Magnetne lastnosti materiala so razred fizikalnih pojavov, ki jih posredujejo polja. Električni tokovi in magnetni momenti elementarnih delcev ustvarjajo polje, ki deluje na druge tokove. Najbolj znani učinki se pojavljajo v feromagnetnih materialih, ki jih magnetna polja močno privlačijo in se lahko trajno magnetizirajo, kar ustvarja nabita polja sama.
Le nekaj snovi je feromagnetnih. Za določitev stopnje razvoja tega pojava v določeni snovi obstaja razvrstitev materialov glede na magnetne lastnosti. Najpogostejši so železo, nikelj in kob alt ter njihove zlitine. Predpona fero- se nanaša na železo, ker so trajni magnetizem najprej opazili v praznem železu, obliki naravne železove rude, imenovani magnetne lastnosti materiala, Fe3O4.
paramagnetni materiali
Čepravferomagnetizem je odgovoren za večino učinkov magnetizma, s katerimi se srečujemo v vsakdanjem življenju, na vse druge materiale do neke mere vpliva polje, pa tudi nekatere druge vrste magnetizma. Paramagnetne snovi, kot sta aluminij in kisik, slabo privlačijo uporabljeno magnetno polje. Diamagnetne snovi, kot sta baker in ogljik, se slabo odbijajo.
Medtem ko imajo antiferomagnetni materiali, kot so krom in spin stekla, bolj zapleten odnos z magnetnim poljem. Moč magneta na paramagnetnih, diamagnetnih in antiferomagnetnih materialih je običajno prešibka, da bi jo občutili in jo je mogoče zaznati le z laboratorijskimi instrumenti, zato te snovi niso vključene na seznam materialov, ki imajo magnetne lastnosti.
pogoji
Magnetno stanje (ali faza) materiala je odvisno od temperature in drugih spremenljivk, kot sta tlak in uporabljeno magnetno polje. Material lahko kaže več kot eno obliko magnetizma, ko se te spremenljivke spreminjajo.
Zgodovina
Magnetne lastnosti materiala so bile prvič odkrite v starodavnem svetu, ko so ljudje opazili, da lahko magneti, naravno magnetizirani kosi mineralov, privlačijo železo. Beseda "magnet" izvira iz grškega izraza Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnezijev kamen, nožni kamen".
V stari Grčiji je Aristotel pripisal prvo, čemur bi lahko rekli znanstvena razprava o magnetnih lastnostih materialov,filozof Thales iz Mileta, ki je živel od leta 625 pr. e. pred letom 545 pr e. Starodavno indijsko medicinsko besedilo Sushruta Samhita opisuje uporabo magnetita za odstranjevanje puščic, vgrajenih v človeško telo.
starodavna Kitajska
Na starodavni Kitajski je najzgodnejše literarno sklicevanje na električne in magnetne lastnosti materialov v knjigi iz 4. stoletja pr. Najstarejša omemba privlačnosti igle je v delu iz 1. stoletja Lunheng (Uravnotežene zahteve): "Magnet privlači iglo."
Kitajski znanstvenik iz 11. stoletja Shen Kuo je bil prva oseba, ki je v eseju Dream Pool opisala magnetni kompas z iglo in da je izboljšal natančnost navigacije z astronomskimi metodami. koncept pravega severa. Do 12. stoletja je bilo znano, da so Kitajci uporabljali magnetni kompas za navigacijo. Vodilno žlico so oblikovali iz kamna, tako da je ročaj žlice vedno obrnjen proti jugu.
srednji vek
Alexander Neckam je bil leta 1187 prvi v Evropi, ki je opisal kompas in njegovo uporabo za navigacijo. Ta raziskovalec je prvič v Evropi temeljito ugotovil lastnosti magnetnih materialov. Leta 1269 je Peter Peregrine de Maricourt napisal Epistola de magnete, prvo ohranjeno razpravo, ki opisuje lastnosti magnetov. Leta 1282 je lastnosti kompasa in materialov s posebnimi magnetnimi lastnostmi opisal al-Ašraf, jemenski fizik, astronom in geograf.
renesansa
Leta 1600 je William Gilbert objavilnjegov »Magnetni korpus« in »Magnetni telur« (»O magnetu in magnetnih telesih ter tudi o velikem zemeljskem magnetu«). V tem prispevku opisuje številne svoje poskuse s svojo vzorčno zemljo, imenovano terela, s katero je izvajal raziskave o lastnostih magnetnih materialov.
