Proprietățile magnetice ale unui material sunt o clasă de fenomene fizice mediate de câmpuri. Curenții electrici și momentele magnetice ale particulelor elementare generează un câmp care acționează asupra altor curenți. Cele mai cunoscute efecte apar în materialele feromagnetice, care sunt puternic atrase de câmpurile magnetice și pot deveni permanent magnetizate, creând în sine câmpurile încărcate.
Doar câteva substanțe sunt feromagnetice. Pentru a determina nivelul de dezvoltare a acestui fenomen într-o anumită substanță, există o clasificare a materialelor în funcție de proprietățile magnetice. Cele mai comune sunt fierul, nichelul și cob altul și aliajele acestora. Prefixul fero- se referă la fier deoarece magnetismul permanent a fost observat pentru prima dată în fierul gol, o formă de minereu natural de fier numită proprietățile magnetice ale materialului, Fe3O4.
Materiale paramagnetice
Deșiferomagnetismul este responsabil pentru majoritatea efectelor magnetismului întâlnite în viața de zi cu zi, toate celel alte materiale sunt afectate de câmp într-o oarecare măsură, precum și alte tipuri de magnetism. Substanțele paramagnetice precum aluminiul și oxigenul sunt slab atrase de un câmp magnetic aplicat. Substanțele diamagnetice precum cuprul și carbonul se resping slab.
În timp ce materialele antiferomagnetice precum cromul și ochelarii de spin au o relație mai complexă cu câmpul magnetic. Puterea unui magnet pe materiale paramagnetice, diamagnetice și antiferomagnetice este de obicei prea slabă pentru a fi simțită și poate fi detectată doar de instrumentele de laborator, așa că aceste substanțe nu sunt incluse în lista materialelor care au proprietăți magnetice.
Condiții
Starea magnetică (sau faza) unui material depinde de temperatură și de alte variabile, cum ar fi presiunea și câmpul magnetic aplicat. Un material poate prezenta mai mult de o formă de magnetism pe măsură ce aceste variabile se modifică.
Istorie
Proprietățile magnetice ale unui material au fost descoperite pentru prima dată în lumea antică, când oamenii au observat că magneții, bucăți de minerale magnetizate în mod natural, ar putea atrage fierul. Cuvântul „magnet” provine din termenul grecesc Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „piatră magneziană, piatră de picior”.
În Grecia antică, Aristotel a atribuit prima dintre ceea ce s-ar putea numi o discuție științifică despre proprietățile magnetice ale materialelor,filozoful Thales din Milet, care a trăit din 625 î. Hr. e. înainte de 545 î. Hr e. Textul medical antic indian Sushruta Samhita descrie utilizarea magnetitului pentru a îndepărta săgețile încorporate în corpul uman.
China antică
În China antică, cea mai veche referire literară la proprietățile electrice și magnetice ale materialelor se găsește într-o carte din secolul al IV-lea î. Hr., numită după autorul său, Înțeleptul Văii Fantomelor. Cea mai veche mențiune despre atracția acului este în lucrarea din secolul I Lunheng (Solicitări echilibrate): „Magnetul atrage acul.”
Omul de știință chinez din secolul al XI-lea Shen Kuo a fost prima persoană care a descris - în Eseul Pool Pool - o busolă magnetică cu un ac și că a îmbunătățit acuratețea navigației prin metode astronomice. conceptul de nord adevărat. Până în secolul al XII-lea, se știa că chinezii foloseau busola cu magnet pentru navigație. Au modelat lingura de ghidare din piatră, astfel încât mânerul lingurii să fie întotdeauna îndreptat spre sud.
Evul Mediu
Alexander Neckam, până în 1187, a fost primul din Europa care a descris busola și utilizarea acesteia pentru navigație. Acest cercetător a stabilit pentru prima dată în Europa proprietățile materialelor magnetice. În 1269, Peter Peregrine de Maricourt a scris Epistola de magnete, primul tratat supraviețuitor care descrie proprietățile magneților. În 1282, proprietățile busolelor și materialelor cu proprietăți magnetice speciale au fost descrise de al-Ashraf, un fizician, astronom și geograf yemenit.
