Материалдын магниттик касиеттери – талаалар аркылуу болгон физикалык кубулуштардын классы. Элементардык бөлүкчөлөрдүн электр тогу жана магниттик моменттери башка токтарга таасир этүүчү талааны пайда кылат. Эң тааныш эффекттер ферромагниттик материалдарда пайда болот, алар магниттик талаалар тарабынан катуу тартылып, биротоло магниттелиши мүмкүн жана заряддалган талааларды өздөрү жаратат.
Бир нече гана заттар ферромагниттик. Белгилүү бир затта бул кубулуштун өнүгүү деңгээлин аныктоо үчүн материалдардын магниттик касиеттери боюнча классификациясы бар. Эң кеңири таралгандары темир, никель жана кобальт жана алардын эритмелери. Ferro- префикси темирге тиешелүү, анткени туруктуу магнетизм биринчи жолу бош темирде байкалган, бул материалдын магниттик касиеттери Fe3O4 деп аталган табигый темир рудасынын түрү.
Парамагниттик материалдар
Бирокferromagnetism күнүмдүк жашоодо кездешүүчү магнетизмдин көпчүлүк таасирине жооп берет, бардык башка материалдар кандайдыр бир деңгээлде талаадан, ошондой эле магнетизмдин башка түрлөрүнөн таасир этет. Алюминий жана кычкылтек сыяктуу парамагниттик заттар колдонулган магнит талаасына начар тартылат. Жез жана көмүртек сыяктуу диамагниттик заттар начар түртөт.
Хром жана спиндик айнек сыяктуу антиферромагниттик материалдар магнит талаасы менен татаалыраак байланышка ээ. Магниттин парамагниттик, диамагниттик жана антиферромагниттик материалдардагы күчү адатта өтө алсыз жана аны лабораториялык аспаптар гана аныктоого болот, андыктан бул заттар магниттик касиетке ээ материалдардын тизмесине кирбейт.
Шарттар
Материалдын магниттик абалы (же фазасы) температурага жана басым жана колдонулган магнит талаасы сыяктуу башка өзгөрмөлөргө көз каранды. Бул өзгөрмөлөр өзгөргөндө материал магнетизмдин бир нече түрүн көрсөтө алат.
Тарых
Материалдын магниттик касиеттери биринчи жолу байыркы дүйнөдө адамдар магниттер, табигый магниттелген минералдар темирди тарта аларын байкашканда ачылган. "Магнит" деген сөз гректин Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "магнезиялык таш, таман таш" деген сөзүнөн келип чыккан.
Байыркы Грецияда Аристотель материалдардын магниттик касиеттери жөнүндө илимий талкуу деп атоого боло турган биринчи нерсени,Биздин заманга чейинки 625-жылы жашаган философ Фалес Милетский. д. 545-жылга чейин д. Байыркы Индиянын медициналык тексти Сушрута Самхита адамдын денесине орнотулган жебелерди алып салуу үчүн магнетитти колдонууну сүрөттөйт.
Байыркы Кытай
Байыркы Кытайда материалдардын электрдик жана магниттик касиеттери жөнүндөгү эң алгачкы адабий шилтеме биздин заманга чейинки 4-кылымда анын авторунун «Арбактар өрөөнүнүн даанышманы» аттуу китепте табылган. Ийне тартуу жөнүндө эң алгачкы сөз 1-кылымдагы Лунхенг (Балансталган өтүнүчтөр): "Магнит ийнени өзүнө тартат."
11-кылымдагы кытай окумуштуусу Шен Куо ийне менен магниттик компасты жана астрономиялык ыкмалар аркылуу навигациянын тактыгын жакшыртканын Dream Pool эссесинде биринчи жолу сүрөттөгөн адам болгон. чыныгы түндүк түшүнүгү. 12-кылымда кытайлар навигация үчүн магниттик компасты колдонушканы белгилүү болгон. Алар кашыктын сабы дайыма түштүктү көрсөтүп тургандай кылып таштан жасалган.
Орто кылымдар
Александр Неккам 1187-жылы Европада биринчилерден болуп компасты жана анын навигация үчүн колдонулушун сүрөттөгөн. Бул изилдөөчү Европада биринчи жолу магниттик материалдардын касиеттерин кылдат аныктаган. 1269-жылы Питер Перегрин де Марикур магниттердин касиеттерин сүрөттөгөн биринчи трактат болгон Эпистол де магнитти жазган. 1282-жылы компастардын жана өзгөчө магниттик касиеттери бар материалдардын касиеттерин йемендик физик, астроном жана географ аль-Ашраф сүрөттөгөн.
