Az anyagok mágneses tulajdonságai a mezők által közvetített fizikai jelenségek osztálya. Az elemi részecskék elektromos áramai és mágneses nyomatékai olyan mezőt hoznak létre, amely más áramokra hat. A legismertebb hatások a ferromágneses anyagokban jelentkeznek, amelyeket erősen vonzanak a mágneses mezők, és tartósan mágneseződnek, így maguk a töltött mezők jönnek létre.
Csak néhány anyag ferromágneses. Ennek a jelenségnek egy adott anyagban való fejlettségi szintjének meghatározásához az anyagokat mágneses tulajdonságok szerint osztályozzák. A legelterjedtebb a vas, a nikkel és a kob alt, valamint ötvözeteik. A ferro- előtag a vasra vonatkozik, mivel az állandó mágnesességet először üres vasban figyelték meg, a természetes vasérc egy formáját, amelyet az anyag mágneses tulajdonságainak neveznek, Fe3O4.
Paramágneses anyagok
Bára ferromágnesesség felelős a mágnesesség mindennapi életben tapasztalható hatásainak nagy részéért, minden más anyagra bizonyos mértékig hatással van a tér, valamint néhány más típusú mágnesességre is. A paramágneses anyagok, például az alumínium és az oxigén gyengén vonzódnak az alkalmazott mágneses térhez. A diamágneses anyagok, például a réz és a szén gyengén taszítják.
Míg az antiferromágneses anyagok, például a króm és a forgóüvegek bonyolultabb kapcsolatban állnak a mágneses térrel. A paramágneses, diamágneses és antiferromágneses anyagokon lévő mágnesek erőssége általában túl gyenge ahhoz, hogy érezhető legyen, és csak laboratóriumi műszerekkel lehet kimutatni, ezért ezek az anyagok nem szerepelnek a mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok listáján.
Feltételek
Az anyag mágneses állapota (vagy fázisa) a hőmérséklettől és más változóktól, például a nyomástól és az alkalmazott mágneses tértől függ. Egy anyag több mágneses formát mutathat, ahogy ezek a változók változnak.
Előzmények
Egy anyagok mágneses tulajdonságait először az ókori világban fedezték fel, amikor az emberek észrevették, hogy a mágnesek, az ásványok természetesen mágnesezett darabjai vonzzák a vasat. A „mágnes” szó a görög Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos kifejezésből származik, „magnéziás kő, lábkő”.
Az ókori Görögországban Arisztotelész az anyagok mágneses tulajdonságairól folytatott tudományos vitának tulajdonította az elsőt,a milétoszi Thalész filozófus, aki ie 625-től élt. e. Kr.e. 545 előtt e. Az ősi indiai Sushruta Samhita orvosi szöveg leírja a magnetit használatát az emberi testbe ágyazott nyilak eltávolítására.
Ősi Kína
Az ókori Kínában az anyagok elektromos és mágneses tulajdonságaira vonatkozó legkorábbi irodalmi utalás egy Kr.e. 4. századi könyvben található, amelyet szerzőjéről, a Szellemek Völgyének bölcséről neveztek el. A tűvonzás legkorábbi említése az 1. századi Lunheng (Kiegyensúlyozott kérések) című műben található: "A mágnes vonzza a tűt."
A 11. századi kínai tudós, Shen Kuo volt az első ember, aki a Dream Pool Essében leírt egy tűvel ellátott mágneses iránytűt, amely csillagászati módszerekkel javította a navigáció pontosságát. az igazi észak fogalma. A 12. században a kínaiak már a mágneses iránytűt használták navigációhoz. A vezetőkanalat kőből úgy alakították ki, hogy a kanál nyele mindig dél felé mutasson.
Középkor
Alexander Neckam, 1187-ben, Európában elsőként írta le az iránytűt és annak navigációs használatát. Ez a kutató Európában először állapította meg alaposan a mágneses anyagok tulajdonságait. 1269-ben Peter Peregrine de Maricourt megírta az Epistola de magnete-t, az első fennmaradt értekezést, amely a mágnesek tulajdonságait írja le. 1282-ben az iránytűk és a különleges mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok tulajdonságait al-Ashraf, egy jemeni fizikus, csillagász és földrajztudós írta le.
