Magnetiske egenskaper til et materiale er en klasse av fysiske fenomener formidlet av felt. Elektriske strømmer og magnetiske momenter av elementærpartikler genererer et felt som virker på andre strømmer. De mest kjente effektene oppstår i ferromagnetiske materialer, som er sterkt tiltrukket av magnetiske felt og kan bli permanent magnetisert, og skaper selv de ladede feltene.
Bare noen få stoffer er ferromagnetiske. For å bestemme utviklingsnivået av dette fenomenet i et bestemt stoff, er det en klassifisering av materialer i henhold til magnetiske egenskaper. De vanligste er jern, nikkel og kobolt og deres legeringer. Prefikset ferro- refererer til jern fordi permanent magnetisme først ble observert i tomt jern, en form for naturlig jernmalm som kalles materialets magnetiske egenskaper, Fe3O4.
Paramagnetiske materialer
Skjøntferromagnetisme er ansvarlig for de fleste effektene av magnetisme som oppstår i hverdagen, alle andre materialer påvirkes av feltet til en viss grad, så vel som noen andre typer magnetisme. Paramagnetiske stoffer som aluminium og oksygen er svakt tiltrukket av et påført magnetfelt. Diamagnetiske stoffer som kobber og karbon avviser svakt.
Mens antiferromagnetiske materialer som krom og spinnglass har et mer komplekst forhold til magnetfeltet. Styrken til en magnet på paramagnetiske, diamagnetiske og antiferromagnetiske materialer er vanligvis for svak til å merkes og kan bare oppdages av laboratorieinstrumenter, så disse stoffene er ikke inkludert i listen over materialer som har magnetiske egenskaper.
Betingelser
Den magnetiske tilstanden (eller fasen) til et materiale avhenger av temperatur og andre variabler som trykk og påført magnetfelt. Et materiale kan vise mer enn én form for magnetisme ettersom disse variablene endres.
Historie
De magnetiske egenskapene til et materiale ble først oppdaget i den antikke verden da folk la merke til at magneter, naturlig magnetiserte biter av mineraler, kunne tiltrekke seg jern. Ordet "magnet" kommer fra det greske uttrykket Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesiansk stein, fotstein".
I antikkens Hellas tilskrev Aristoteles den første av det som kan kalles en vitenskapelig diskusjon om de magnetiske egenskapene til materialer,filosof Thales av Milet, som levde fra 625 f. Kr. e. før 545 f. Kr e. Den gamle indiske medisinske teksten Sushruta Samhita beskriver bruken av magnetitt for å fjerne piler innebygd i menneskekroppen.
Det gamle Kina
I det gamle Kina finnes den tidligste litterære referansen til de elektriske og magnetiske egenskapene til materialer i en bok fra 400-tallet f. Kr. oppk alt etter forfatteren, The Sage of the Valley of Ghosts. Den tidligste omtale av nåleattraksjon er i 1. århundres arbeid Lunheng (Balanced Requests): "Magneten tiltrekker nålen."
Den kinesiske vitenskapsmannen Shen Kuo fra 1000-tallet var den første personen som beskrev - i Dream Pool Essay - et magnetisk kompass med en nål, og at det forbedret nøyaktigheten til navigering gjennom astronomiske metoder. konseptet sann nord. På 1100-tallet var kineserne kjent for å bruke magnetkompasset til navigering. De laget styreskjeen av stein slik at håndtaket på skjeen alltid peker sørover.
middelalder
Alexander Neckam, i 1187, var den første i Europa som beskrev kompasset og dets bruk for navigering. Denne forskeren for første gang i Europa etablerte grundig egenskapene til magnetiske materialer. I 1269 skrev Peter Peregrine de Maricourt Epistola de magnete, den første overlevende avhandlingen som beskrev egenskapene til magneter. I 1282 ble egenskapene til kompasser og materialer med spesielle magnetiske egenskaper beskrevet av al-Ashraf, en jemenittisk fysiker, astronom og geograf.
