Materjali magnetilised omadused on füüsikaliste nähtuste klass, mida vahendavad väljad. Elektrivoolud ja elementaarosakeste magnetmomendid tekitavad välja, mis mõjub teistele vooludele. Kõige tuttavamad efektid ilmnevad ferromagnetilistes materjalides, mida magnetväljad tõmbavad tugev alt ligi ja võivad muutuda püsiv alt magnetiseerituks, tekitades ise laetud väljad.
Ainult mõned ained on ferromagnetilised. Selle nähtuse arengutaseme määramiseks konkreetses aines on materjalide klassifikatsioon magnetiliste omaduste järgi. Levinuimad on raud, nikkel ja koob alt ning nende sulamid. Eesliide ferro- viitab rauale, kuna püsimagnetismi täheldati esmakordselt tühjas rauas, loodusliku rauamaagi vormis, mida nimetatakse materjali magnetilisteks omadusteks Fe3O4.
Paramagnetilised materjalid
Kuigiferromagnetism on vastutav enamiku igapäevaelus esinevate magnetismi mõjude eest, kõik teised materjalid on mingil määral mõjutatud väljast, aga ka mõned muud tüüpi magnetismid. Paramagnetilisi aineid, nagu alumiinium ja hapnik, tõmbab rakendatud magnetväli nõrg alt. Diamagnetilised ained, nagu vask ja süsinik, tõrjuvad nõrg alt.
Kuigi antiferromagnetilistel materjalidel, nagu kroom ja spin-klaasid, on magnetväljaga keerulisem seos. Magneti tugevus paramagnetilistel, diamagnetilistel ja antiferromagnetilistel materjalidel on tavaliselt liiga nõrk, et seda tunda ja seda saab tuvastada ainult laboriseadmetega, mistõttu neid aineid ei ole magnetiliste omadustega materjalide loendis.
Tingimused
Materjali magnetiline olek (või faas) sõltub temperatuurist ja muudest muutujatest, nagu rõhk ja rakendatud magnetväli. Materjalil võib olla rohkem kui üks magnetismi vorm, kui need muutujad muutuvad.
Ajalugu
Materjali magnetilised omadused avastati esmakordselt iidses maailmas, kui inimesed märkasid, et magnetid, looduslikult magnetiseeritud mineraalide tükid, võivad rauda ligi tõmmata. Sõna "magnet" pärineb kreekakeelsest sõnast Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magneesiakivi, jalakivi".
Vana-Kreekas omistas Aristoteles esimesele teaduslikule arutelule, mida võiks nimetada materjalide magnetiliste omaduste üle,filosoof Thales Mileetosest, kes elas aastast 625 eKr. e. enne 545 eKr e. Vana-India meditsiiniline tekst Sushruta Samhita kirjeldab magnetiidi kasutamist inimkehasse põimitud noolte eemaldamiseks.
Vana-Hiina
Muistses Hiinas leidub varaseimaid kirjanduslikke viiteid materjalide elektrilistele ja magnetilistele omadustele 4. sajandil eKr pärit raamatust, mis sai nime selle autori järgi "The Sage of the Valley of Ghosts". Varasem alt mainitakse nõela külgetõmmet 1. sajandi teoses Lunheng (Tasakaalustatud nõuded): "Magnet tõmbab nõela ligi."
11. sajandi Hiina teadlane Shen Kuo oli esimene inimene, kes kirjeldas Dream Pooli essees nõelaga magnetilist kompassi ja seda, et see parandas astronoomiliste meetodite abil navigeerimise täpsust. tõelise põhja kontseptsioon. 12. sajandiks kasutasid hiinlased navigeerimiseks magnetkompassi. Nad valmistasid juhtlusika kivist nii, et lusika käepide oleks alati suunatud lõuna poole.
Keskaeg
Alexander Neckam kirjeldas 1187. aastal esimesena Euroopas kompassi ja selle kasutamist navigeerimiseks. See teadlane tegi esimest korda Euroopas põhjalikult kindlaks magnetiliste materjalide omadused. 1269. aastal kirjutas Peter Peregrine de Maricourt Epistola de magnete, esimese säilinud traktaadi, mis kirjeldab magnetite omadusi. 1282. aastal kirjeldas kompasside ja eriliste magnetiliste omadustega materjalide omadusi al-Ashraf, Jeemeni füüsik, astronoom ja geograaf.