Reneszánsz
1600-ban William Gilbert kiadta„Mágneses korpusza” és „Mágneses Tellúr” („A mágnesről és a mágneses testekről, valamint a nagy földmágnesről”). Ebben a cikkben leírja számos kísérletét a földmodelljével, a terrellával, amellyel a mágneses anyagok tulajdonságait vizsgálta.
Kísérleteiből arra a következtetésre jutott, hogy a Föld maga mágneses, ezért az iránytűk észak felé mutattak (korábban egyesek azt hitték, hogy a sarkcsillag (Polaris) vagy egy nagy mágneses sziget északon Pólus, amely vonzotta az iránytűt).
Új idő
Az elektromosság és a különleges mágneses tulajdonságokkal rendelkező anyagok kapcsolatának megértése 1819-ben jelent meg Hans Christian Oersted, a Koppenhágai Egyetem professzorának munkájában, aki az iránytű véletlenül megrántásával egy vezeték közelében felfedezte, hogy egy elektromos az áram mágneses teret hozhat létre. Ez a mérföldkőnek számító kísérlet az Oersted-kísérlet néven ismert. Számos további kísérlet következett André-Marie Ampère-rel, aki 1820-ban felfedezte, hogy a zárt pályán keringő mágneses tér összefüggésben áll a pálya kerülete körül folyó árammal.
Carl Friedrich Gauss a mágnesesség tanulmányozásával foglalkozott. Jean-Baptiste Biot és Felix Savart 1820-ban kidolgozta a Biot-Savart törvényt, amely megadja a kívánt egyenletet. Michael Faraday, aki 1831-ben fedezte fel, hogy egy huzalhurkon keresztül az időben változó mágneses fluxus feszültséget okoz. Más tudósok pedig további összefüggéseket találtak a mágnesesség és az elektromosság között.
XX század és a miidő
James Clerk Maxwell szintetizálta és kiterjesztette a Maxwell-egyenletek megértését az elektromosság, a mágnesesség és az optika egyesítése révén az elektromágnesesség területén. 1905-ben Einstein ezeket a törvényeket használta speciális relativitáselméletének motiválására azzal, hogy megkövetelte, hogy a törvények minden inerciális vonatkoztatási rendszerben igazak legyenek.
Az elektromágnesesség tovább fejlődött a 21. században is, és beépült a mérőeszközelmélet, a kvantumelektrodinamika, az elektrogyenge elmélet és végül a standard modell alapvetőbb elméleteibe. A tudósok manapság már nagy erőkkel vizsgálják a nanostrukturált anyagok mágneses tulajdonságait. De a legnagyobb és legcsodálatosabb felfedezések ezen a területen valószínűleg még előttünk állnak.
Essence
Az anyagok mágneses tulajdonságai főként az atomjaik keringési elektronjainak mágneses momentumaiból adódnak. Az atommagok mágneses momentumai általában több ezerszer kisebbek, mint az elektronoké, ezért elhanyagolhatóak az anyagok mágnesezésével összefüggésben. A nukleáris mágneses momentumok ennek ellenére nagyon fontosak más összefüggésekben, különösen a mágneses magrezonancia (NMR) és a mágneses rezonancia képalkotás (MRI) esetében.
Általában az anyagban lévő hatalmas számú elektron úgy van elrendezve, hogy a mágneses momentumaik (mind a pályán, mind a belsőben) semmissé váljanak. Ez bizonyos mértékig annak a ténynek köszönhető, hogy az elektronok a Pauli-elv eredményeként ellentétes belső mágneses momentumokkal párokban egyesülnek (lásd: Elektronkonfiguráció), és nulla nettó pályamozgással töltött részhéjakká egyesülnek.
BMindkét esetben az elektronok túlnyomórészt olyan áramköröket használnak, amelyekben az egyes elektronok mágneses momentumát a másik elektron ellentétes momentuma kioltja. Sőt, még ha az elektronkonfiguráció olyan is, hogy vannak párosítatlan elektronok és/vagy kitöltetlen alhéjak, gyakran előfordul, hogy a szilárd testben lévő különböző elektronok olyan mágneses momentumokat hoznak létre, amelyek különböző, véletlenszerű irányokba mutatnak, így az anyag nem lesz mágneses.
Néha, akár spontán módon, akár egy alkalmazott külső mágneses tér hatására, az elektronok mágneses momentumai átlagosan felsorakoznak. A megfelelő anyag erős nettó mágneses teret tud létrehozni.