Ренессанс
1600-жылы Уильям Гилберт басылгананын «Магниттик корпус» жана «Магниттик теллур» («Магниттик жана магниттик телолор жөнүндө, ошондой эле Улуу Жер магнити жөнүндө»). Бул макалада ал магниттик материалдардын касиеттери боюнча изилдөө жүргүзгөн террелла деп аталган жер модели менен жасаган көптөгөн эксперименттерин сүрөттөйт.
Өзүнүн эксперименттеринен ал Жердин өзү магниттик жана ушундан улам компастар түндүктү көрсөтүп турат деген жыйынтыкка келген (мурда айрымдар бул уюл жылдызы (Полярия) же түндүктөгү чоң магниттик арал деп эсептешкен Компасты тарткан уюл).
Жаңы убакыт
Электр энергиясы менен өзгөчө магниттик касиетке ээ материалдардын ортосундагы байланышты түшүнүү 1819-жылы Копенгаген университетинин профессору Ганс Кристиан Оерстеддин эмгегинде пайда болгон, ал компас ийнесин кокусунан зымдын жанында булгап, электр энергиясы менен жабдылышын ачкан. ток магнит талаасын түзө алат. Бул маанилүү эксперимент Oersted Experiment деп аталат. Андан кийин Андре-Мари Ампер менен дагы бир нече эксперименттер жасалды, ал 1820-жылы жабык трассада айлануучу магнит талаасы жолдун периметри боюнча агып жаткан ток менен байланыштуу экенин ачкан.
Карл Фридрих Гаусс магнетизмди изилдөө менен алектенген. 1820-жылы Жан-Батист Био жана Феликс Саварт каалаган теңдемени берген Биот-Саварт мыйзамын ойлоп табышты. Майкл Фарадей, 1831-жылы зымдын цикли аркылуу убакыт боюнча өзгөрүп туруучу магнит агымы чыңалууну пайда кылганын ачкан. Ал эми башка илимпоздор магнетизм менен электрдин ортосундагы байланышты табышкан.
XX кылымдын жана биздинубакыт
Джеймс Клерк Максвелл Максвеллдин теңдемелеринин бул түшүнүгүн электромагнетизм тармагында электрди, магнетизмди жана оптиканы бириктирүү аркылуу синтездеген жана кеңейткен. 1905-жылы Эйнштейн бул мыйзамдарды өзүнүн өзгөчө салыштырмалуулук теориясына түрткү берүү үчүн колдонгон жана мыйзамдардын бардык инерциялык таяныч системаларында туура болушун талап кылган.
Электромагнетизм 21-кылымга карай эволюциясын улантып, ченегичтер теориясынын, кванттык электродинамикасынын, электр алсыз теориясынын жана акырында стандарттык моделдин негизги теорияларына кошулду. Бүгүнкү күндө илимпоздор наноструктуралык материалдардын магниттик касиеттерин күчтүү жана негизги менен изилдеп жатышат. Бирок бул тармактагы эң чоң жана эң таң калыштуу ачылыштар али алдыда болушу мүмкүн.
Эссенция
Материалдардын магниттик касиеттери негизинен алардын атомдорунун орбиталык электрондорунун магниттик моменттерине байланыштуу. Атомдук ядролордун магниттик моменттери, адатта, электрондукунан миң эсе кичине, ошондуктан материалдардын магниттелүүсүнүн контекстинде алар анчалык деле жок. Бирок ядролук магниттик момент башка контексттерде, өзгөчө ядролук магниттик резонанс (ЯМР) жана магниттик-резонанстык томографияда (MRI) абдан маанилүү.
Адаттагыдай, материалдагы электрондордун эбегейсиз саны алардын магниттик моменттери (орбиталдык да, ички да) жокко чыгарыла тургандай жайгаштырылат. Бул кандайдыр бир деңгээлде электрондордун Паули принцибинин натыйжасында карама-каршы ички магниттик моменттери менен жупташып биригиши (Электрондук конфигурацияны караңыз) жана нөлдүк таза орбиталык кыймылы бар толтурулган ички кабыктарга биригиши менен шартталган.
БЭки учурда тең электрондор негизинен ар бир электрондун магниттик моменти башка электрондун карама-каршы моменти менен жокко чыгарылган схемаларды колдонушат. Андан тышкары, электрондун конфигурациясы жупташкан электрондор жана/же толтурулбаган ички кабыкчалар болгондо да, көп учурда катуу заттын ар кандай электрондору магниттик моменттерге көмөктөшүп, ар кандай, туш келди багыттарды көрсөтүп, материал болуп калбайт. магниттик.