Renessanss
1600. aastal avaldas William Gilberttema "Magnetic Corpus" ja "Magnetic Tellurium" ("On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet"). Selles artiklis kirjeldab ta paljusid oma katseid oma mudelmaaga, mida nimetatakse terrellaks ja millega ta uuris magnetiliste materjalide omadusi.
Oma katsete põhjal jõudis ta järeldusele, et Maa ise on magnetiline ja seepärast näitasid kompassid põhja poole (varem arvasid mõned, et see on poolustäht (Polaris) või suur magnetiline saar põhjas Pole, mis tõmbas kompassi).
Uus aeg
Arusaam elektri ja eriliste magnetiliste omadustega materjalide vahelistest suhetest ilmnes 1819. aastal Kopenhaageni ülikooli professori Hans Christian Oerstedi töös, kes avastas kompassinõela kogemata tõmblemisel juhtme lähedal, et elektriline vool võib tekitada magnetvälja. Seda märgilist eksperimenti tuntakse Oerstedi katsena. Järgnesid mitmed teised katsed André-Marie Ampère'iga, kes avastas 1820. aastal, et suletud teel ringlev magnetväli on seotud vooluga, mis voolab mööda tee perimeetrit.
Carl Friedrich Gauss tegeles magnetismi uurimisega. Jean-Baptiste Biot ja Felix Savart tulid 1820. aastal välja Biot-Savarti seadusega, mis annab soovitud võrrandi. Michael Faraday, kes avastas 1831. aastal, et ajas muutuv magnetvoog läbi juhtmeahela põhjustab pinge. Ja teised teadlased on leidnud täiendavaid seoseid magnetismi ja elektri vahel.
XX sajandil ja meieaeg
James Clerk Maxwell sünteesis ja laiendas Maxwelli võrrandite mõistmist, ühendades elektri, magnetismi ja optika elektromagnetismi valdkonnas. Aastal 1905 kasutas Einstein neid seadusi oma erirelatiivsusteooria motiveerimiseks, nõudes, et seadused kehtiksid kõigis inertsiaalsetes võrdlusraamistikes.
Elektromagnetism on 21. sajandil jätkuv alt arenenud, olles kaasatud gabariiditeooria, kvantelektrodünaamika, elektronõrga teooria ja lõpuks standardmudeli põhjapanevamatesse teooriatesse. Tänapäeval uurivad teadlased nanostruktuursete materjalide magnetilisi omadusi jõuliselt. Kuid selle valdkonna suurimad ja hämmastavamad avastused on ilmselt veel ees.
Essence
Materjalide magnetilised omadused tulenevad peamiselt nende aatomite orbitaalelektronide magnetmomentidest. Aatomituumade magnetmomendid on tavaliselt tuhandeid kordi väiksemad kui elektronide omad ja seetõttu on need materjalide magnetiseerumise kontekstis tühised. Tuumamagnetmomendid on sellegipoolest väga olulised muudes kontekstides, eriti tuumamagnetresonantsi (NMR) ja magnetresonantstomograafia (MRI) puhul.
Tavaliselt on tohutu elektronide hulk materjalis paigutatud nii, et nende magnetmomendid (nii orbitaalsed kui ka sisemised) nullitakse. Mingil määral on see tingitud asjaolust, et elektronid ühinevad paarikaupa vastandlike sisemiste magnetmomentidega Pauli printsiibi tulemusel (vt Elektroni konfiguratsioon) ja ühinevad täidetud alamkestadeks, mille orbitaalliikumine on null.
BMõlemal juhul kasutavad elektronid valdav alt ahelaid, milles iga elektroni magnetmomenti tühistab teise elektroni vastandmoment. Veelgi enam, isegi kui elektronide konfiguratsioon on selline, et seal on paarituid elektrone ja/või täitmata alamkihte, on sageli nii, et tahkis olevad erinevad elektronid tekitavad magnetilisi momente, mis on suunatud erinevatesse juhuslikesse suundadesse, nii et materjal ei muutu magnetiline.
Mõnikord, kas spontaanselt või rakendatud välise magnetvälja tõttu, on iga elektroni magnetmoment keskmiselt joondunud. Õige materjal võib seejärel luua tugeva netomagnetvälja.
