Материалдың магниттік қасиеттері – өрістер арқылы жүретін физикалық құбылыстар класы. Элементар бөлшектердің электр токтары мен магниттік моменттері басқа токтарға әсер ететін өрісті тудырады. Ең таныс әсерлер магниттік өрістермен қатты тартылатын және зарядталған өрістердің өздерін тудыратын тұрақты магниттелетін ферромагниттік материалдарда пайда болады.
Тек аз ғана заттар ферромагниттік. Белгілі бір заттағы бұл құбылыстың даму деңгейін анықтау үшін магниттік қасиеттері бойынша материалдардың классификациясы бар. Ең көп таралғандары темір, никель және кобальт және олардың қорытпалары. Ферро- префиксі темірге қатысты, өйткені тұрақты магнетизм алғаш рет бос темірде байқалды, бұл материалдың магниттік қасиеттері Fe3O4 деп аталатын табиғи темір рудасының түрі.
Парамагниттік материалдар
Бірақферромагнетизм күнделікті өмірде кездесетін магнетизм әсерлерінің көпшілігіне жауап береді, барлық басқа материалдар белгілі бір дәрежеде өріс әсер етеді, сондай-ақ магнетизмнің кейбір басқа түрлері. Алюминий және оттегі сияқты парамагниттік заттар қолданылған магнит өрісіне әлсіз тартылады. Мыс және көміртек сияқты диамагниттік заттар әлсіз итереді.
Хром және айналдыру көзілдірігі сияқты антиферромагниттік материалдар магнит өрісімен күрделірек қатынасқа ие. Магниттің парамагниттік, диамагниттік және антиферромагниттік материалдардағы күші әдетте сезілу үшін тым әлсіз және оны тек зертханалық аспаптар арқылы анықтауға болады, сондықтан бұл заттар магниттік қасиеттері бар материалдар тізіміне кірмейді.
Шарттар
Материалдың магниттік күйі (немесе фазасы) температураға және қысым мен қолданылатын магнит өрісі сияқты басқа айнымалыларға байланысты. Бұл айнымалылар өзгерген кезде материал магнетизмнің бірнеше түрін көрсете алады.
Тарих
Материалдың магниттік қасиеттері алғаш рет ежелгі дүниеде адамдар магниттер, табиғи магниттелген минералдар бөліктері темірді тарта алатынын байқаған кезде ашылды. «Магнит» сөзі гректің Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, «магний тасы, табан тасы» деген сөзінен шыққан.
Ежелгі Грецияда Аристотель материалдардың магниттік қасиеттері туралы ғылыми пікірталас деп атауға болатын бірінші пікірді,625 жылы өмір сүрген философ Фалес Милетский. e. 545 жылға дейін e. Ежелгі үнді медициналық мәтіні Сушрута Самхита адам денесіне салынған көрсеткілерді алып тастау үшін магнетиттің қолданылуын сипаттайды.
Ежелгі Қытай
Ежелгі Қытайда материалдардың электрлік және магниттік қасиеттері туралы ең алғашқы әдеби сілтеме біздің дәуірімізге дейінгі 4 ғасырда оның авторы «Елестер алқабының данышпаны» атты кітапта кездеседі. Инені тарту туралы ең алғашқы сөз 1-ші ғасырдағы Лунхенг (Балансталған сұраныстар) еңбегінде: «Магнит инені тартады.»
11 ғасырдағы қытай ғалымы Шен Куо «Арман бассейні» эссесінде инесі бар магниттік компасты және астрономиялық әдістер арқылы навигация дәлдігін жақсартқанын сипаттаған бірінші адам болды. шынайы солтүстік ұғымы. 12 ғасырда қытайлықтар навигация үшін магниттік компасты пайдаланғаны белгілі болды. Олар бағыттаушы қасықты тастан жасап, қасықтың сабы әрқашан оңтүстікке қаратылды.
Орта ғасыр
Александр Неккам 1187 жылы Еуропада бірінші болып компасты және оның навигация үшін қолданылуын сипаттады. Бұл зерттеуші Еуропада алғаш рет магниттік материалдардың қасиеттерін мұқият анықтады. 1269 жылы Питер Перегрин де Марикур магниттердің қасиеттерін сипаттайтын алғашқы аман қалған трактатты Эпистол де магнитті жазды. 1282 жылы компастардың және ерекше магниттік қасиеттері бар материалдардың қасиеттерін йемендік физик, астроном және географ әл-Ашраф сипаттаған.