Кээде өзүнөн-өзү же колдонулган тышкы магнит талаасынан улам, электрондордун ар бир магниттик моменттери орто эсеп менен тизилип калат. Анда туура материал күчтүү таза магнит талаасын түзө алат.
Материалдын магниттик кыймыл-аракети анын түзүлүшүнө, атап айтканда, анын электрондук конфигурациясына, жогоруда келтирилген себептерден, ошондой эле температурадан көз каранды. Жогорку температурада кокус жылуулук кыймылы электрондордун тегиздөөсүн кыйындатат.
Диамагнетизм
Диамагнетизм бардык материалдарда кездешет жана материалдын колдонулган магнит талаасына туруштук берүү тенденциясы, демек, магнит талаасын түртөт. Бирок, парамагниттик касиетке ээ (б.а. тышкы магнит талаасын бекемдөө тенденциясы бар) материалда парамагниттик жүрүм-турум басымдуулук кылат. Ошентип, универсалдуу пайда болгонуна карабастан, диамагниттик жүрүм-турум таза диамагниттик материалда гана байкалат. Диамагниттик материалда жупташкан электрондор жок, ошондуктан электрондордун ички магниттик моменттери түзө албайт.каалаган үн эффектиси.
Бул сүрөттөмө эвристикалык үчүн гана арналганын эске алыңыз. Бор-Ван Левен теоремасы диамагнетизм классикалык физика боюнча мүмкүн эмес экенин жана туура түшүнүү үчүн кванттык механикалык сүрөттөлүштү талап кылаарын көрсөтөт.
Бардык материалдар бул орбиталык жооп аркылуу өтөт. Бирок, парамагниттик жана ферромагниттик заттарда диамагниттик эффект жупташтырылбаган электрондордон келип чыккан бир топ күчтүүрөөк эффекттер менен басылып калат.
Парамагниттик материалда жупташкан электрондор бар; башкача айтканда, атомдук же молекулалык орбитальдарда так бир электрон бар. Паули жокко чыгаруу принциби жупташкан электрондордун карама-каршы багыттарды көрсөткөн магниттик моменттерине ээ болушун талап кылса, алардын магниттик талаалары жокко чыгарылса, жупташкан электрон өзүнүн магниттик моментин эки тарапка тең тегиздей алат. Тышкы талаа колдонулганда, бул көз ирмемдер колдонулган талаа менен бир багытта тегиздеп, аны бекемдейт.
Ферромагнетиктер
Ферромагнетиктин парамагниттик зат катары жупташкан электрондору бар. Бирок бул материалдарда электрондордун ички магниттик моментинин колдонулган талаага параллель болуу тенденциясынан тышкары, бул магниттик моменттердин кыскартылган абалын сактоо үчүн бири-бирине параллель багыт алуу тенденциясы да бар. энергия. Ошентип, колдонулуучу талаа жок болсо даматериалдагы электрондордун магниттик моменттери стихиялуу түрдө бири-бирине параллель түзүлөт.
Ар бир ферромагниттик заттын Кюри температурасы же Кюри чекити деп аталган өзүнүн жеке температурасы бар, андан жогору ал өзүнүн ферромагниттик касиетин жоготот. Себеби ферромагниттик тартипке байланыштуу энергиянын азайышы баш аламандыкка жылуулук тенденциясын ашырат.
Ферромагнетизм бир нече заттарда гана кездешет; темир, никель, кобальт, алардын эритмелери жана кээ бир сейрек кездешүүчү эритмелер кеңири таралган.
Ферромагниттик материалдагы атомдордун магниттик моменттери алардын кичинекей туруктуу магниттердей иштешине себеп болот. Алар бири-бирине жабышып, магниттик домендер же Вайсс домендери деп аталган аздыр-көптүр бирдей тегиздөөнүн чакан аймактарына биригишет. Эскиздеги ак сызыктарга окшош магниттик домен чектерин ачуу үчүн магниттик күч микроскоптун жардамы менен магниттик домендерди байкоого болот. Магниттик талааларды физикалык жактан көрсөтө алган көптөгөн илимий эксперименттер бар.
Домендердин ролу
Домен өтө көп молекулаларды камтыса, ал туруксуз болуп калат жана оң жакта көрсөтүлгөндөй туруктуураак жабышып калуу үчүн карама-каршы багытта тегизделген эки доменге бөлүнөт.
Магниттик талаага дуушар болгондо, домендин чек аралары сол жакта көрсөтүлгөндөй, магниттик тегизделген домендер чоңоюп, структурада үстөмдүк кылгандай жылат (чекиттүү сары аймак). Магниттөө талаасы алынып салынганда, домендер магниттелбеген абалга кайтып келбеши мүмкүн. Бул алып келетанткени ферромагниттик материал магниттелип, туруктуу магнитти түзөт.