Egy anyag mágneses viselkedése függ a szerkezetétől, különösen az elektronikus konfigurációjától, a fenti okok miatt, valamint a hőmérséklettől. Magas hőmérsékleten a véletlenszerű hőmozgás megnehezíti az elektronok igazodását.
Diamágnesesség
A diamágnesesség minden anyagban megtalálható, és az anyagok azon tendenciája, hogy ellenálljon az alkalmazott mágneses térnek, és ezért taszítsa a mágneses teret. A paramágneses tulajdonságokkal rendelkező (vagyis a külső mágneses teret erősítő hajlamú) anyagokban azonban a paramágneses viselkedés dominál. Így az egyetemes előfordulás ellenére a diamágneses viselkedés csak tisztán diamágneses anyagban figyelhető meg. A diamágneses anyagban nincsenek párosítatlan elektronok, így az elektronok belső mágneses momentumai nem tudnak létrehoznibármilyen hangerő effektus.
Kérjük, vegye figyelembe, hogy ez a leírás csak heurisztikai célokat szolgál. A Bohr-Van Leeuwen tétel azt mutatja, hogy a klasszikus fizika szerint a diamágnesesség lehetetlen, és a helyes megértéshez kvantummechanikai leírásra van szükség.
Ne feledje, hogy minden anyag átmegy ezen a keringési reakción. A paramágneses és ferromágneses anyagokban azonban a diamágneses hatást elnyomják a párosítatlan elektronok által okozott sokkal erősebb hatások.
Egy paramágneses anyagban párosítatlan elektronok vannak; vagyis pontosan egy elektronnal rendelkező atomi vagy molekuláris pályák. Míg a Pauli-kizárási elv megköveteli, hogy a párosított elektronoknak saját ("pörgés") mágneses momentumai legyenek, amelyek ellentétes irányba mutatnak, ami mágneses mezőik kioltását okozza, a párosítatlan elektronok bármelyik irányba állíthatják mágneses momentumait. Amikor egy külső mezőt alkalmazunk, ezek a nyomatékok hajlamosak az alkalmazott mezővel azonos irányban igazodni, erősítve azt.
Ferromágnesek
A ferromágnes, mint paramágneses anyag, párosítatlan elektronokkal rendelkezik. Amellett azonban, hogy az elektronok belső mágneses momentuma párhuzamos az alkalmazott térrel, ezekben az anyagokban az is megvan, hogy ezek a mágneses momentumok egymással párhuzamosan orientálódjanak, hogy fenntartsák a redukált állapotot. energia. Így alkalmazott terület hiányában isaz anyagban lévő elektronok mágneses momentumai spontán módon párhuzamosak egymással.
Minden ferromágneses anyagnak megvan a maga egyedi hőmérséklete, az úgynevezett Curie-hőmérséklet vagy Curie-pont, amely felett elveszti ferromágneses tulajdonságait. Ennek az az oka, hogy a termikus rendezetlenségre való hajlam felülmúlja a ferromágneses rend miatti energiacsökkenést.
Ferromágnesesség csak néhány anyagban fordul elő; a vas, a nikkel, a kob alt, ezek ötvözete és néhány ritkaföldfém ötvözet gyakori.
A ferromágneses anyagokban lévő atomok mágneses momentumai miatt apró állandó mágnesekként viselkednek. Összeragadnak, és kis, többé-kevésbé egyenletes elrendezésű régiókká egyesülnek, amelyeket mágneses doméneknek vagy Weiss-doméneknek neveznek. A mágneses doméneket mágneses erőmikroszkóp segítségével lehet megfigyelni, hogy felfedjék a mágneses tartomány határait, amelyek egy vázlaton lévő fehér vonalakhoz hasonlítanak. Számos tudományos kísérlet létezik, amelyek fizikailag mutathatnak mágneses tereket.
Domainek szerepe
Ha egy tartomány túl sok molekulát tartalmaz, instabillá válik, és két, ellentétes irányban elhelyezkedő doménre bomlik, hogy stabilabban tapadjanak egymáshoz, ahogy a jobb oldalon látható.
Mágneses tér hatásának kitéve a tartományhatárok úgy mozognak, hogy a mágnesesen igazított tartományok növekedjenek, és uralják a szerkezetet (sárga pontozott terület), amint az a bal oldalon látható. A mágnesező mező eltávolításakor előfordulhat, hogy a domének nem térnek vissza nem mágnesezett állapotba. Ez ahhoz vezetmert a ferromágneses anyag mágnesezett, állandó mágnest képezve.