Ренессанс
1600 жылы Уильям Гилберт жарияладыоның «Магниттік корпус» және «Магниттік теллур» («Магниттік және магниттік денелер туралы, сонымен қатар Ұлы Жер магниті туралы»). Бұл мақалада ол магниттік материалдардың қасиеттеріне зерттеу жүргізген террелла деп аталатын жер моделімен жасаған көптеген тәжірибелерін сипаттайды.
Тәжірибелерінің нәтижесінде ол Жердің өзі магнитті және сондықтан компастар солтүстікке бағытталған деген қорытындыға келді (бұрын кейбіреулер бұл полюс жұлдызы (Полярия) немесе солтүстіктегі үлкен магниттік арал деп есептеген Компасты тартатын полюс).
Жаңа уақыт
Электр мен ерекше магниттік қасиеттері бар материалдар арасындағы байланыс туралы түсінік 1819 жылы Копенгаген университетінің профессоры Ганс Кристиан Эрстедтің жұмысында пайда болды, ол компас инесін кездейсоқ сымның қасында электр тогы соғуы мүмкін екенін байқаған. ток магнит өрісін тудыруы мүмкін. Бұл маңызды эксперимент Oersted эксперименті ретінде белгілі. 1820 жылы тұйық жолда айналатын магнит өрісі жолдың периметрі бойынша ағып жатқан токпен байланысты екенін анықтаған Андре-Мари Ампермен тағы бірнеше тәжірибелер жүргізілді.
Карл Фридрих Гаусс магнетизмді зерттеумен айналысқан. Жан-Батист Био мен Феликс Саварт 1820 жылы қажетті теңдеуді беретін Био-Саварт заңын ойлап тапты. Майкл Фарадей 1831 жылы сым тізбегі арқылы уақыт бойынша өзгеретін магнит ағыны кернеу тудыратынын ашты. Ал басқа ғалымдар магнетизм мен электр арасындағы қосымша байланыстарды тапты.
XX ғасыр және біздіңуақыт
Джеймс Клерк Максвелл электромагнетизм саласындағы электр, магнетизм және оптиканы біріктіру арқылы Максвелл теңдеулері туралы осы түсінікті синтездеді және кеңейтті. 1905 жылы Эйнштейн осы заңдарды барлық инерциялық санақ жүйелерінде заңдардың дұрыс сақталуын талап ету арқылы өзінің арнайы салыстырмалылық теориясын ынталандыру үшін пайдаланды.
Электромагнетизм 21 ғасырға дейін дами берді, ол өлшеуіштер теориясының, кванттық электродинамиканың, электр әлсіз теориясының және ең соңында стандартты модельдің неғұрлым іргелі теорияларына қосылды. Қазіргі уақытта ғалымдар наноқұрылымды материалдардың магниттік қасиеттерін күшті және негізгі түрде зерттеп жатыр. Бірақ бұл саладағы ең үлкен және таңғажайып жаңалықтар әлі алда болуы мүмкін.
Эссенция
Материалдардың магниттік қасиеттері негізінен олардың атомдарының орбиталық электрондарының магниттік моменттеріне байланысты. Атом ядроларының магниттік моменттері әдетте электрондардыкінен мыңдаған есе аз, сондықтан материалдардың магниттелуі жағдайында олар шамалы. Ядролық магниттік моменттердің басқа контексттерде, әсіресе ядролық магниттік резонансты (ЯМР) және магниттік-резонансты бейнелеуде (МРТ) өте маңызды.
Әдетте материалдағы электрондардың үлкен саны олардың магниттік моменттері (орбиталық және ішкі) жойылатындай етіп орналасады. Бұл белгілі бір дәрежеде электрондардың Паули принципінің нәтижесінде (Электрон конфигурациясын қараңыз) қарама-қарсы меншікті магниттік моменттері бар жұптасып бірігуімен және нөлдік таза орбиталық қозғалысы бар толтырылған ішкі қабықтарға бірігуімен байланысты.
БЕкі жағдайда да электрондар негізінен әрбір электронның магниттік моменті басқа электронның қарама-қарсы моменті арқылы жойылатын тізбектерді пайдаланады. Оның үстіне, электронды конфигурациясы жұпталмаған электрондар және/немесе толтырылмаған ішкі қабаттар болатындай болса да, қатты денедегі әртүрлі электрондар әртүрлі кездейсоқ бағыттарды көрсететін магниттік моменттерді қосатын жағдай жиі кездеседі, осылайша материал өзгермейді. магниттік.