Renaissance
I 1600 publiserte William Gilberthans "Magnetic Corpus" og "Magnetic Tellurium" ("On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet"). I denne artikkelen beskriver han mange av sine eksperimenter med sin modelljord, k alt terrella, som han forsket på egenskapene til magnetiske materialer med.
Fra sine eksperimenter kom han til den konklusjon at jorden i seg selv er magnetisk og at det er grunnen til at kompass pekte nordover (tidligere trodde noen at det var polstjernen (Polaris) eller en stor magnetisk øy i nord Stang som tiltrakk kompasset).
Ny tid
Forståelse av forholdet mellom elektrisitet og materialer med spesielle magnetiske egenskaper dukket opp i 1819 i arbeidet til Hans Christian Oersted, en professor ved Københavns Universitet, som oppdaget ved et uhell å rykke i en kompassnål nær en ledning at en elektrisk strøm kan skape et magnetfelt. Dette landemerkeeksperimentet er kjent som Oersted-eksperimentet. Flere andre eksperimenter fulgte med André-Marie Ampère, som oppdaget i 1820 at et magnetfelt som sirkulerte i en lukket bane var relatert til en strøm som flyter rundt banens omkrets.
Carl Friedrich Gauss var engasjert i studiet av magnetisme. Jean-Baptiste Biot og Felix Savart i 1820 kom opp med Biot-Savart-loven, som gir den ønskede ligningen. Michael Faraday, som oppdaget i 1831 at en tidsvarierende magnetisk fluks gjennom en ledningsløkke forårsaket en spenning. Og andre forskere har funnet ytterligere sammenhenger mellom magnetisme og elektrisitet.
XX århundre og vårttid
James Clerk Maxwell syntetiserte og utvidet denne forståelsen av Maxwells ligninger ved å forene elektrisitet, magnetisme og optikk innen elektromagnetisme. I 1905 brukte Einstein disse lovene for å motivere sin teori om spesiell relativitet ved å kreve at lovene gjelder i alle treghetsreferanserammer.
Elektromagnetisme har fortsatt å utvikle seg inn i det 21. århundre, og har blitt innlemmet i de mer grunnleggende teoriene om måleteori, kvanteelektrodynamikk, den elektrosvake teorien og til slutt standardmodellen. I dag studerer forskere allerede de magnetiske egenskapene til nanostrukturerte materialer med makt og hoved. Men de største og mest fantastiske funnene på dette feltet ligger sannsynligvis fortsatt foran oss.
Essence
De magnetiske egenskapene til materialer skyldes hovedsakelig de magnetiske momentene til baneelektronene til atomene deres. De magnetiske momentene til atomkjerner er vanligvis tusenvis av ganger mindre enn de til elektroner, og derfor er de ubetydelige i sammenheng med magnetisering av materialer. Kjernemagnetiske momenter er likevel svært viktige i andre sammenhenger, spesielt innen kjernemagnetisk resonans (NMR) og magnetisk resonansavbildning (MRI).
Vanligvis er det enorme antallet elektroner i et materiale ordnet på en slik måte at deres magnetiske momenter (både orbitale og interne) blir ugyldig. Til en viss grad skyldes dette at elektroner kombineres i par med motsatte iboende magnetiske momenter som et resultat av Pauli-prinsippet (se Elektronkonfigurasjon) og kombineres til fylte underskall med null netto banebevegelse.
BI begge tilfeller bruker elektronene hovedsakelig kretser der det magnetiske momentet til hvert elektron blir kansellert av det motsatte øyeblikket til det andre elektronet. Dessuten, selv når elektronkonfigurasjonen er slik at det er uparrede elektroner og/eller ufylte underskall, er det ofte slik at forskjellige elektroner i et fast stoff vil bidra med magnetiske momenter som peker i forskjellige, tilfeldige retninger, slik at materialet ikke blir magnetisk.
Noen ganger, enten spontant eller på grunn av et påført eksternt magnetfelt, vil hvert av elektronenes magnetiske momenter ligge på linje i gjennomsnitt. Riktig materiale kan da skape et sterkt nettmagnetisk felt.
