Магнитните свойства на материала са клас физически явления, медиирани от полета. Електрическите токове и магнитните моменти на елементарните частици генерират поле, което действа върху други токове. Най-познатите ефекти се появяват във феромагнитни материали, които са силно привлечени от магнитни полета и могат да станат постоянно намагнетизирани, създавайки самите заредени полета.
Само няколко вещества са феромагнитни. За да се определи нивото на развитие на това явление в определено вещество, има класификация на материалите според магнитните свойства. Най-разпространени са желязо, никел и кобалт и техните сплави. Префиксът феро- се отнася до желязо, тъй като постоянният магнетизъм за първи път е наблюдаван в празно желязо, форма на естествена желязна руда, наречена магнитни свойства на материала, Fe3O4.
Парамагнитни материали
Въпреки чеферомагнетизмът е отговорен за повечето от ефектите на магнетизма, срещани в ежедневието, всички други материали са засегнати от полето до известна степен, както и някои други видове магнетизъм. Парамагнитни вещества като алуминий и кислород са слабо привлечени от приложеното магнитно поле. Диамагнитни вещества като мед и въглерод се отблъскват слабо.
Докато антиферомагнитните материали като хром и въртящи се стъкла имат по-сложна връзка с магнитното поле. Силата на магнита върху парамагнитни, диамагнитни и антиферомагнитни материали обикновено е твърде слаба, за да бъде усетена и може да бъде открита само от лабораторни инструменти, така че тези вещества не са включени в списъка на материалите, които имат магнитни свойства.
Условия
Магнитното състояние (или фаза) на материала зависи от температурата и други променливи като налягане и приложено магнитно поле. Един материал може да проявява повече от една форма на магнетизъм, тъй като тези променливи се променят.
История
Магнитните свойства на материала са били открити за първи път в древния свят, когато хората забелязали, че магнитите, естествено намагнетизирани парчета минерали, могат да привличат желязо. Думата „магнит“идва от гръцкия термин Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „магнезиев камък, камък за крака“.
В древна Гърция Аристотел приписва първата от това, което може да се нарече научна дискусия за магнитните свойства на материалите,философът Талес от Милет, живял от 625 г. пр. н. е. д. преди 545 г. пр.н.е д. Древният индийски медицински текст Sushruta Samhita описва използването на магнетит за премахване на стрели, вградени в човешкото тяло.
Древен Китай
В древен Китай най-ранната литературна препратка към електрическите и магнитните свойства на материалите се намира в книга от 4-ти век пр.н.е., наречена на своя автор, Мъдрецът от Долината на призраците. Най-ранното споменаване на привличането на иглата е в произведението от 1 век Лунхен (Балансирани искания): "Магнитът привлича иглата."
Китайският учен от 11-ти век Шен Куо е първият човек, който описва - в есето на Dream Pool - магнитен компас с игла и че подобрява точността на навигацията чрез астрономически методи. концепцията за истинския север. До 12-ти век е известно, че китайците използват магнитния компас за навигация. Те направиха водещата лъжица от камък, така че дръжката на лъжицата винаги да сочи на юг.
Средновековие
Александър Некам, от 1187 г., е първият в Европа, който описва компаса и използването му за навигация. Този изследовател за първи път в Европа задълбочено установява свойствата на магнитните материали. През 1269 г. Питър Перегрин дьо Марикур написа Epistola de magnete, първият оцелял трактат, описващ свойствата на магнитите. През 1282 г. свойствата на компасите и материалите със специални магнитни свойства са описани от ал-Ашраф, йеменски физик, астроном и географ.
Ренесанс
През 1600 г. Уилям Гилбърт публикуванеговият „Магнетен корпус“и „Магнетен телур“(„За магнита и магнитните тела, а също и за Великия земен магнит“). В тази статия той описва много от експериментите си със своя модел на земята, наречен терела, с който провежда изследвания върху свойствата на магнитните материали.
От своите експерименти той стигна до заключението, че самата Земя е магнитна и затова компасите сочат на север (по-рано някои смятаха, че това е полярната звезда (Поларис) или голям магнитен остров на север Полюс, който привлече компаса).
Ново време
Разбирането на връзката между електричеството и материалите със специални магнитни свойства се появява през 1819 г. в работата на Ханс Кристиан Ерстед, професор в университета в Копенхаген, който открива чрез случайно потрепване на стрелка на компас близо до проводник, че електрически токът може да създаде магнитно поле. Този знаков експеримент е известен като експеримента на Ерстед. Следват няколко други експеримента с Андре-Мари Ампер, който открива през 1820 г., че магнитно поле, циркулиращо в затворен път, е свързано с ток, протичащ по периметъра на пътя.