Кейде өздігінен немесе қолданылған сыртқы магнит өрісінің әсерінен электрондардың магниттік моменттерінің әрқайсысы орта есеппен сәйкес келеді. Дұрыс материал күшті таза магнит өрісін жасай алады.
Материалдың магниттік әрекеті оның құрылымына, атап айтқанда оның электрондық конфигурациясына, жоғарыда келтірілген себептерге байланысты, сондай-ақ температураға байланысты. Жоғары температурада кездейсоқ жылулық қозғалыс электрондардың туралануын қиындатады.
Диамагнетизм
Диамагнетизм барлық материалдарда кездеседі және материалдың қолданылған магнит өрісіне қарсы тұру, сондықтан магнит өрісін кері қайтару үрдісі. Алайда, парамагниттік қасиеттері бар материалда (яғни сыртқы магнит өрісін күшейту үрдісі бар) парамагниттік мінез-құлық басым болады. Осылайша, әмбебап пайда болуына қарамастан, диамагниттік мінез-құлық тек таза диамагнитті материалда байқалады. Диамагниттік материалда жұпталмаған электрондар жоқ, сондықтан электрондардың меншікті магниттік моменттерікез келген дыбыс әсері.
Бұл сипаттама тек эвристикалық сипаттамаға арналғанын ескеріңіз. Бор-Ван Левен теоремасы диамагнетизм классикалық физика бойынша мүмкін емес екенін және дұрыс түсіну кванттық механикалық сипаттаманы қажет ететінін көрсетеді.
Барлық материалдар осы орбиталық жауап арқылы өтетінін ескеріңіз. Дегенмен, парамагниттік және ферромагниттік заттарда диамагниттік әсер жұпталмаған электрондар тудыратын әлдеқайда күшті әсерлер арқылы басылады.
Парамагниттік материалда жұпталмаған электрондар бар; яғни бір электроны бар атомдық немесе молекулалық орбитальдар. Паулиді алып тастау принципі жұптастырылған электрондардың қарама-қарсы бағытта бағытталған магниттік моменттерінің болуын талап етсе де, олардың магнит өрістерінің жойылуына әкелетін болса, жұпталмаған электрон өзінің магниттік моментін кез келген бағытта теңестіре алады. Сыртқы өріс қолданылғанда, бұл сәттер қолданылған өріспен бір бағытта тураланып, оны күшейтеді.
Ферромагнетиктер
Ферромагнетиктің парамагниттік зат ретінде жұпталмаған электрондары бар. Алайда, электрондардың меншікті магниттік моментінің қолданылатын өріске параллель болу тенденциясымен қатар, бұл материалдарда төмендетілген күйді сақтау үшін осы магниттік моменттердің бір-біріне параллель бағдарлану үрдісі де бар. энергия. Осылайша, қолданбалы өріс болмаған жағдайда даматериалдағы электрондардың магниттік моменттері бір-біріне өздігінен параллель болады.
Әрбір ферромагниттік заттың Кюри температурасы немесе Кюри нүктесі деп аталатын жеке температурасы болады, одан жоғары ферромагниттік қасиеттерін жоғалтады. Себебі термиялық тәртіпсіздікке бейімділік ферромагниттік тәртіпке байланысты энергияның азаюын жояды.
Ферромагнетизм тек бірнеше заттарда болады; темір, никель, кобальт, олардың қорытпалары және кейбір сирек жер қорытпалары кең таралған.
Ферромагниттік материалдағы атомдардың магниттік моменттері олардың кішкентай тұрақты магниттер сияқты әрекет етуіне себеп болады. Олар бір-біріне жабысып, магниттік домендер немесе Вайсс домендері деп аталатын азды-көпті біркелкі теңестірілетін шағын аймақтарға біріктіріледі. Эскиздегі ақ сызықтарға ұқсайтын магниттік домен шекараларын ашу үшін магниттік күш микроскопының көмегімен магниттік домендерді байқауға болады. Магниттік өрістерді физикалық түрде көрсете алатын көптеген ғылыми тәжірибелер бар.
Домендердің рөлі
Доменде тым көп молекула болса, ол тұрақсыз болады және оң жақта көрсетілгендей бір-біріне тұрақтырақ жабысу үшін қарама-қарсы бағытта реттелген екі доменге бөлінеді.
Магниттік өріс әсер еткенде, домен шекаралары сол жақта көрсетілгендей магниттік реттелген домендер өсіп, құрылымда үстемдік ететіндей (нүктелі сары аймақ) қозғалады. Магниттеу өрісі жойылған кезде домендер магниттелмеген күйге оралмауы мүмкін. Бұл әкеледіөйткені ферромагниттік материал магниттеліп, тұрақты магнит түзеді.