Den magnetiske oppførselen til et materiale avhenger av dets struktur, spesielt av dets elektroniske konfigurasjon, av grunnene gitt ovenfor, og også av temperaturen. Ved høye temperaturer gjør tilfeldig termisk bevegelse det vanskelig for elektronene å justere.
Diamagnetism
Diamagnetisme finnes i alle materialer og er et materiales tendens til å motstå et påført magnetfelt og derfor frastøte magnetfeltet. I et materiale med paramagnetiske egenskaper (det vil si med en tendens til å forsterke et eksternt magnetfelt) dominerer imidlertid den paramagnetiske oppførselen. Til tross for den universelle forekomsten, observeres diamagnetisk oppførsel kun i et rent diamagnetisk materiale. Det er ingen uparrede elektroner i et diamagnetisk materiale, så de iboende magnetiske momentene til elektroner kan ikke skapehvilken som helst volumeffekt.
Vær oppmerksom på at denne beskrivelsen kun er ment som en heuristikk. Bohr-Van Leeuwen-teoremet viser at diamagnetisme er umulig i henhold til klassisk fysikk, og at en korrekt forståelse krever en kvantemekanisk beskrivelse.
Merk at alt materiale går gjennom denne orbitale responsen. Men i paramagnetiske og ferromagnetiske stoffer undertrykkes den diamagnetiske effekten av mye sterkere effekter forårsaket av uparrede elektroner.
Det er uparrede elektroner i et paramagnetisk materiale; det vil si atom- eller molekylære orbitaler med nøyaktig ett elektron i seg. Mens Pauli-eksklusjonsprinsippet krever at sammenkoblede elektroner har sine egne ("spin") magnetiske momenter som peker i motsatte retninger, noe som får magnetfeltene deres til å oppheve, kan et uparet elektron justere sitt magnetiske moment i begge retninger. Når et eksternt felt brukes, vil disse momentene ha en tendens til å justere seg i samme retning som det påførte feltet, og forsterke det.
Ferromagnets
En ferromagnet, som et paramagnetisk stoff, har uparrede elektroner. Men i tillegg til tendensen til elektronenes iboende magnetiske moment til å være parallell med det påførte feltet, er det i disse materialene også en tendens til at disse magnetiske momentene orienterer seg parallelt med hverandre for å opprettholde en redusert tilstand. energi. Dermed selv i fravær av et anvendt feltde magnetiske momentene til elektronene i materialet justeres spontant parallelt med hverandre.
Hvert ferromagnetiske stoff har sin egen individuelle temperatur, k alt Curie-temperaturen, eller Curie-punktet, over hvilket det mister sine ferromagnetiske egenskaper. Dette er fordi den termiske tendensen til uorden overvelder reduksjonen i energi på grunn av ferromagnetisk orden.
Ferromagnetisme forekommer bare i noen få stoffer; jern, nikkel, kobolt, deres legeringer og noen sjeldne jordartslegeringer er vanlige.
De magnetiske øyeblikkene til atomer i et ferromagnetisk materiale får dem til å oppføre seg som bittesmå permanentmagneter. De henger sammen og kombineres til små områder med mer eller mindre jevn justering k alt magnetiske domener eller Weiss-domener. Magnetiske domener kan observeres ved hjelp av et magnetisk kraftmikroskop for å avsløre magnetiske domenegrenser som ligner hvite linjer i en skisse. Det er mange vitenskapelige eksperimenter som fysisk kan vise magnetiske felt.
Role of domains
Når et domene inneholder for mange molekyler, blir det ustabilt og deler seg i to domener justert i motsatte retninger for å holde sammen mer stabilt, som vist til høyre.
Når de utsettes for et magnetisk felt, beveger domenegrensene seg slik at magnetisk justerte domener vokser og dominerer strukturen (prikket gult område), som vist til venstre. Når magnetiseringsfeltet fjernes, kan det hende at domenene ikke går tilbake til en ikke-magnetisert tilstand. Dette leder tilfordi det ferromagnetiske materialet er magnetisert, og danner en permanent magnet.