Iz svojih poskusov je prišel do zaključka, da je Zemlja sama magnetna in da so zato kompasi usmerjeni proti severu (prej so nekateri verjeli, da je to polna zvezda (Polaris) ali velik magnetni otok na severu Palica, ki je pritegnila kompas).
Nov čas
Razumevanje razmerja med elektriko in materiali s posebnimi magnetnimi lastnostmi se je pojavilo leta 1819 v delu Hansa Christiana Oersteda, profesorja na univerzi v Københavnu, ki je z nenamernim trzanjem igle kompasa v bližini žice odkril, da električni tok lahko ustvari magnetno polje. Ta pomemben eksperiment je znan kot Oerstedov eksperiment. Sledilo je več drugih poskusov z André-Mariejem Ampèreom, ki je leta 1820 odkril, da je magnetno polje, ki kroži v zaprti poti, povezano s tokom, ki teče po obodu poti.
Carl Friedrich Gauss se je ukvarjal s študijem magnetizma. Jean-Baptiste Biot in Felix Savart sta leta 1820 pripravila Biot-Savartov zakon, ki daje želeno enačbo. Michael Faraday, ki je leta 1831 odkril, da časovno spremenljiv magnetni tok skozi zanko žice povzroča napetost. In drugi znanstveniki so odkrili nadaljnje povezave med magnetizmom in elektriko.
XX stoletje in našečas
James Clerk Maxwell je sintetiziral in razširil to razumevanje Maxwellovih enačb z združitvijo elektrike, magnetizma in optike na področju elektromagnetizma. Leta 1905 je Einstein uporabil te zakone, da bi motiviral svojo teorijo posebne relativnosti z zahtevo, da zakoni veljajo v vseh inercialnih referenčnih okvirih.
Elektromagnetizem se je še naprej razvijal v 21. stoletje in je bil vključen v bolj temeljne teorije merilne teorije, kvantne elektrodinamike, elektrošibke teorije in končno v standardni model. Danes znanstveniki že z vso močjo preučujejo magnetne lastnosti nanostrukturiranih materialov. Toda največja in najbolj neverjetna odkritja na tem področju so verjetno še pred nami.
Essence
Magnetne lastnosti materialov so predvsem posledica magnetnih momentov orbitalnih elektronov njihovih atomov. Magnetni momenti atomskih jeder so običajno tisočkrat manjši od elektronov, zato so v kontekstu magnetizacije materialov zanemarljivi. Jedrski magnetni momenti so kljub temu zelo pomembni v drugih kontekstih, zlasti v jedrski magnetni resonanci (NMR) in slikanju z magnetno resonanco (MRI).
Običajno je ogromno število elektronov v materialu razporejeno tako, da so njihovi magnetni momenti (tako orbitalni kot notranji) izničeni. Do neke mere je to posledica dejstva, da se elektroni združujejo v parih z nasprotnimi lastnimi magnetnimi momenti kot rezultat Paulijevega principa (glej Konfiguracija elektronov) in se združujejo v napolnjene podlupine z ničelnim neto orbitalnim gibanjem.
BV obeh primerih elektroni pretežno uporabljajo vezja, v katerih magnetni moment vsakega elektrona izniči nasprotni moment drugega elektrona. Poleg tega, tudi če je konfiguracija elektronov taka, da obstajajo neparni elektroni in/ali nenapolnjene podlupine, se pogosto zgodi, da bodo različni elektroni v trdni snovi prispevali magnetne momente, ki kažejo v različnih, naključnih smereh, tako da material ne bo magnetno.
Včasih spontano ali zaradi uporabljenega zunanjega magnetnega polja se magnetni momenti vsakega od elektronov v povprečju poravnajo. Pravi material lahko nato ustvari močno neto magnetno polje.