Карл Фридрих Гаус се занимава с изучаване на магнетизма. Жан-Батист Био и Феликс Савар през 1820 г. измислиха закона на Био-Савар, който дава желаното уравнение. Майкъл Фарадей, който открива през 1831 г., че променящ се във времето магнитен поток през контур от тел причинява напрежение. И други учени са открили допълнителни връзки между магнетизма и електричеството.
XX век и нашиятвреме
Джеймс Клерк Максуел синтезира и разшири това разбиране на уравненията на Максуел, като обедини електричеството, магнетизма и оптиката в областта на електромагнетизма. През 1905 г. Айнщайн използва тези закони, за да мотивира своята теория на специалната относителност, като изисква законите да са верни във всички инерционни референтни системи.
Електромагнетизмът продължава да се развива в 21-ви век, като е включен в по-фундаменталните теории на габаритната теория, квантовата електродинамика, електрослабата теория и накрая стандартния модел. В днешно време учените вече усилено изучават магнитните свойства на наноструктурираните материали. Но най-големите и невероятни открития в тази област вероятно са все още пред нас.
Есенция
Магнитните свойства на материалите се дължат главно на магнитните моменти на орбиталните електрони на техните атоми. Магнитните моменти на атомните ядра обикновено са хиляди пъти по-малки от тези на електроните и следователно са незначителни в контекста на намагнитването на материалите. Ядрено-магнитните моменти все пак са много важни в други контексти, особено в ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) и ядрено-магнитен резонанс (ЯМР).
Обикновено огромният брой електрони в материала е подреден по такъв начин, че техните магнитни моменти (както орбитални, така и вътрешни) се нулират. До известна степен това се дължи на факта, че електроните се комбинират по двойки с противоположни присъщи магнитни моменти в резултат на принципа на Паули (виж Конфигурация на електроните) и се комбинират в запълнени подобвивки с нулево нетно орбитално движение.
BИ в двата случая електроните използват предимно вериги, в които магнитният момент на всеки електрон се компенсира от противоположния момент на другия електрон. Освен това, дори когато електронната конфигурация е такава, че има несдвоени електрони и/или незапълнени подчерупки, често се случва различни електрони в твърдо тяло да допринасят за магнитни моменти, които сочат в различни, произволни посоки, така че материалът няма да бъде магнитен.
Понякога, спонтанно или поради приложено външно магнитно поле, магнитните моменти на всеки от електроните ще се подредят средно. След това правилният материал може да създаде силно нетно магнитно поле.
Магнитното поведение на материала зависи от неговата структура, по-специално от електронната му конфигурация, поради посочените по-горе причини, както и от температурата. При високи температури произволното термично движение затруднява подравняването на електроните.
Диамагнетизъм
Диамагнетизмът се среща във всички материали и представлява тенденцията на материала да устои на приложено магнитно поле и следователно да отблъсква магнитното поле. Въпреки това, в материал с парамагнитни свойства (тоест с тенденция към засилване на външно магнитно поле), парамагнитното поведение доминира. По този начин, въпреки универсалната поява, диамагнитното поведение се наблюдава само в чисто диамагнитен материал. В диамагнитен материал няма несдвоени електрони, така че присъщите магнитни моменти на електроните не могат да създаватвсякакъв ефект на силата на звука.
Моля, имайте предвид, че това описание е предназначено само като евристично. Теоремата на Бор-Ван Лювен показва, че диамагнетизмът е невъзможен според класическата физика и че правилното разбиране изисква квантово механично описание.
Забележете, че всички материали преминават през този орбитален отговор. Въпреки това, в парамагнитни и феромагнитни вещества, диамагнитният ефект се потиска от много по-силни ефекти, причинени от несдвоени електрони.
Има несдвоени електрони в парамагнитен материал; тоест атомни или молекулярни орбитали с точно един електрон в тях. Докато принципът на изключване на Паули изисква сдвоените електрони да имат свои собствени („спинови“) магнитни моменти, насочени в противоположни посоки, което води до погасяване на магнитните им полета, несдвоен електрон може да подравни своя магнитен момент в двете посоки. Когато се приложи външно поле, тези моменти ще се подравнят в същата посока като приложеното поле, засилвайки го.
Феромагнити
Феромагнетикът, като парамагнитно вещество, има несдвоени електрони. Въпреки това, в допълнение към тенденцията вътрешният магнитен момент на електроните да бъде успореден на приложеното поле, в тези материали има и тенденция тези магнитни моменти да се ориентират успоредно един на друг, за да поддържат състояние на намалено енергия. Така дори и при липса на приложно полемагнитните моменти на електроните в материала спонтанно се подравняват успоредно един на друг.
Всяко феромагнитно вещество има своя собствена индивидуална температура, наречена температура на Кюри или точка на Кюри, над която губи своите феромагнитни свойства. Това е така, защото термичната тенденция към разстройство надделява намаляването на енергията поради феромагнитния ред.