Renaștere
În 1600, William Gilbert a publicat„Corpusul magnetic” și „Telluriumul magnetic” („Despre magnet și corpuri magnetice, precum și pe Marele Magnet Pământesc”). În această lucrare, el descrie multe dintre experimentele sale cu modelul său de pământ, numit terrella, cu care a efectuat cercetări asupra proprietăților materialelor magnetice.
Din experimentele sale, a ajuns la concluzia că Pământul însuși este magnetic și că acesta este motivul pentru care busolele îndreptau spre nord (mai devreme, unii credeau că este steaua polară (Polaris) sau o insulă mare magnetică la nord. Stâlp care a atras busola).
Ora nouă
Înțelegerea relației dintre electricitate și materiale cu proprietăți magnetice speciale a apărut în 1819 în lucrarea lui Hans Christian Oersted, profesor la Universitatea din Copenhaga, care a descoperit prin zvâcnirea accidentală a unui ac de busolă lângă un fir pe care un electric curentul poate crea un câmp magnetic. Acest experiment de reper este cunoscut sub numele de Experimentul Oersted. Au urmat câteva alte experimente cu André-Marie Ampère, care a descoperit în 1820 că un câmp magnetic care circulă pe o cale închisă era legat de un curent care curge în jurul perimetrului căii.
Carl Friedrich Gauss a fost angajat în studiul magnetismului. Jean-Baptiste Biot și Felix Savart au venit în 1820 cu legea Biot-Savart, care dă ecuația dorită. Michael Faraday, care a descoperit în 1831 că un flux magnetic care variază în timp printr-o buclă de sârmă a cauzat o tensiune. Și alți oameni de știință au găsit alte conexiuni între magnetism și electricitate.
Secolul XX și al nostrutimp
James Clerk Maxwell a sintetizat și extins această înțelegere a ecuațiilor lui Maxwell unificând electricitatea, magnetismul și optica în domeniul electromagnetismului. În 1905, Einstein a folosit aceste legi pentru a-și motiva teoria relativității speciale, cerând ca legile să fie valabile în toate cadrele de referință inerțiale.
Electromagnetismul a continuat să evolueze în secolul 21, fiind încorporat în teoriile mai fundamentale ale teoriei gauge, electrodinamică cuantică, teoria electroslabă și, în sfârșit, modelul standard. În zilele noastre, oamenii de știință studiază deja proprietățile magnetice ale materialelor nanostructurate cu putere și principal. Dar cele mai mari și mai uimitoare descoperiri în acest domeniu sunt probabil încă în fața noastră.
Esență
Proprietățile magnetice ale materialelor se datorează în principal momentelor magnetice ale electronilor orbitali ai atomilor lor. Momentele magnetice ale nucleelor atomice sunt de obicei de mii de ori mai mici decât cele ale electronilor și, prin urmare, sunt neglijabile în contextul magnetizării materialelor. Momentele magnetice nucleare sunt totuși foarte importante în alte contexte, în special în rezonanța magnetică nucleară (RMN) și imagistica prin rezonanță magnetică (RMN).
De obicei, numărul imens de electroni dintr-un material este aranjat în așa fel încât momentele lor magnetice (atât orbitale, cât și interne) să fie anulate. Într-o oarecare măsură, acest lucru se datorează faptului că electronii se combină în perechi cu momente magnetice intrinseci opuse ca rezultat al principiului Pauli (vezi Configurația electronică) și se combină în subcopii umplute cu mișcare orbitală netă zero.
BÎn ambele cazuri, electronii folosesc în mod predominant circuite în care momentul magnetic al fiecărui electron este anulat de momentul opus celuil alt electron. Mai mult decât atât, chiar și atunci când configurația electronică este de așa natură încât există electroni nepereche și/sau subînvelișuri neumplute, este adesea cazul că diferiți electroni dintr-un solid vor contribui cu momente magnetice care indică în direcții diferite, aleatorii, astfel încât materialul nu va fi magnetic.