Магниттелу жеткілікті күшті болғанда, доминантты домен басқалардың барлығымен қабаттасып, бір ғана жеке доменнің пайда болуына әкелді, материал магниттік қаныққан. Магниттелген ферромагниттік материал Кюри температурасына дейін қызған кезде, молекулалар магниттік домендердің ұйымдасуын және олар тудыратын магниттік қасиеттерін жоғалтатын нүктеге дейін араласады. Материал салқындатылған кезде, бұл доменді туралау құрылымы сұйықтықтың кристалды қатты затқа айналу жолына шамамен ұқсас, өздігінен оралады.
Антиферромагниттік
Антиферромагнетикте, ферромагнетиктен айырмашылығы, көрші валенттік электрондардың меншікті магниттік моменттері қарама-қарсы бағытта болады. Барлық атомдар бір затта әрбір көрші параллельге қарсы болатындай орналасса, зат антиферромагниттік болады. Антиферромагнетиктердің таза магниттік моменті нөлге тең, яғни олар өріс жасамайды.
Антиферромагнетиктер мінез-құлықтың басқа түрлеріне қарағанда сирек кездеседі және көбінесе төмен температурада байқалады. Әртүрлі температурада антиферромагнетиктер диамагниттік және ферромагниттік қасиеттерді көрсетеді.
Кейбір материалдарда көрші электрондар қарама-қарсы бағыттарды көрсетуді қалайды, бірақ көршілес әрбір жұп қарама-қарсы тураланатын геометриялық орналасу жоқ. Ол айналмалы шыны деп аталады жәнегеометриялық бұзылыстың мысалы болып табылады.
Ферромагниттік материалдардың магниттік қасиеттері
Ферромагнетизм сияқты, ферримагнетиктер өріс жоқ кезде магниттелуін сақтайды. Алайда, антиферромагнетиктер сияқты, электрон спиндерінің көршілес жұптары қарама-қарсы бағыттарды көрсетеді. Бұл екі қасиет бір-біріне қайшы келмейді, өйткені оңтайлы геометриялық орналасуда бір бағытта бағытталған электрондардың ішкі торының магниттік моменті қарама-қарсы бағытты көрсететін ішкі тордан үлкен болады.
Ферриттердің көпшілігі ферримагниттік. Ферромагниттік материалдардың магниттік қасиеттері бүгінгі күні даусыз деп саналады. Алғашқы ашылған магниттік зат, магнетит, феррит және бастапқыда ферромагнетик деп есептелді. Алайда Луи Нил ферримагнетизмді ашу арқылы мұны жоққа шығарды.
Ферромагнетик немесе ферримагнетик жеткілікті кішкентай болғанда, ол броундық қозғалысқа бағынатын жалғыз магниттік айналу ретінде әрекет етеді. Оның магнит өрісіне реакциясы парамагнетикке сапа жағынан ұқсас, бірақ әлдеқайда көп.
Электромагниттер
Электромагнит – электр тогы әсерінен магнит өрісі пайда болатын магнит. Ток өшірілген кезде магнит өрісі жоғалады. Электромагниттер әдетте магнит өрісін тудыратын бір-біріне жақын орналасқан сымдардың үлкен санынан тұрады. Сым катушкалар жиі ферромагниттік немесе ферримагниттік материалдан жасалған магниттік өзекке оралады.темір сияқты материал; магниттік ядро магнит ағынын шоғырландырады және күштірек магнит жасайды.
Электромагниттің тұрақты магнитке қарағанда басты артықшылығы – орамдағы электр тогының мөлшерін бақылау арқылы магнит өрісін тез өзгертуге болады. Дегенмен, қуатты қажет етпейтін тұрақты магнитке қарағанда, электромагнит магнит өрісін ұстап тұру үшін үздіксіз ток беруді қажет етеді.
Электромагнетиктер қозғалтқыштар, генераторлар, релелер, электромагниттер, дыбыс зорайтқыштар, қатты дискілер, МРТ машиналары, ғылыми аспаптар және магниттік бөлу жабдықтары сияқты басқа электр құрылғыларының құрамдас бөліктері ретінде кеңінен қолданылады. Электромагниттер өнеркәсіпте металл сынықтары мен болат сияқты ауыр темір заттарды ұстау және жылжыту үшін де қолданылады. Электромагнитизм 1820 жылы ашылды. Сонымен бірге магниттік қасиеттері бойынша материалдардың алғашқы классификациясы жарияланды.
