Materiaalin magneettiset ominaisuudet ovat kenttien välittämien fysikaalisten ilmiöiden luokka. Alkuainehiukkasten sähkövirrat ja magneettiset momentit synnyttävät kentän, joka vaikuttaa muihin virtoihin. Tutuimmat vaikutukset esiintyvät ferromagneettisissa materiaaleissa, joita magneettikentät houkuttelevat voimakkaasti ja jotka voivat magnetoitua pysyvästi luoden itse varautuneita kenttiä.
Vain harvat aineet ovat ferromagneettisia. Tämän ilmiön kehitystason määrittämiseksi tietyssä aineessa materiaalit luokitellaan magneettisten ominaisuuksien mukaan. Yleisimmät ovat rauta, nikkeli ja koboltti sekä niiden seokset. Etuliite ferro- viittaa rautaan, koska kestomagnetismi havaittiin ensin tyhjässä raudassa, luonnollisen rautamalmin muodossa, jota kutsutaan materiaalin magneettisiksi ominaisuuksiksi, Fe3O4.
Paramagneettiset materiaalit
Tosinferromagnetismi on vastuussa suurimmasta osasta jokapäiväisessä elämässä kohdattavan magnetismin vaikutuksista, kenttä vaikuttaa jossain määrin kaikkiin muihin materiaaleihin, samoin kuin joihinkin muihin magnetismiin. Paramagneettiset aineet, kuten alumiini ja happi, vetäytyvät heikosti käytettyyn magneettikenttään. Diamagneettiset aineet, kuten kupari ja hiili, hylkivät heikosti.
Vaikka antiferromagneettisilla materiaaleilla, kuten kromilla ja spin-laseilla, on monimutkaisempi suhde magneettikenttään. Magneetin vahvuus paramagneettisissa, diamagneettisissa ja antiferromagneettisissa materiaaleissa on yleensä liian heikko tuntumaan, ja se voidaan havaita vain laboratorioinstrumenteilla, joten nämä aineet eivät sisälly luetteloon materiaaleista, joilla on magneettisia ominaisuuksia.
Ehdot
Materiaalin magneettinen tila (tai vaihe) riippuu lämpötilasta ja muista muuttujista, kuten paineesta ja käytetystä magneettikentästä. Materiaalilla voi esiintyä useampaa kuin yhtä magnetismia näiden muuttujien muuttuessa.
Historia
Materiaalin magneettiset ominaisuudet havaittiin ensimmäisen kerran muinaisessa maailmassa, kun ihmiset huomasivat, että magneetit, luonnollisesti magnetoituneet mineraalipalat, voivat vetää puoleensa rautaa. Sana "magneetti" tulee kreikan sanasta Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesilainen kivi, jalkakivi".
Muinaisessa Kreikassa Aristoteles katsoi ensimmäiseksi tieteelliseksi keskusteluksi materiaalien magneettisista ominaisuuksista,filosofi Thales Miletoslainen, joka eli vuodesta 625 eaa. e. ennen vuotta 545 eaa e. Muinainen intialainen lääketieteellinen teksti Sushruta Samhita kuvaa magnetiitin käyttöä ihmiskehoon upottujen nuolien poistamiseen.
Muinainen Kiina
Muinaisessa Kiinassa varhaisin kirjallinen viittaus materiaalien sähköisiin ja magneettisiin ominaisuuksiin löytyy 400-luvulta eKr. kirjasta, joka on nimetty sen kirjoittajan mukaan, The Sage of the Ghosts Valley. Varhaisin maininta neulan vetovoimasta on 1. vuosisadan teoksessa Lunheng (Tasapainoiset pyynnöt): "Magnetti houkuttelee neulaa."
