Magnetiese eienskappe van 'n materiaal is 'n klas fisiese verskynsels wat deur velde bemiddel word. Elektriese strome en magnetiese momente van elementêre deeltjies genereer 'n veld wat op ander strome inwerk. Die mees bekende effekte kom voor in ferromagnetiese materiale, wat sterk deur magnetiese velde aangetrek word en permanent gemagnetiseer kan word, wat die gelaaide velde self skep.
Slegs 'n paar stowwe is ferromagneties. Om die vlak van ontwikkeling van hierdie verskynsel in 'n bepaalde stof te bepaal, is daar 'n klassifikasie van materiale volgens magnetiese eienskappe. Die algemeenste is yster, nikkel en kob alt en hul legerings. Die voorvoegsel ferro- verwys na yster omdat permanente magnetisme die eerste keer waargeneem is in leë yster, 'n vorm van natuurlike ystererts wat die magnetiese eienskappe van die materiaal, Fe3O4, genoem word.
Paramagnetiese materiale
Alhoewelferromagnetisme is verantwoordelik vir die meeste van die effekte van magnetisme wat in die alledaagse lewe teëgekom word, alle ander materiale word tot 'n mate deur die veld beïnvloed, sowel as 'n paar ander tipes magnetisme. Paramagnetiese stowwe soos aluminium en suurstof word swak aangetrokke tot 'n toegepaste magnetiese veld. Diamagnetiese stowwe soos koper en koolstof stoot swak af.
Terwyl antiferromagnetiese materiale soos chroom en spinglase 'n meer komplekse verhouding met die magnetiese veld het. Die sterkte van 'n magneet op paramagnetiese, diamagnetiese en antiferromagnetiese materiale is gewoonlik te swak om gevoel te word en kan slegs deur laboratoriuminstrumente opgespoor word, dus is hierdie stowwe nie ingesluit in die lys van materiale wat magnetiese eienskappe het nie.
Voorwaardes
Die magnetiese toestand (of fase) van 'n materiaal hang af van temperatuur en ander veranderlikes soos druk en toegepaste magnetiese veld. 'n Materiaal kan meer as een vorm van magnetisme vertoon namate hierdie veranderlikes verander.
Geskiedenis
Die magnetiese eienskappe van 'n materiaal is die eerste keer in die antieke wêreld ontdek toe mense opgemerk het dat magnete, natuurlik gemagnetiseerde stukke minerale, yster kon aantrek. Die woord "magneet" kom van die Griekse term Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesiaanse klip, voetsteen".
In antieke Griekeland het Aristoteles die eerste van wat genoem kan word 'n wetenskaplike bespreking oor die magnetiese eienskappe van materiale toegeskryf,filosoof Thales van Milete, wat vanaf 625 vC geleef het. e. voor 545 vC e. Die antieke Indiese mediese teks Sushruta Samhita beskryf die gebruik van magnetiet om pyle wat in die menslike liggaam ingebed is, te verwyder.
Antieke Sjina
In antieke China word die vroegste literêre verwysing na die elektriese en magnetiese eienskappe van materiale gevind in 'n 4de-eeuse vC-boek wat vernoem is na die skrywer daarvan, The Sage of the Valley of Ghosts. Die vroegste melding van naaldaantrekking is in die 1ste eeuse werk Lunheng (Gebalanseerde Versoeke): "Die magneet trek die naald aan."
Die 11de eeuse Chinese wetenskaplike Shen Kuo was die eerste persoon wat - in die Dream Pool Essay - 'n magnetiese kompas met 'n naald beskryf het en dat dit die akkuraatheid van navigasie deur astronomiese metodes verbeter het. konsep van ware noord. Teen die 12de eeu was dit bekend dat die Chinese die magneetkompas vir navigasie gebruik het. Hulle het die gidslepel uit klip gevorm sodat die handvatsel van die lepel altyd suid wys.
Middeleeue
Alexander Neckam, teen 1187, was die eerste in Europa wat die kompas en die gebruik daarvan vir navigasie beskryf het. Hierdie navorser het vir die eerste keer in Europa die eienskappe van magnetiese materiale deeglik vasgestel. In 1269 het Peter Peregrine de Maricourt die Epistola de magnete geskryf, die eerste oorlewende verhandeling wat die eienskappe van magnete beskryf. In 1282 is die eienskappe van passers en materiale met spesiale magnetiese eienskappe beskryf deur al-Ashraf, 'n Jemenitiese fisikus, sterrekundige en geograaf.