Når magnetiseringen var sterk nok til at det dominerende domenet overlappet alle de andre, noe som førte til dannelsen av bare ett separat domene, ble materialet magnetisk mettet. Når et magnetisert ferromagnetisk materiale varmes opp til Curie-punkttemperaturen, blandes molekylene til det punktet hvor de magnetiske domenene mister organisering og de magnetiske egenskapene de forårsaker opphører. Når materialet er avkjølt, returnerer denne domenejusteringsstrukturen spontant, omtrent analogt med hvordan en væske kan fryse til et krystallinsk fast stoff.
Antiferromagnetics
I en antiferromagnet, i motsetning til en ferromagnet, har de iboende magnetiske momentene til nærliggende valenselektroner en tendens til å peke i motsatte retninger. Når alle atomene er ordnet i et stoff slik at hver nabo er antiparallell, er stoffet antiferromagnetisk. Antiferromagneter har et netto magnetisk moment på null, noe som betyr at de ikke lager et felt.
Antiferromagneter er sjeldnere enn andre typer atferd og observeres oftest ved lave temperaturer. Ved forskjellige temperaturer viser antiferromagneter diamagnetiske og ferromagnetiske egenskaper.
I noen materialer foretrekker naboelektroner å peke i motsatte retninger, men det er ikke noe geometrisk arrangement der hvert par av naboer er anti-justert. Det kalles spin glass oger et eksempel på geometrisk frustrasjon.
Magnetiske egenskaper til ferromagnetiske materialer
I likhet med ferromagnetisme beholder ferrimagneter sin magnetisering i fravær av et felt. Imidlertid, som antiferromagneter, har tilstøtende par av elektronspinn en tendens til å peke i motsatte retninger. Disse to egenskapene motsier ikke hverandre fordi, i et optim alt geometrisk arrangement, er det magnetiske momentet fra et subgitter av elektroner som peker i samme retning større enn fra et subgitter som peker i motsatt retning.
De fleste ferritter er ferrimagnetiske. De magnetiske egenskapene til ferromagnetiske materialer i dag anses som ubestridelige. Det første magnetiske stoffet som ble oppdaget, magnetitt, er en ferritt og ble opprinnelig antatt å være en ferromagnet. Louis Neel motbeviste imidlertid dette ved å oppdage ferrimagnetisme.
Når en ferromagnet eller ferrimagnet er liten nok, fungerer den som et enkelt magnetisk spinn som er utsatt for Brownsk bevegelse. Dens respons på et magnetfelt er kvalitativt lik den til en paramagnet, men mye mer.
Elektromagneter
En elektromagnet er en magnet der et magnetfelt skapes av en elektrisk strøm. Magnetfeltet forsvinner når strømmen slås av. Elektromagneter består vanligvis av et stort antall tettliggende ledningssvinger som skaper et magnetfelt. Trådspoler er ofte viklet rundt en magnetisk kjerne laget av ferromagnetisk eller ferrimagnetisk materiale.et materiale som jern; den magnetiske kjernen konsentrerer den magnetiske fluksen og skaper en sterkere magnet.
Den største fordelen med en elektromagnet fremfor en permanent magnet er at magnetfeltet raskt kan endres ved å kontrollere mengden elektrisk strøm i viklingen. I motsetning til en permanent magnet, som ikke krever strøm, krever en elektromagnet en kontinuerlig tilførsel av strøm for å opprettholde magnetfeltet.
Elektromagneter er mye brukt som komponenter i andre elektriske enheter som motorer, generatorer, releer, solenoider, høyttalere, harddisker, MR-maskiner, vitenskapelige instrumenter og magnetisk separasjonsutstyr. Elektromagneter brukes også i industrien for å gripe og flytte tunge jerngjenstander som skrapmetall og stål. Elektromagnetisme ble oppdaget i 1820. Samtidig ble den første klassifiseringen av materialer etter magnetiske egenskaper publisert.