1000-luvun kiinalainen tiedemies Shen Kuo oli ensimmäinen henkilö, joka kuvaili - Dream Pool Essayssa - magneettisen kompassin neulalla ja että se paransi navigoinnin tarkkuutta tähtitieteellisillä menetelmillä. todellisen pohjoisen käsite. 1100-luvulla kiinalaisten tiedettiin käyttäneen magneettikompassia navigointiin. He muotoilivat ohjauslusikan kivestä niin, että lusikan kahva osoittaa aina etelään.
Keskiaika
Alexander Neckam vuonna 1187 kuvaili ensimmäisenä Euroopassa kompassia ja sen käyttöä navigoinnissa. Tämä tutkija selvitti ensimmäistä kertaa Euroopassa perusteellisesti magneettisten materiaalien ominaisuudet. Vuonna 1269 Peter Peregrine de Maricourt kirjoitti Epistola de magneten, ensimmäisen säilyneen tutkielman, joka kuvaa magneettien ominaisuuksia. Vuonna 1282 jemenilainen fyysikko, tähtitieteilijä ja maantieteilijä al-Ashraf kuvasi kompassien ja materiaalien ominaisuudet, joilla on erityisiä magneettisia ominaisuuksia.
Renessanssi
Vuonna 1600 William Gilbert julkaisihänen "Magnetic Corpus" ja "Magnetic Tellurium" ("Magnetilla ja magneettisilla kappaleilla, ja myös suurella maamagneetilla"). Tässä artikkelissa hän kuvaa monia kokeitaan maan mallilla, jota kutsutaan terrellaksi ja joilla hän suoritti tutkimusta magneettisten materiaalien ominaisuuksista.
Kokeillaan hän päätyi siihen johtopäätökseen, että maapallo itsessään on magneettinen ja että siksi kompassit osoittivat pohjoiseen (aiemmin jotkut uskoivat sen olevan napatähti (Polaris) tai suuri magneettinen saari pohjoisessa Napa, joka veti kompassin).
Uusi aika
Ymmärrys sähkön ja materiaalien välisestä suhteesta, joilla on erityisiä magneettisia ominaisuuksia, ilmestyi vuonna 1819 Kööpenhaminan yliopiston professorin Hans Christian Oerstedin teoksessa, joka havaitsi vahingossa nykimällä kompassin neulaa lähellä johdinta, että sähkö virta voi luoda magneettikentän. Tämä maamerkkikoe tunnetaan nimellä Oersted Experiment. Useita muita kokeita seurasi André-Marie Ampère, joka havaitsi vuonna 1820, että suljetussa polussa kiertävä magneettikenttä liittyi polun kehän ympäri kulkevaan virtaan.
Carl Friedrich Gauss oli mukana magnetismin tutkimuksessa. Jean-Baptiste Biot ja Felix Savart keksivät vuonna 1820 Biot-Savartin lain, joka antaa halutun yhtälön. Michael Faraday, joka havaitsi vuonna 1831, että ajassa muuttuva magneettivuo lankasilmukan läpi aiheutti jännitteen. Ja muut tutkijat ovat löytäneet lisää yhteyksiä magnetismin ja sähkön välillä.
XX vuosisadalla ja meidänaika
James Clerk Maxwell syntetisoi ja laajensi Maxwellin yhtälöiden ymmärrystä yhdistämällä sähkön, magnetismin ja optiikan sähkömagnetismin alalla. Vuonna 1905 Einstein käytti näitä lakeja motivoidakseen erityissuhteellisuusteoriaansa vaatimalla, että lait pätevät kaikissa inertiaalisissa viitekehyksessä.
Sähkömagnetismi on jatkanut kehittymistä 2000-luvulle asti, ja se on sisällytetty mittariteorian, kvanttielektrodynamiikan, sähköheikon teorian ja lopulta standardimallin perustavanlaatuisimpiin teorioihin. Nykyään tiedemiehet tutkivat jo nanorakenteisten materiaalien magneettisia ominaisuuksia. Mutta tämän alan suurimmat ja hämmästyttävimmät löydöt ovat todennäköisesti vielä edessämme.