Renaissance
In 1600 het William Gilbert gepubliseersy “Magnetic Corpus” en “Magnetic Tellurium” (“On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet”). In hierdie referaat beskryf hy baie van sy eksperimente met sy model aarde, genaamd die terrella, waarmee hy navorsing gedoen het oor die eienskappe van magnetiese materiale.
Uit sy eksperimente het hy tot die gevolgtrekking gekom dat die Aarde self magneties is en dat dit is hoekom passers noord gewys het (vroeër het sommige geglo dat dit die poolster (Polaris) of 'n groot magnetiese eiland in die Noorde was Paal wat die kompas aangetrek het).
Nuwe tyd
Begrip van die verband tussen elektrisiteit en materiale met spesiale magnetiese eienskappe het in 1819 verskyn in die werk van Hans Christian Oersted, 'n professor aan die Universiteit van Kopenhagen, wat ontdek het deur per ongeluk 'n kompasnaald naby 'n draad te ruk dat 'n elektriese stroom kan 'n magnetiese veld skep. Hierdie landmerk-eksperiment staan bekend as die Oersted-eksperiment. Verskeie ander eksperimente het gevolg met André-Marie Ampère, wat in 1820 ontdek het dat 'n magneetveld wat in 'n geslote pad sirkuleer verband hou met 'n stroom wat om die omtrek van die pad vloei.
Carl Friedrich Gauss was besig met die studie van magnetisme. Jean-Baptiste Biot en Felix Savart het in 1820 met die Biot-Savart-wet vorendag gekom, wat die verlangde vergelyking gee. Michael Faraday, wat in 1831 ontdek het dat 'n tydsveranderende magnetiese vloed deur 'n draadlus 'n spanning veroorsaak het. En ander wetenskaplikes het verdere verbande tussen magnetisme en elektrisiteit gevind.
XX eeu en onstyd
James Clerk Maxwell het hierdie begrip van Maxwell se vergelykings gesintetiseer en uitgebrei deur elektrisiteit, magnetisme en optika in die veld van elektromagnetisme te verenig. In 1905 het Einstein hierdie wette gebruik om sy teorie van spesiale relatiwiteit te motiveer deur te vereis dat die wette geld in alle traagheidsverwysingsraamwerke.
Elektromagnetisme het voortgegaan om in die 21ste eeu te ontwikkel, en is opgeneem in die meer fundamentele teorieë van meterteorie, kwantumelektrodinamika, die elektroswak teorie, en uiteindelik die standaardmodel. Deesdae bestudeer wetenskaplikes reeds die magnetiese eienskappe van nanogestruktureerde materiale met mag en hoof. Maar die grootste en wonderlikste ontdekkings op hierdie gebied lê waarskynlik nog voor ons.
Essence
Die magnetiese eienskappe van materiale is hoofsaaklik te wyte aan die magnetiese momente van die orbitale elektrone van hul atome. Die magnetiese momente van atoomkerne is gewoonlik duisende kere kleiner as dié van elektrone, en daarom is hulle weglaatbaar in die konteks van die magnetisering van materiale. Kernmagnetiese momente is nietemin baie belangrik in ander kontekste, veral in kernmagnetiese resonansie (KMR) en magnetiese resonansbeelding (MRI).
Gewoonlik is die groot aantal elektrone in 'n materiaal so gerangskik dat hul magnetiese momente (beide orbitaal en intern) tot niet gemaak word. Dit is tot 'n mate te wyte aan die feit dat elektrone in pare kombineer met teenoorgestelde intrinsieke magnetiese momente as gevolg van die Pauli-beginsel (sien Elektronkonfigurasie) en kombineer in gevulde subskulpe met geen netto orbitale beweging.
BIn beide gevalle gebruik die elektrone hoofsaaklik stroombane waarin die magnetiese moment van elke elektron uitgekanselleer word deur die teenoorgestelde moment van die ander elektron. Verder, selfs wanneer die elektronkonfigurasie so is dat daar ongepaarde elektrone en/of ongevulde subskulpe is, is dit dikwels die geval dat verskillende elektrone in 'n vaste stof magnetiese momente sal bydra wat in verskillende, ewekansige rigtings wys, sodat die materiaal nie magneties.
Soms, hetsy spontaan of as gevolg van 'n toegepaste eksterne magnetiese veld, sal elk van die elektrone se magnetiese momente gemiddeld in lyn wees. Die regte materiaal kan dan 'n sterk netto magnetiese veld skep.