Materjali magnetiline käitumine sõltub ül altoodud põhjustel selle struktuurist, eelkõige selle elektroonilisest konfiguratsioonist, ja ka temperatuurist. Kõrgetel temperatuuridel muudab juhuslik soojusliikumine elektronide joondumise keeruliseks.
Diamagnetism
Diamagnetismi leidub kõigis materjalides ja see on materjali kalduvus seista vastu rakendatavale magnetväljale ja seetõttu magnetvälja tõrjuda. Paramagnetiliste omadustega (st välist magnetvälja tugevdava tendentsiga) materjalis domineerib aga paramagnetiline käitumine. Seega, vaatamata universaalsele esinemisele, täheldatakse diamagnetilist käitumist ainult puht alt diamagnetilises materjalis. Diamagnetilises materjalis pole paarituid elektrone, seega ei saa elektronide sisemised magnetmomendid tekkida.mis tahes helitugevuse efekt.
Pange tähele, et see kirjeldus on mõeldud ainult heuristilisena. Bohr-Van Leeuweni teoreem näitab, et klassikalise füüsika järgi on diamagnetism võimatu ja õigeks arusaamiseks on vaja kvantmehaanilist kirjeldust.
Pange tähele, et kõik materjalid läbivad selle orbitaalreaktsiooni. Paramagnetilistes ja ferromagnetilistes ainetes aga pärsivad diamagnetilist efekti palju tugevamad paaritute elektronide põhjustatud mõjud.
Paramagnetilises materjalis on paarituid elektrone; ehk siis aatomi- või molekulaarorbitaalid, milles on täpselt üks elektron. Kuigi Pauli välistamise põhimõte nõuab, et paaris elektronidel oleks oma ("pöörlevad") magnetmomendid, mis osutaksid vastupidises suunas, põhjustades nende magnetväljade tühistamise, siis paaritu elektron võib joondada oma magnetmomendi mõlemas suunas. Välise välja rakendamisel kalduvad need momendid joonduma rakendatava väljaga samas suunas, tugevdades seda.
Ferromagnetid
Ferromagnetil kui paramagnetilisel ainel on paardumata elektronid. Kuid lisaks elektronide sisemise magnetmomendi kalduvusele olla rakendatava väljaga paralleelne, on nendes materjalides ka kalduvus, et need magnetmomendid orienteeruvad üksteisega paralleelselt, et säilitada redutseeritud olek. energiat. Seega ka rakendusliku valdkonna puudumiselmaterjalis olevate elektronide magnetmomendid joonduvad spontaanselt üksteisega paralleelselt.
Igal ferromagnetilisel ainel on oma individuaalne temperatuur, mida nimetatakse Curie temperatuuriks või Curie punktiks, millest kõrgemal kaotab see oma ferromagnetilised omadused. Selle põhjuseks on asjaolu, et termiline kalduvus häiretele ületab ferromagnetilise järjestuse tõttu energia vähenemise.
Ferromagnetism esineb ainult mõnes aines; raud, nikkel, koob alt, nende sulamid ja mõned haruldaste muldmetallide sulamid on tavalised.
Aatomite magnetmomendid ferromagnetilises materjalis panevad need käituma nagu väikesed püsimagnetid. Need kleepuvad kokku ja ühinevad enam-vähem ühtlase joondusega väikesteks piirkondadeks, mida nimetatakse magnetdomeenideks või Weissi domeenideks. Magnetdomeene saab vaadelda magnetjõumikroskoobi abil, et paljastada magnetdomeeni piirid, mis meenutavad visandil valgeid jooni. On palju teaduslikke katseid, mis võivad füüsiliselt näidata magnetvälju.
Domeenide roll
Kui domeen sisaldab liiga palju molekule, muutub see ebastabiilseks ja jaguneb kaheks vastassuunas joondatud domeeniks, et stabiilsem alt kokku kleepuda, nagu on näidatud paremal.
Magnetväljaga kokkupuutel nihkuvad domeeni piirid nii, et magnetiliselt joondatud domeenid kasvavad ja domineerivad struktuuris (punktiir kollane ala), nagu on näidatud vasakul. Magnetiseeriva välja eemaldamisel ei pruugi domeenid magnetiseerimata olekusse naasta. See toob kaasakuna ferromagnetiline materjal on magnetiseeritud, moodustades püsimagneti.