Uneori, fie spontan, fie datorită unui câmp magnetic extern aplicat, fiecare dintre momentele magnetice ale electronilor se vor alinia în medie. Materialul potrivit poate crea apoi un câmp magnetic net puternic.
Comportamentul magnetic al unui material depinde de structura sa, în special de configurația sa electronică, din motivele prezentate mai sus, precum și de temperatură. La temperaturi ridicate, mișcarea termică aleatorie face dificilă alinierea electronilor.
Diamagnetism
Diamagnetismul se găsește în toate materialele și este tendința unui material de a rezista unui câmp magnetic aplicat și, prin urmare, de a respinge câmpul magnetic. Totuși, într-un material cu proprietăți paramagnetice (adică cu tendința de a întări un câmp magnetic extern), comportamentul paramagnetic domină. Astfel, în ciuda apariției universale, comportamentul diamagnetic este observat numai într-un material pur diamagnetic. Nu există electroni nepereche într-un material diamagnetic, astfel încât momentele magnetice intrinseci ale electronilor nu pot creaorice efect de volum.
Vă rugăm să rețineți că această descriere este concepută doar ca o euristică. Teorema Bohr-Van Leeuwen arată că diamagnetismul este imposibil conform fizicii clasice și că o înțelegere corectă necesită o descriere mecanică cuantică.
Rețineți că toate materialele trec prin acest răspuns orbital. Cu toate acestea, în substanțele paramagnetice și feromagnetice, efectul diamagnetic este suprimat de efecte mult mai puternice cauzate de electronii nepereche.
Există electroni nepereche într-un material paramagnetic; adică orbitali atomici sau moleculari cu exact un electron în ei. În timp ce principiul de excludere Pauli cere ca electronii perechi să aibă propriile momente magnetice („spin”) îndreptate în direcții opuse, determinând anularea câmpurilor magnetice, un electron nepereche își poate alinia momentul magnetic în ambele direcții. Când se aplică un câmp extern, aceste momente vor tinde să se alinieze în aceeași direcție cu câmpul aplicat, întărindu-l.
Ferromagneți
Un feromagnet, ca substanță paramagnetică, are electroni nepereche. Totuși, pe lângă tendința momentului magnetic intrinsec al electronilor de a fi paralel cu câmpul aplicat, în aceste materiale există și tendința ca aceste momente magnetice să se orienteze paralel între ele pentru a menține o stare de redusă. energie. Astfel, chiar și în absența unui domeniu aplicatmomentele magnetice ale electronilor din material se aliniază în mod spontan paralel unul cu celăl alt.
Fiecare substanță feromagnetică are propria sa temperatură individuală, numită temperatură Curie sau punct Curie, deasupra căreia își pierde proprietățile feromagnetice. Acest lucru se datorează faptului că tendința termică la dezordine copleșește reducerea energiei din cauza ordinii feromagnetice.
Ferromagnetismul apare doar în câteva substanțe; fierul, nichelul, cob altul, aliajele acestora și unele aliaje de pământuri rare sunt comune.
Momentele magnetice ale atomilor dintr-un material feromagnetic îi fac să se comporte ca niște magneți permanenți minusculi. Ele se lipesc împreună și se combină în regiuni mici de aliniere mai mult sau mai puțin uniformă numite domenii magnetice sau domenii Weiss. Domeniile magnetice pot fi observate folosind un microscop cu forță magnetică pentru a dezvălui limitele domeniului magnetic care seamănă cu linii albe într-o schiță. Există multe experimente științifice care pot arăta fizic câmpuri magnetice.
Rolul domeniilor
Când un domeniu conține prea multe molecule, el devine instabil și se împarte în două domenii aliniate în direcții opuse pentru a se lipi mai stabil, așa cum se arată în dreapta.
Când sunt expuse la un câmp magnetic, limitele domeniului se deplasează astfel încât domeniile aliniate magnetic să crească și să domine structura (zonă galbenă punctată), așa cum se arată în stânga. Când câmpul de magnetizare este îndepărtat, este posibil ca domeniile să nu revină la o stare nemagnetizată. Asta duce ladeoarece materialul feromagnetic este magnetizat, formând un magnet permanent.