Die magnetiese gedrag van 'n materiaal hang af van sy struktuur, veral van sy elektroniese konfigurasie, vir die redes hierbo gegee, en ook van temperatuur. By hoë temperature maak willekeurige termiese beweging dit moeilik vir elektrone om in lyn te kom.
Diamagnetism
Diamagnetisme word in alle materiale aangetref en is die neiging van 'n materiaal om 'n toegepaste magnetiese veld te weerstaan en dus die magnetiese veld af te stoot. In 'n materiaal met paramagnetiese eienskappe (dit wil sê met 'n neiging om 'n eksterne magneetveld te versterk), oorheers die paramagnetiese gedrag egter. Dus, ten spyte van die universele voorkoms, word diamagnetiese gedrag slegs in 'n suiwer diamagnetiese materiaal waargeneem. Daar is geen ongepaarde elektrone in 'n diamagnetiese materiaal nie, dus kan die intrinsieke magnetiese momente van elektrone nie skep nieenige volume-effek.
Neem asseblief kennis dat hierdie beskrywing slegs as 'n heuristiek bedoel is. Die Bohr-Van Leeuwen-stelling toon dat diamagnetisme volgens klassieke fisika onmoontlik is, en dat 'n korrekte begrip 'n kwantummeganiese beskrywing vereis.
Let daarop dat alle materiaal deur hierdie orbitale reaksie gaan. In paramagnetiese en ferromagnetiese stowwe word die diamagnetiese effek egter onderdruk deur baie sterker effekte wat deur ongepaarde elektrone veroorsaak word.
Daar is ongepaarde elektrone in 'n paramagnetiese materiaal; dit wil sê atoom- of molekulêre orbitale met presies een elektron daarin. Terwyl die Pauli-uitsluitingsbeginsel vereis dat gepaarde elektrone hul eie ("spin") magnetiese momente moet hê wat in teenoorgestelde rigtings wys, wat veroorsaak dat hul magnetiese velde uitkanselleer, kan 'n ongepaarde elektron sy magnetiese moment in enige rigting in lyn bring. Wanneer 'n eksterne veld toegepas word, sal hierdie momente geneig wees om in dieselfde rigting as die toegepaste veld in lyn te kom, wat dit versterk.
Ferromagnete
'n Ferromagneet, as 'n paramagnetiese stof, het ongepaarde elektrone. Benewens die neiging van die intrinsieke magnetiese moment van die elektrone om parallel aan die toegepaste veld te wees, is daar in hierdie materiale ook 'n neiging dat hierdie magnetiese momente hulself parallel aan mekaar oriënteer ten einde 'n toestand van gereduseerde energie. Dus, selfs in die afwesigheid van 'n toegepaste velddie magnetiese momente van die elektrone in die materiaal belyn spontaan parallel met mekaar.
Elke ferromagnetiese stof het sy eie individuele temperatuur, genoem die Curie-temperatuur, of Curie-punt, waarbo dit sy ferromagnetiese eienskappe verloor. Dit is omdat die termiese neiging tot wanorde die vermindering in energie as gevolg van ferromagnetiese orde oorweldig.
Ferromagnetisme kom net in 'n paar stowwe voor; yster, nikkel, kob alt, hul legerings en sommige seldsame aardlegerings is algemeen.
Die magnetiese momente van atome in 'n ferromagnetiese materiaal veroorsaak dat hulle soos klein permanente magnete optree. Hulle bly bymekaar en kombineer in klein streke van min of meer eenvormige belyning genoem magnetiese domeine of Weiss-domeine. Magnetiese domeine kan waargeneem word deur 'n magnetiese kragmikroskoop te gebruik om magnetiese domeingrense te openbaar wat soos wit lyne in 'n skets lyk. Daar is baie wetenskaplike eksperimente wat fisies magnetiese velde kan wys.
Rol van domeine
Wanneer 'n domein te veel molekules bevat, word dit onstabiel en verdeel in twee domeine wat in teenoorgestelde rigtings in lyn is om meer stabiel aan mekaar te kleef, soos regs getoon.
Wanneer dit aan 'n magnetiese veld blootgestel word, beweeg die domeingrense sodat magneties-belynde domeine groei en die struktuur oorheers (gestippelde geel area), soos aan die linkerkant getoon. Wanneer die magnetiserende veld verwyder word, sal die domeine dalk nie terugkeer na 'n nie-gemagnetiseerde toestand nie. Dit lei totomdat die ferromagnetiese materiaal gemagnetiseer word, wat 'n permanente magneet vorm.
