ciągłego zasilania prądem w celu utrzymania pola magnetycznego.
Elektromagnesy są szeroko stosowane jako komponenty innych urządzeń elektrycznych, takich jak silniki, generatory, przekaźniki, solenoidy, głośniki, dyski twarde, urządzenia do rezonansu magnetycznego, instrumenty naukowe i sprzęt do separacji magnetycznej. Elektromagnesy są również wykorzystywane w przemyśle do chwytania i przenoszenia ciężkich przedmiotów żelaznych, takich jak złom i stal. Elektromagnetyzm odkryto w 1820 roku. W tym samym czasie opublikowano pierwszą klasyfikację materiałów według właściwości magnetycznych.