Essence
Materiaalien magneettiset ominaisuudet johtuvat pääasiassa niiden atomien kiertoradan elektronien magneettisista momenteista. Atomiytimien magneettiset momentit ovat yleensä tuhansia kertoja pienempiä kuin elektronien, ja siksi ne ovat mitättömiä materiaalien magnetoitumisen yhteydessä. Ydinmagneettiset momentit ovat kuitenkin erittäin tärkeitä muissa yhteyksissä, erityisesti ydinmagneettisessa resonanssissa (NMR) ja magneettikuvauksessa (MRI).
Yleensä v altava määrä elektroneja materiaalissa on järjestetty siten, että niiden magneettiset momentit (sekä kiertoradalla että sisäiset) mitätöidään. Jossain määrin tämä johtuu siitä, että elektronit yhdistyvät pareittain vastakkaisten sisäisten magneettisten momenttien kanssa Paulin periaatteen seurauksena (katso Elektronikonfiguraatio) ja yhdistyvät täytetyiksi osakuoriksi, joilla ei ole nettoliikettä.
BMolemmissa tapauksissa elektronit käyttävät pääasiassa piirejä, joissa kunkin elektronin magneettinen momentti kumoutuu toisen elektronin vastakkaisella momentilla. Lisäksi vaikka elektronien konfiguraatio on sellainen, että siinä on parittomia elektroneja ja/tai täyttämättömiä alikuoria, on usein niin, että kiinteän aineen eri elektronit aiheuttavat magneettisia momentteja, jotka osoittavat eri satunnaisiin suuntiin, joten materiaali ei magneettinen.
Joskus, joko spontaanisti tai käytetyn ulkoisen magneettikentän vuoksi, kunkin elektronin magneettiset momentit asettuvat keskimäärin kohdakkain. Oikea materiaali voi sitten luoda vahvan nettomagneettikentän.
Materiaalin magneettinen käyttäytyminen riippuu sen rakenteesta, erityisesti sen elektronisesta konfiguraatiosta, edellä mainituista syistä sekä myös lämpötilasta. Korkeissa lämpötiloissa satunnainen lämpöliike vaikeuttaa elektronien kohdistusta.
Diamagnetismi
Diamagnetismia löytyy kaikista materiaaleista, ja se on materiaalin taipumus vastustaa kohdistettua magneettikenttää ja siten torjua magneettikenttää. Kuitenkin materiaalissa, jolla on paramagneettisia ominaisuuksia (eli jolla on taipumus vahvistaa ulkoista magneettikenttää), paramagneettinen käyttäytyminen hallitsee. Täten yleisestä esiintymisestä huolimatta diamagneettista käyttäytymistä havaitaan vain puhtaasti diamagneettisessa materiaalissa. Diamagneettisessa materiaalissa ei ole parittomia elektroneja, joten elektronien luontaiset magneettiset momentit eivät voi luodamikä tahansa äänenvoimakkuustehoste.
Huomaa, että tämä kuvaus on tarkoitettu vain heuristiseksi. Bohr-Van Leeuwenin lause osoittaa, että diamagnetismi on klassisen fysiikan mukaan mahdotonta ja että oikea ymmärtäminen edellyttää kvanttimekaanista kuvausta.
Huomaa, että kaikki materiaalit läpäisevät tämän kiertoradan vasteen. Paramagneettisissa ja ferromagneettisissa aineissa diamagneettista vaikutusta kuitenkin tukahduttavat parittoman elektronin aiheuttamat paljon voimakkaammat vaikutukset.