Toe die magnetisering sterk genoeg was sodat die dominante domein al die ander oorvleuel het, wat tot die vorming van slegs een aparte domein gelei het, was die materiaal magneties versadig. Wanneer 'n gemagnetiseerde ferromagnetiese materiaal tot die Curiepunttemperatuur verhit word, meng die molekules tot die punt waar die magnetiese domeine organisasie verloor en die magnetiese eienskappe wat hulle veroorsaak, ophou. Wanneer die materiaal afgekoel word, keer hierdie domeinbelyningstruktuur spontaan terug, min of meer analoog aan hoe 'n vloeistof in 'n kristallyne vaste stof kan vries.
Antiferromagnetics
In 'n antiferromagneet, anders as 'n ferromagneet, is die intrinsieke magnetiese momente van naburige valenselektrone geneig om in teenoorgestelde rigtings te wys. Wanneer al die atome in 'n stof gerangskik is sodat elke buurman antiparallel is, is die stof antiferromagneties. Antiferromagnete het 'n netto magnetiese moment van nul, wat beteken dat hulle nie 'n veld skep nie.
Antiferromagnete is skaarser as ander tipes gedrag en word meestal by lae temperature waargeneem. By verskillende temperature vertoon antiferromagnete diamagnetiese en ferromagnetiese eienskappe.
In sommige materiale verkies naburige elektrone om in teenoorgestelde rigtings te wys, maar daar is geen geometriese rangskikking waarin elke paar bure teen-belyn is nie. Dit word spinglas genoem enis 'n voorbeeld van meetkundige frustrasie.
Magnetiese eienskappe van ferromagnetiese materiale
Soos ferromagnetisme, behou ferrimagnete hul magnetisering in die afwesigheid van 'n veld. Soos antiferromagnete, is aangrensende pare elektronspin egter geneig om in teenoorgestelde rigtings te wys. Hierdie twee eienskappe weerspreek mekaar nie, want in 'n optimale geometriese rangskikking is die magnetiese moment van 'n subrooster van elektrone wat in dieselfde rigting wys groter as van 'n subrooster wat in die teenoorgestelde rigting wys.
Die meeste ferriete is ferrimagneties. Die magnetiese eienskappe van ferromagnetiese materiale vandag word as onmiskenbaar beskou. Die eerste magnetiese stof wat ontdek is, magnetiet, is 'n ferriet en is oorspronklik gedink om 'n ferromagneet te wees. Louis Neel het dit egter weerlê deur ferrimagnetisme te ontdek.
Wanneer 'n ferromagneet of ferrimagneet klein genoeg is, tree dit op as 'n enkele magnetiese spin wat aan Brownse beweging onderhewig is. Sy reaksie op 'n magneetveld is kwalitatief soortgelyk aan dié van 'n paramagneet, maar baie meer.
Elektromagnete
'n Elektromagneet is 'n magneet waarin 'n magneetveld deur 'n elektriese stroom geskep word. Die magneetveld verdwyn wanneer die stroom afgeskakel word. Elektromagnete bestaan gewoonlik uit 'n groot aantal nabygeleë windings draad wat 'n magnetiese veld skep. Draadspoele word dikwels om 'n magnetiese kern gewikkel wat van ferromagnetiese of ferrimagnetiese materiaal gemaak is.'n materiaal soos yster; die magnetiese kern konsentreer die magnetiese vloed en skep 'n sterker magneet.
Die grootste voordeel van 'n elektromagneet bo 'n permanente magneet is dat die magneetveld vinnig verander kan word deur die hoeveelheid elektriese stroom in die wikkeling te beheer. Anders as 'n permanente magneet, wat nie krag benodig nie, benodig 'n elektromagneet egter 'n deurlopende toevoer van stroom om die magneetveld in stand te hou.
Elektromagnete word wyd gebruik as komponente van ander elektriese toestelle soos motors, kragopwekkers, relais, solenoïede, luidsprekers, hardeskywe, MRI-masjiene, wetenskaplike instrumente en magnetiese skeidingstoerusting. Elektromagnete word ook in die industrie gebruik om swaar ystervoorwerpe soos skrootmetaal en staal vas te gryp en te verskuif. Elektromagnetisme is in 1820 ontdek. Terselfdertyd is die eerste klassifikasie van materiale volgens magnetiese eienskappe gepubliseer.