Când magnetizarea a fost suficient de puternică astfel încât domeniul dominant să se suprapună pe toate celel alte, ducând la formarea unui singur domeniu separat, materialul a fost saturat magnetic. Când un material feromagnetic magnetizat este încălzit la temperatura punctului Curie, moleculele se amestecă până în punctul în care domeniile magnetice își pierd organizarea și proprietățile magnetice pe care le provoacă încetează. Când materialul este răcit, această structură de aliniere a domeniului revine spontan, aproximativ analog cu modul în care un lichid poate îngheța într-un solid cristalin.
Antiferomagnetice
Într-un antiferomagnet, spre deosebire de un feromagnet, momentele magnetice intrinseci ale electronilor de valență vecini tind să îndrepte în direcții opuse. Când toți atomii sunt aranjați într-o substanță astfel încât fiecare vecin să fie antiparalel, substanța este antiferomagnetică. Antiferomagneții au un moment magnetic net de zero, ceea ce înseamnă că nu creează un câmp.
Antiferomagneții sunt mai rari decât alte tipuri de comportament și sunt observați cel mai adesea la temperaturi scăzute. La diferite temperaturi, antiferomagneții prezintă proprietăți diamagnetice și feromagnetice.
În unele materiale, electronii vecini preferă să îndrepte în direcții opuse, dar nu există o aranjare geometrică în care fiecare pereche de vecini să fie anti-aliniată. Se numește spin glass șieste un exemplu de frustrare geometrică.
Proprietăți magnetice ale materialelor feromagnetice
Asemenea feromagnetismului, ferimagneții își păstrează magnetizarea în absența unui câmp. Cu toate acestea, ca și antiferomagneții, perechile adiacente de spini de electroni tind să îndrepte în direcții opuse. Aceste două proprietăți nu se contrazic deoarece, într-o aranjare geometrică optimă, momentul magnetic dintr-o subrețea de electroni care indică în aceeași direcție este mai mare decât dintr-o subrețea care indică în direcția opusă.
Majoritatea feritelor sunt ferimagnetice. Proprietățile magnetice ale materialelor feromagnetice astăzi sunt considerate incontestabile. Prima substanță magnetică descoperită, magnetita, este o ferită și se credea inițial a fi un feromagnet. Cu toate acestea, Louis Neel a infirmat acest lucru descoperind ferimagnetismul.
Când un feromagnet sau un ferimagnet este suficient de mic, acesta acționează ca un singur spin magnetic care este supus mișcării browniene. Răspunsul său la un câmp magnetic este calitativ similar cu cel al unui paramagnet, dar mult mai mult.
Electromagneți
Un electromagnet este un magnet în care un câmp magnetic este creat de un curent electric. Câmpul magnetic dispare atunci când curentul este oprit. Electromagneții constau de obicei dintr-un număr mare de spire de sârmă strâns distanțate care creează un câmp magnetic. Bobinele de sârmă sunt adesea înfășurate în jurul unui miez magnetic din material feromagnetic sau ferimagnetic.un material cum ar fi fierul; miezul magnetic concentrează fluxul magnetic și creează un magnet mai puternic.
Principalul avantaj al unui electromagnet față de un magnet permanent este că câmpul magnetic poate fi modificat rapid prin controlul cantității de curent electric din înfășurare. Totuși, spre deosebire de un magnet permanent, care nu necesită putere, un electromagnet necesită o alimentare continuă cu curent pentru a menține câmpul magnetic.
Electromagneții sunt folosiți pe scară largă ca componente ale altor dispozitive electrice, cum ar fi motoare, generatoare, relee, solenoizi, difuzoare, hard disk-uri, aparate RMN, instrumente științifice și echipamente de separare magnetică. Electromagneții sunt folosiți și în industrie pentru a prinde și a muta obiecte grele de fier, cum ar fi fier vechi și oțel. Electromagnetismul a fost descoperit în 1820. În același timp, a fost publicată prima clasificare a materialelor în funcție de proprietăți magnetice.