Магниттештирүү жетишерлик күчтүү болгондо, үстөмдүк кылуучу домен бардык башка домендерди каптап, бир гана өзүнчө домендин пайда болушуна алып келди, материал магниттик каныккан. Магниттелген ферромагниттик материал Кюри чекитинин температурасына чейин ысытылганда, молекулалар магниттик домендер уюштурууну жана алар пайда кылган магниттик касиеттерин жогото турган чекке чейин аралашат. Материал муздаганда, бул доменди тегиздөө структурасы өзүнөн-өзү кайтып келет, бул суюктуктун кристаллдык катуу затка кантип тоңушуна окшош.
Антиферромагниттик
Антиферромагнетикте, ферромагнетиктен айырмаланып, кошуна валенттүү электрондордун ички магниттик моменттери карама-каршы багытта болот. Бардык атомдор бир заттын ичинде ар бир кошуна антипараллель болуп жайгашса, зат антиферромагниттик болот. Антиферромагнетиктердин таза магниттик моменти нөлгө барабар, демек алар талаа түзбөйт.
Антиферромагнетиктер жүрүм-турумдун башка түрлөрүнө караганда сейрек кездешет жана көбүнчө төмөнкү температурада байкалат. Ар кандай температурада антиферромагнетиктер диамагниттик жана ферромагниттик касиеттерди көрсөтөт.
Кээ бир материалдарда кошуна электрондор карама-каршы багытта ишарат кылууну артык көрүшөт, бирок кошуналардын ар бир түгөйү тегизделген геометриялык түзүлүш жок. Бул айланма айнек жана деп аталатгеометриялык нааразычылыктын мисалы.
Ферромагниттик материалдардын магниттик касиеттери
Ферромагнетизм сыяктуу, ферримагнетиктер талаа жок болгон учурда магниттелүүсүн сактап калат. Бирок, антиферромагнетиктер сыяктуу эле, электрон спиндердин чектеш жуптары карама-каршы багытта ишарат кылат. Бул эки касиет бири-бирине карама-каршы келбейт, анткени оптималдуу геометриялык түзүлүштө бир багытты караган электрондордун ички торчосунун магниттик моменти карама-каршы багытты көрсөткөн кошумча торчодон чоңураак.
Ферриттердин көбү ферримагниттүү. Бүгүнкү күндө ферромагниттик материалдардын магниттик касиеттери талашсыз деп эсептелет. Биринчи ачылган магниттик зат, магнетит, феррит жана алгач ферромагнетик деп эсептелген. Бирок Луис Нил ферримагнетизмди ачып, муну жокко чыгарды.
Ферромагнетик же ферримагнетик жетишерлик кичинекей болгондо, ал броундук кыймылга баш ийген бир магниттик спин катары иштейт. Анын магнит талаасына реакциясы сапаттык жактан парамагнетиктикине окшош, бирок андан да көп.
Электромагниттер
Электромагнит – бул электр тогу аркылуу магнит талаасы пайда болгон магнит. Ток өчүрүлгөндө магнит талаасы жок болот. Электромагниттер, адатта, магнит талаасын түзүүчү зымдардын бири-бирине жакын жайгашкан көп сандагы бурулуштарынан турат. Зым катушкалар көбүнчө ферромагниттик же ферримагниттик материалдан жасалган магниттик өзөккө оролот.темир сыяктуу материал; магниттик өзөк магнит агымын топтоп, күчтүү магнитти жаратат.
Электромагниттин туруктуу магнитке караганда негизги артыкчылыгы – орогучтагы электр тогунун көлөмүн көзөмөлдөө аркылуу магнит талаасын тез өзгөртүүгө болот. Бирок, кубат талап кылбаган туруктуу магниттен айырмаланып, электромагнит магнит талаасын кармап туруу үчүн токтун үзгүлтүксүз камсыздалышын талап кылат.
Электромагниттер кыймылдаткычтар, генераторлор, релелер, электромагниттер, үн күчөткүчтөр, катуу дисктер, MRI машиналары, илимий аспаптар жана магниттик бөлүү жабдуулары сыяктуу башка электрдик түзүлүштөрдүн компоненттери катары кеңири колдонулат. Электромагниттер өнөр жайда металл сыныктары жана болот сыяктуу оор темир буюмдарды кармап, жылдыруу үчүн да колдонулат. Электромагнитизм 1820-жылы ачылган. Ошол эле учурда магниттик касиеттери боюнча материалдардын биринчи классификациясы жарыяланды.