Paramagneettisessa materiaalissa on parittomia elektroneja; eli atomi- tai molekyyliradat, joissa on täsmälleen yksi elektroni. Vaikka Paulin poissulkemisperiaate edellyttää, että elektronien pareilla on omat ("spin") magneettiset momenttinsa, jotka osoittavat vastakkaisiin suuntiin, mikä saa niiden magneettikentät kumoamaan, pariton elektroni voi kohdistaa magneettisen momenttinsa kumpaan tahansa suuntaan. Kun ulkoista kenttää käytetään, nämä momentit suuntautuvat samaan suuntaan kuin käytetty kenttä, mikä vahvistaa sitä.
Ferromagneetit
Ferromagneetissa, paramagneettisena aineena, on parittomia elektroneja. Kuitenkin sen lisäksi, että elektronien luontainen magneettinen momentti on yhdensuuntainen käytetyn kentän kanssa, näissä materiaaleissa on myös taipumus, että nämä magneettiset momentit suuntautuvat yhdensuuntaisesti toistensa kanssa, jotta ne säilyttävät pelkistyneen tilan. energiaa. Näin ollen myös soveltavan kentän puuttuessamateriaalissa olevien elektronien magneettiset momentit asettuvat spontaanisti rinnakkain toistensa kanssa.
Jokaisella ferromagneettisella aineella on oma yksilöllinen lämpötilansa, jota kutsutaan Curie-lämpötilaksi tai Curie-pisteeksi, jonka yläpuolella se menettää ferromagneettiset ominaisuutensa. Tämä johtuu siitä, että lämpötaipumus häiriöihin ylittää ferromagneettisesta järjestyksestä johtuvan energian vähenemisen.
Ferromagnetismia esiintyy vain muutamissa aineissa; rauta, nikkeli, koboltti, niiden seokset ja jotkut harvinaisten maametallien seokset ovat yleisiä.
Atomien magneettiset momentit ferromagneettisessa materiaalissa saavat ne käyttäytymään kuin pienet kestomagneetit. Ne tarttuvat yhteen ja yhdistyvät pieniksi alueiksi, joilla on enemmän tai vähemmän tasainen kohdistus, joita kutsutaan magneettisiksi alueiksi tai Weiss-alueiksi. Magneettisia domeeneja voidaan tarkkailla magneettisen voimamikroskoopin avulla paljastamaan magneettisen alueen rajat, jotka muistuttavat luonnoksen valkoisia viivoja. On monia tieteellisiä kokeita, jotka voivat näyttää fyysisesti magneettikenttiä.
Verkkotunnusten rooli
Kun verkkoalue sisältää liian monta molekyyliä, se muuttuu epävakaaksi ja jakautuu kahdeksi vastakkaisiin suuntiin kohdistettuun alueeseen, jotta se pysyy yhdessä vakaammin, kuten oikealla näkyy.
Kun ne altistetaan magneettikentälle, verkkoalueen rajat liikkuvat niin, että magneettisesti kohdistetut alueet kasvavat ja hallitsevat rakennetta (keltainen pisteviiva), kuten vasemmalla näkyy. Kun magnetointikenttä poistetaan, domeenit eivät välttämättä palaa magnetisoimattomaan tilaan. Tämä johtaakoska ferromagneettinen materiaali magnetoituu ja muodostaa kestomagneetin.
Kun magnetointi oli tarpeeksi vahva niin, että hallitseva domeeni meni päällekkäin kaikkien muiden kanssa, mikä johti vain yhden erillisen domeenin muodostumiseen, materiaali kyllästyi magneettisesti. Kun magnetoitu ferromagneettinen materiaali kuumennetaan Curie-pisteen lämpötilaan, molekyylit sekoittuvat pisteeseen, jossa magneettiset domeenit menettävät organisoitumisen ja niiden aiheuttamat magneettiset ominaisuudet lakkaavat. Kun materiaali jäähtyy, tämä alueen kohdistusrakenne palautuu spontaanisti, suunnilleen samalla tavalla kuin neste voi jäätyä kiteiseksi kiinteäksi aineeksi.