Феромагнетизмът се среща само в няколко вещества; желязо, никел, кобалт, техните сплави и някои редкоземни сплави са често срещани.
Магнитните моменти на атомите във феромагнитен материал ги карат да се държат като малки постоянни магнити. Те се залепват заедно и се комбинират в малки области с повече или по-малко еднакво подравняване, наречени магнитни домейни или домени на Вайс. Магнитните домейни могат да се наблюдават с помощта на магнитен силов микроскоп, за да се разкрият граници на магнитни домейни, които приличат на бели линии в скица. Има много научни експерименти, които могат физически да покажат магнитни полета.
Роля на домейните
Когато домейн съдържа твърде много молекули, той става нестабилен и се разделя на два домейна, подравнени в противоположни посоки, за да се придържат по-стабилно, както е показано вдясно.
Когато са изложени на магнитно поле, границите на домейна се движат така, че магнитно подравнените домейни растат и доминират в структурата (жълта точка с точки), както е показано вляво. Когато магнитното поле се премахне, домейните може да не се върнат в немагнетизирано състояние. Това води дотъй като феромагнитният материал е намагнетизиран, образувайки постоянен магнит.
Когато намагнитването е достатъчно силно, така че доминиращият домен да се припокрива с всички останали, което води до образуването само на един отделен домен, материалът е магнитно наситен. Когато намагнетизиран феромагнитен материал се нагрява до температурата на точката на Кюри, молекулите се смесват до точката, в която магнитните домени губят организация и магнитните свойства, които причиняват, престават. Когато материалът се охлади, тази структура за подравняване на домейна се връща спонтанно, приблизително аналогично на това как течността може да замръзне в кристално твърдо вещество.
Антиферомагнетици
В антиферомагнетик, за разлика от феромагнетика, присъщите магнитни моменти на съседните валентни електрони са склонни да сочат в противоположни посоки. Когато всички атоми са подредени в вещество, така че всеки съсед е антипаралелен, веществото е антиферомагнитно. Антиферомагнитите имат нетен магнитен момент нула, което означава, че не създават поле.
Антиферомагнетиците са по-редки от другите видове поведение и най-често се наблюдават при ниски температури. При различни температури антиферомагнитите проявяват диамагнитни и феромагнитни свойства.
В някои материали съседните електрони предпочитат да сочат в противоположни посоки, но няма геометрично подреждане, при което всяка двойка съседи е антиподравнена. Нарича се spin glass ие пример за геометрична фрустрация.
Магнитни свойства на феромагнитните материали
Подобно на феромагнетизма, феримагнитите запазват намагнитването си при липса на поле. Въпреки това, подобно на антиферомагнитите, съседните двойки завъртания на електрони са склонни да сочат в противоположни посоки. Тези две свойства не противоречат едно на друго, тъй като при оптимално геометрично подреждане магнитният момент от подрешетка от електрони, които сочат в същата посока, е по-голям, отколкото от подрешетка, която сочи в обратната посока.
Повечето ферити са феримагнитни. Магнитните свойства на феромагнитните материали днес се считат за неоспорими. Първото открито магнитно вещество, магнетит, е ферит и първоначално се смяташе за феромагнит. Луис Нийл обаче опроверга това, като открива феримагнетизма.
Когато феромагнит или феримагнит е достатъчно малък, той действа като едно магнитно завъртане, което е обект на Брауново движение. Неговият отговор на магнитно поле е качествено подобен на този на парамагнит, но много повече.
Електромагнити
Електромагнитът е магнит, в който се създава магнитно поле от електрически ток. Магнитното поле изчезва при изключване на тока. Електромагнитите обикновено се състоят от голям брой близко разположени завои на тел, които създават магнитно поле. Телните намотки често се навиват около магнитна сърцевина, изработена от феромагнитен или феримагнитен материал.материал като желязо; магнитното ядро концентрира магнитния поток и създава по-силен магнит.
Основното предимство на електромагнита пред постоянния магнит е, че магнитното поле може бързо да се променя чрез контролиране на количеството електрически ток в намотката. Въпреки това, за разлика от постоянния магнит, който не изисква захранване, електромагнитът изисква непрекъснато подаване на ток за поддържане на магнитното поле.
Електромагнитите се използват широко като компоненти на други електрически устройства като двигатели, генератори, релета, соленоиди, високоговорители, твърди дискове, ЯМР машини, научни инструменти и оборудване за магнитно разделяне. Електромагнитите се използват и в индустрията за захващане и преместване на тежки железни предмети като скрап и стомана. Електромагнетизмът е открит през 1820 г. По същото време е публикувана първата класификация на материалите според магнитните свойства.