Magnetno obnašanje materiala je odvisno od njegove strukture, zlasti od njegove elektronske konfiguracije, zaradi zgoraj navedenih razlogov, in tudi od temperature. Pri visokih temperaturah naključno toplotno gibanje oteži poravnavo elektronov.
Diamagnetizem
Diamagnetizem najdemo v vseh materialih in je težnja materiala, da se upira uporabljenemu magnetnemu polju in zato odbija magnetno polje. Vendar pa v materialu s paramagnetnimi lastnostmi (to je s težnjo po krepitvi zunanjega magnetnega polja) prevladuje paramagnetno obnašanje. Tako je kljub univerzalnemu pojavu diamagnetno obnašanje opaženo le v povsem diamagnetnem materialu. V diamagnetnem materialu ni neparnih elektronov, zato notranji magnetni momenti elektronov ne morejo ustvaritikateri koli učinek glasnosti.
Upoštevajte, da je ta opis samo hevrističen. Bohr-Van Leeuwenov izrek kaže, da je diamagnetizem v skladu s klasično fiziko nemogoč in da je za pravilno razumevanje potreben kvantno mehanski opis.
Upoštevajte, da gredo vsi materiali skozi ta orbitalni odziv. Vendar pa v paramagnetnih in feromagnetnih snoveh diamagnetni učinek zatrejo veliko močnejši učinki, ki jih povzročajo nesparjeni elektroni.
V paramagnetnem materialu so neparni elektroni; to so atomske ali molekularne orbitale z natanko enim elektronom v njih. Medtem ko Paulijevo načelo izključitve zahteva, da imajo parni elektroni svoje lastne ("spin") magnetne momente, usmerjene v nasprotni smeri, zaradi česar se njihova magnetna polja izničijo, lahko neparni elektron svoj magnetni moment poravna v obe smeri. Ko se uporabi zunanje polje, se ti trenutki nagibajo k poravnavi v isti smeri kot uporabljeno polje in ga krepijo.
feromagneti
Feromagnet kot paramagnetna snov ima neparne elektrone. Vendar pa poleg težnje, da je lastni magnetni moment elektronov vzporeden z uporabljenim poljem, v teh materialih obstaja tudi težnja, da se ti magnetni momenti orientirajo vzporedno drug proti drugemu, da bi ohranili stanje zmanjšanega energija. Tako tudi v odsotnosti uporabnega področjamagnetni momenti elektronov v materialu se spontano poravnajo vzporedno drug z drugim.
Vsaka feromagnetna snov ima svojo individualno temperaturo, imenovano Curiejeva temperatura ali Curiejeva točka, nad katero izgubi svoje feromagnetne lastnosti. To je zato, ker toplotna nagnjenost k motnjam prevlada nad zmanjšanjem energije zaradi feromagnetnega reda.
Feromagnetizem se pojavlja le v nekaj snoveh; pogosti so železo, nikelj, kob alt, njihove zlitine in nekatere zlitine redkih zemelj.
Magnetni momenti atomov v feromagnetnem materialu povzročijo, da se obnašajo kot drobni trajni magneti. Držijo se skupaj in se združujejo v majhne regije bolj ali manj enakomerne poravnave, imenovane magnetne domene ali Weissove domene. Magnetne domene lahko opazujemo z uporabo mikroskopa z magnetno silo, da razkrijemo meje magnetnih domen, ki na skici spominjajo na bele črte. Obstaja veliko znanstvenih poskusov, ki lahko fizično pokažejo magnetna polja.
Vloga domen
Ko domena vsebuje preveč molekul, postane nestabilna in se razdeli na dve domeni, poravnani v nasprotnih smereh, da se bolj stabilno držita skupaj, kot je prikazano na desni.
Ko so izpostavljene magnetnemu polju, se meje domen premaknejo tako, da magnetno poravnane domene rastejo in prevladujejo v strukturi (pikčasto rumeno območje), kot je prikazano na levi. Ko se magnetizirajoče polje odstrani, se domene morda ne bodo vrnile v nemagnetizirano stanje. To vodi doker je feromagnetni material magnetiziran in tvori trajni magnet.