Antiferromagnetiikka
Antiferromagneetissa, toisin kuin ferromagneetissa, viereisten valenssielektronien sisäiset magneettiset momentit osoittavat vastakkaisiin suuntiin. Kun kaikki atomit on järjestetty aineeseen siten, että jokainen naapuri on antirinnakkais, aine on antiferromagneettinen. Antiferromagneettien nettomagneettinen momentti on nolla, mikä tarkoittaa, että ne eivät luo kenttää.
Antiferromagneetit ovat harvinaisempia kuin muut käyttäytymistyypit, ja niitä havaitaan useimmiten alhaisissa lämpötiloissa. Eri lämpötiloissa antiferromagneeteilla on diamagneettisia ja ferromagneettisia ominaisuuksia.
Joissakin materiaaleissa vierekkäiset elektronit osoittavat mieluummin vastakkaisiin suuntiin, mutta ei ole olemassa geometristä järjestelyä, jossa jokainen naapuripari olisi kohdistamaton. Sitä kutsutaan spin lasiksi jaon esimerkki geometrisestä turhautumisesta.
Ferromagneettisten materiaalien magneettiset ominaisuudet
Ferromagnetismin tavoin ferrimagneetit säilyttävät magnetisoitumisensa ilman kenttää. Kuitenkin, kuten antiferromagneetit, vierekkäiset elektronispin-parit osoittavat vastakkaisiin suuntiin. Nämä kaksi ominaisuutta eivät ole ristiriidassa toistensa kanssa, koska optimaalisessa geometrisessa järjestelyssä samaan suuntaan osoittavien elektronien alihilan magneettinen momentti on suurempi kuin vastakkaiseen suuntaan osoittavasta alihilosta.
Useimmat ferriitit ovat ferrimagneettisia. Ferromagneettisten materiaalien magneettisia ominaisuuksia pidetään nykyään kiistämättöminä. Ensimmäinen löydetty magneettinen aine, magnetiitti, on ferriitti, ja sen uskottiin alun perin olevan ferromagneetti. Louis Neel kuitenkin kiisti tämän löytämällä ferrimagnetismin.
Kun ferromagneetti tai ferrimagneetti on riittävän pieni, se toimii yksittäisenä magneettisena pyörityksenä, joka on alttiina Brownin liikkeelle. Sen vaste magneettikenttään on laadullisesti samanlainen kuin paramagneetti, mutta paljon enemmän.
Sähkömagneetit
Sähkömagneetti on magneetti, jossa sähkövirta luo magneettikentän. Magneettikenttä häviää, kun virta katkaistaan. Sähkömagneetit koostuvat yleensä suuresta määrästä lähekkäin sijaitsevia lankakierroksia, jotka luovat magneettikentän. Lankakelat on usein kierretty ferromagneettisesta tai ferrimagneettisesta materiaalista tehdyn magneettisydämen ympärille.materiaali, kuten rauta; magneettisydän keskittää magneettivuon ja luo vahvemman magneetin.
Sähkömagneetin tärkein etu kestomagneettiin verrattuna on, että magneettikenttää voidaan muuttaa nopeasti säätämällä käämin sähkövirran määrää. Kuitenkin toisin kuin kestomagneetti, joka ei vaadi tehoa, sähkömagneetti vaatii jatkuvan virransyötön magneettikentän ylläpitämiseksi.
Sähkömagneetteja käytetään laaj alti muiden sähkölaitteiden, kuten moottoreiden, generaattoreiden, releiden, solenoidien, kaiuttimien, kiintolevyjen, MRI-laitteiden, tieteellisten instrumenttien ja magneettisten erotuslaitteiden komponentteina. Sähkömagneetteja käytetään myös teollisuudessa raskaiden rautaesineiden, kuten metalliromun ja teräksen, tarttumiseen ja siirtämiseen. Sähkömagnetismi löydettiin vuonna 1820. Samaan aikaan julkaistiin ensimmäinen materiaalien luokittelu magneettisten ominaisuuksien mukaan.