Amikor a mágnesezettség elég erős volt ahhoz, hogy a domináns tartomány átfedje az összes többit, ami csak egy különálló tartomány kialakulásához vezetett, az anyag mágnesesen telített volt. Amikor egy mágnesezett ferromágneses anyagot Curie-pont hőmérsékletre hevítenek, a molekulák addig a pontig keverednek, ahol a mágneses domének elvesztik szerveződésüket, és megszűnnek az általuk okozott mágneses tulajdonságok. Amikor az anyagot lehűtik, ez a tartománybeállítási struktúra spontán módon visszatér, nagyjából analóg módon, ahogy a folyadék kristályos szilárd anyaggá fagyhat meg.
Antiferromágnesesség
Egy antiferromágnesben a ferromágnesekkel ellentétben a szomszédos vegyértékelektronok belső mágneses momentumai hajlamosak ellentétes irányba mutatni. Ha egy anyagban az összes atom úgy van elrendezve, hogy minden szomszédja ellentétes, akkor az anyag antiferromágneses. Az antiferromágnesek nettó mágneses momentuma nulla, ami azt jelenti, hogy nem hoznak létre mezőt.
Az antiferromágnesek ritkábbak, mint más típusú viselkedések, és leggyakrabban alacsony hőmérsékleten figyelhetők meg. Különböző hőmérsékleteken az antiferromágnesek diamágneses és ferromágneses tulajdonságokat mutatnak.
Egyes anyagokban a szomszédos elektronok előszeretettel mutatnak ellentétes irányba, de nincs olyan geometriai elrendezés, amelyben minden szomszédpár ellentétes lenne. Úgy hívják, forgó üveg ésa geometriai frusztráció példája.
Ferromágneses anyagok mágneses tulajdonságai
A ferromágnesességhez hasonlóan a ferrimágnesek is megtartják mágnesezettségüket mező hiányában. Az antiferromágnesekhez hasonlóan azonban a szomszédos elektronspinpárok általában ellentétes irányba mutatnak. Ez a két tulajdonság nem mond ellent egymásnak, mert optimális geometriai elrendezésben az azonos irányba mutató elektronok részrácsából származó mágneses momentum nagyobb, mint az ellenkező irányba mutató részrácsból.
A legtöbb ferrit ferrimágneses. A ferromágneses anyagok mágneses tulajdonságait manapság tagadhatatlannak tartják. Az első felfedezett mágneses anyag, a magnetit egy ferrit, és eredetileg ferromágnesnek gondolták. Louis Neel azonban megcáfolta ezt a ferrimágnesesség felfedezésével.
Ha egy ferromágnes vagy ferrimágnes elég kicsi, egyetlen mágneses spinként működik, amely ki van téve a Brown-mozgásnak. A mágneses térre adott válasza minőségileg hasonló a paramágneséhez, de sokkal több.
Elektromágnesek
Az elektromágnes olyan mágnes, amelyben elektromos áram mágneses teret hoz létre. A mágneses mező eltűnik, ha az áramot kikapcsolják. Az elektromágnesek általában nagyszámú, egymáshoz közel elhelyezkedő huzalfordulatból állnak, amelyek mágneses teret hoznak létre. A huz altekercseket gyakran ferromágneses vagy ferrimágneses anyagból készült mágneses mag köré tekerik.anyag, például vas; a mágneses mag koncentrálja a mágneses fluxust és erősebb mágnest hoz létre.
Az elektromágnes fő előnye az állandó mágnessel szemben, hogy a tekercsben lévő elektromos áram mennyiségének szabályozásával a mágneses mező gyorsan megváltoztatható. Azonban az állandó mágnessel ellentétben, amely nem igényel áramot, az elektromágnesnek folyamatos áramellátásra van szüksége a mágneses tér fenntartásához.
Az elektromágneseket széles körben használják más elektromos eszközök, például motorok, generátorok, relék, mágnesszelepek, hangszórók, merevlemezek, MRI-gépek, tudományos műszerek és mágneses elválasztó berendezések alkatrészeként. Az elektromágneseket az iparban is használják nehéz vastárgyak, például fémhulladék és acél megfogására és mozgatására. Az elektromágnesességet 1820-ban fedezték fel. Ezzel egy időben megjelent az anyagok első osztályozása is a mágneses tulajdonságok szerint.