Ko je bila magnetizacija dovolj močna, da se je prevladujoča domena prekrivala z vsemi drugimi, kar je privedlo do nastanka samo ene ločene domene, je bil material magnetno nasičen. Ko se magnetizirani feromagnetni material segreje na temperaturo Curiejeve točke, se molekule mešajo do točke, ko magnetne domene izgubijo organizacijo in magnetne lastnosti, ki jih povzročajo, prenehajo. Ko se material ohladi, se ta struktura poravnave domen spontano vrne, približno podobno, kako lahko tekočina zamrzne v kristalno trdno snov.
Antiferromagnetiki
V antiferomagnetu, za razliko od feromagneta, so lastni magnetni momenti sosednjih valenčnih elektronov usmerjeni v nasprotni smeri. Ko so vsi atomi v snovi razporejeni tako, da so vsi sosedi antiparalelni, je snov antiferomagnetna. Antiferomagneti imajo neto magnetni moment nič, kar pomeni, da ne ustvarjajo polja.
Antiferromagneti so redkejši od drugih vrst obnašanja in jih najpogosteje opazimo pri nizkih temperaturah. Pri različnih temperaturah imajo antiferomagneti diamagnetne in feromagnetne lastnosti.
V nekaterih materialih so sosednji elektroni raje usmerjeni v nasprotni smeri, vendar ni geometrijske ureditve, v kateri bi bil vsak par sosedov protiporavnan. Imenuje se vrtljivo steklo inje primer geometrijske frustracije.
Magnetne lastnosti feromagnetnih materialov
Tako kot feromagnetizem, ferimagneti ohranijo svojo magnetizacijo v odsotnosti polja. Vendar pa, tako kot antiferomagneti, sosednji pari elektronskih vrtljajev ponavadi kažejo v nasprotni smeri. Ti dve lastnosti si ne nasprotujeta, ker je pri optimalni geometrijski razporeditvi magnetni moment iz podmreže elektronov, ki kaže v isto smer, večji kot iz podmreže, ki kaže v nasprotni smeri.
Večina feritov je ferimagnetnih. Magnetne lastnosti feromagnetnih materialov danes veljajo za nesporne. Prva odkrita magnetna snov, magnetit, je ferit in je prvotno veljalo, da je feromagnet. Vendar je Louis Neel to ovrgel z odkritjem ferimagnetizma.
Ko je feromagnet ali ferimagnet dovolj majhen, deluje kot en sam magnetni spin, ki je podvržen Brownovemu gibanju. Njegov odziv na magnetno polje je kvalitativno podoben odzivu paramagneta, vendar veliko več.
Elektromagneti
Elektromagnet je magnet, v katerem magnetno polje ustvarja električni tok. Magnetno polje izgine, ko se tok izklopi. Elektromagneti so običajno sestavljeni iz velikega števila tesno razporejenih zavojev žice, ki ustvarjajo magnetno polje. Žične tuljave so pogosto navite okoli magnetnega jedra iz feromagnetnega ali ferimagnetnega materiala.material, kot je železo; magnetno jedro koncentrira magnetni tok in ustvari močnejši magnet.
Glavna prednost elektromagneta pred trajnim magnetom je, da se magnetno polje lahko hitro spremeni z nadzorom količine električnega toka v navitju. Vendar za razliko od trajnega magneta, ki ne potrebuje električne energije, elektromagnet zahteva neprekinjeno dovajanje toka za vzdrževanje magnetnega polja.
Elektromagneti se pogosto uporabljajo kot sestavni deli drugih električnih naprav, kot so motorji, generatorji, releji, solenoidi, zvočniki, trdi diski, MRI stroji, znanstveni instrumenti in oprema za magnetno ločevanje. Elektromagneti se uporabljajo tudi v industriji za prijemanje in premikanje težkih železnih predmetov, kot sta odpadna kovina in jeklo. Elektromagnetizem so odkrili leta 1820. Hkrati je bila objavljena prva klasifikacija materialov glede na magnetne lastnosti.