Kui magnetiseerimine oli piisav alt tugev, nii et domineeriv domeen kattus kõigi teistega, mis viis ainult ühe eraldi domeeni moodustumiseni, oli materjal magnetiliselt küllastunud. Kui magnetiseeritud ferromagnetilist materjali kuumutatakse Curie punkti temperatuurini, segunevad molekulid punktini, kus magnetdomeenid kaotavad organiseerituse ja nende tekitatud magnetilised omadused lakkavad. Kui materjal jahutatakse, taastub see domeeni joondusstruktuur spontaanselt tagasi, ligikaudu analoogselt sellega, kuidas vedelik võib külmuda kristalliliseks tahkeks aineks.
Antiferromagnetics
Antiferromagnetis, erinev alt ferromagnetist, kalduvad naabervalentselektronide sisemised magnetmomendid osutama vastupidises suunas. Kui kõik aatomid on aines paigutatud nii, et iga naaber on antiparalleelne, on aine antiferromagnetiline. Antiferromagnetite netomagnetmoment on null, mis tähendab, et nad ei tekita välja.
Antiferromagnetid on harvemad kui muud tüüpi käitumised ja neid täheldatakse kõige sagedamini madalatel temperatuuridel. Erinevatel temperatuuridel on antiferromagnetitel diamagnetilised ja ferromagnetilised omadused.
Mõnede materjalide puhul eelistavad naaberelektronid osutada vastupidises suunas, kuid puudub geomeetriline paigutus, milles iga naabripaar oleks joondusvastane. Seda nimetatakse spin klaasiks jaon näide geomeetrilisest frustratsioonist.
Ferromagnetiliste materjalide magnetilised omadused
Nagu ferromagnetism, säilitavad ferrimagnetid oma magnetiseerituse ka välja puudumisel. Kuid nagu antiferromagnetid, kipuvad kõrvuti asetsevad elektronide spinnide paarid osutama vastupidises suunas. Need kaks omadust ei ole üksteisega vastuolus, sest optimaalse geomeetrilise paigutuse korral on samas suunas suunatud elektronide alamvõre magnetmoment suurem kui vastassuunas osutava alamvõre magnetmoment.
Enamik ferriite on ferrimagnetilised. Ferromagnetiliste materjalide magnetilisi omadusi peetakse tänapäeval vaieldamatuks. Esimene avastatud magnetiline aine, magnetiit, on ferriit ja seda peeti algselt ferromagnetiks. Louis Neel aga lükkas selle ümber, avastades ferrimagnetismi.
Kui ferromagnet või ferrimagnet on piisav alt väike, toimib see ühe magnetilise spinina, mis allub Browni liikumisele. Selle reaktsioon magnetväljale on kvalitatiivselt sarnane paramagneti omaga, kuid palju enamat.
Elektromagnetid
Elektromagnet on magnet, milles elektrivool tekitab magnetvälja. Magnetväli kaob, kui vool välja lülitatakse. Elektromagnetid koosnevad tavaliselt suurest hulgast tihed alt asetsevatest juhtmekeerdudest, mis tekitavad magnetvälja. Traadipoolid on sageli keritud ümber ferromagnetilisest või ferrimagnetilisest materjalist valmistatud magnetsüdamiku.materjal, näiteks raud; magnetsüdamik koondab magnetvoo ja loob tugevama magneti.
Elektromagneti peamine eelis püsimagneti ees on see, et magnetvälja saab kiiresti muuta, reguleerides mähises oleva elektrivoolu suurust. Erinev alt püsimagnetist, mis ei vaja toidet, vajab elektromagnet magnetvälja säilitamiseks pidevat vooluvarustust.
Elektromagneteid kasutatakse laialdaselt muude elektriseadmete (nt mootorid, generaatorid, releed, solenoidid, kõlarid, kõvakettad, MRI-seadmed, teaduslikud instrumendid ja magneteraldusseadmed) komponentidena. Elektromagneteid kasutatakse tööstuses ka raskete raudesemete, nagu vanametalli ja terase, haaramiseks ja liigutamiseks. Elektromagnetism avastati 1820. aastal. Samal ajal avaldati esimene materjalide klassifikatsioon magnetiliste omaduste järgi.
