Magnetska svojstva tvari. Klasifikacija tvari magnetskim svojstvima

Na ovaj ili onaj način, svi materijali imaju magnetska svojstva, jer ta svojstva odražavaju strukturalne obrasce svojstvene materiji na mikro razini. Značajke strukture uzrokuju razlike u magnetskim svojstvima tvari, odnosno u prirodi njihove interakcije s magnetskim poljem.

Struktura materije i magnetizam

Prvu teoriju koja objašnjava prirodu magnetizma kroz međudjelovanje električnih i magnetskih pojava stvorila je francuska fizičarka J.-M. Amper 20-ih godina XIX stoljeća. U okviru te teorije Ampere je sugerirao prisutnost mikroskopskih zatvorenih struja u fizičkim tijelima, koje se obično međusobno kompenziraju. Ali za tvari s magnetskim svojstvima, takve "molekularne struje" stvaraju površinsku struju, zbog čega materijal postaje trajni magnet. Ta hipoteza nije potvrđena, osim jedne vrlo važne ideje - o mikro strujama kao izvorima magnetskih polja.

Mikrokure u materiji postoje zbog kretanja elektrona u atomima i stvaranja magnetskog momenta. Osim toga, elektroni imaju svoj magnetski moment kvantne prirode.

Ukupni magnetski trenutak tvari, tj. Agregat elementarnih struja u njemu, u odnosu na jedinični volumen, određuje stanje magnetizacije makroskopskog tijela. Za većinu tvari momenti čestica su nasumce orijentirani (toplinska kaotična oscilacija igra glavnu ulogu u tome), a magnetizacija je gotovo nula.

Ponašanje tvari u magnetskom polju

Pod djelovanjem vanjskog magnetskog polja, vektori magnetskih trenutaka čestica mijenjaju smjer - tijelo je magnetizirano, au njemu se pojavljuje vlastito magnetsko polje. Priroda te promjene i njezin intenzitet, koji određuju magnetska svojstva tvari, posljedica su različitih čimbenika:

• strukturne značajke elektronskih ljuski u atomima i molekulama tvari;
• interatomske i intermolekularne interakcije;
• značajke strukture kristalne rešetke (anizotropija);
• temperatura tvari;
• intenzitet i konfiguracija magnetskog polja i tako dalje.

Magnetizacija tvari je proporcionalna jakost magnetskog polja u njemu. Njihov omjer određen je posebnim koeficijentom - magnetskom susceptibilnošću. U vakuumu je nula, neke su tvari negativne.

Vrijednost koja karakterizira omjer magnetske indukcije i jakosti polja u tvari obično se naziva magnetska permeabilnost. U vakuumu se indukcija i intenzitet podudaraju, a njegova propusnost jednaka je jedinstvu. Magnetska permeabilnost tvari može se izraziti kao relativna vrijednost. To je omjer njegovih apsolutnih vrijednosti za određenu tvar i za vakuum (zadnja se vrijednost uzima kao magnetska konstanta).

Klasifikacija tvari magnetskim svojstvima

Prema tipu ponašanja raznih čvrstih materijala, tekućina, plinova u magnetskom polju, razlikuje se nekoliko grupa:

• dijamagnetska;
• paramagnetski;
• feromagneta;
• ferrimagnets;
• antiferromagnets.

Glavna magnetska svojstva tvari na kojima se temelji klasifikacija su magnetska susceptibilnost i magnetska permeabilnost. Karakteriziramo osnovna svojstva svojstvena svakoj skupini.

diamagnetics

Zbog nekih strukturnih svojstava oblaka elektrona, atomi (ili molekule) dijamagnetskih materijala nemaju magnetski moment. Pojavljuje se kada se pojavi vanjsko polje. Inducirano, inducirano polje ima suprotan smjer, a rezultirajuće polje je nešto slabije od vanjskog. Istina, ta razlika ne može biti značajna.

Magnetska susceptibilnost diamagnetika izražena je negativnim brojevima reda veličine od 10 ^-4 do 10 ^-6 i ne ovisi o jakosti polja; magnetska permeabilnost niža je od vakuuma, istim redom veličine.

Nametanje nejednolikog magnetskog polja dovodi do činjenice da se ovo polje izbacuje iz diamagnetika, budući da ima tendenciju pomicanja u područje gdje je polje slabije. Utjecaj dijamagnetske levitacije temelji se na toj značajki magnetskih svojstava tvari ove skupine.

Diamagnetski predstavljaju veliku skupinu tvari. Uključuje metale kao što su bakar, cink, zlato, srebro, bizmut. Također uključuje silicij, germanij, fosfor, dušik, vodik, inertne plinove. Od složenih tvari - voda, mnoge soli, organski spojevi. Idealni diamagneti su supravodiči. Njihova magnetska permeabilnost je nula. Polje unutar supravodiča ne može prodrijeti.

paramagnetičan

Tvari koje pripadaju ovoj skupini karakterizira pozitivna magnetska susceptibilnost (vrlo niska, reda 10 ^-5 - 10 ^-6 ). One su magnetizirane paralelno vektoru primijenjenog polja, tj. Uvučene su u njega, ali je interakcija paramagnetika s njom vrlo slaba, kao u diamagnetskom. Njihova magnetska permeabilnost je blizu vrijednosti propusnosti vakuuma, samo ju neznatno nadmašuje.

U odsutnosti vanjskog polja, paramagnetski materijali, u pravilu, ne posjeduju magnetizaciju: njihovi atomi imaju svoje magnetske momente, ali su nasumično orijentirani zbog toplinskih oscilacija. Na niskim temperaturama, paramagnetski materijali mogu imati svoju malu magnetizaciju, koja jako ovisi o vanjskim utjecajima. Međutim, utjecaj toplinskog gibanja je prevelik, zbog čega elementarni magnetni momenti paramagnetskih materijala nikada nisu postavljeni točno u smjeru polja. To je razlog njihove niske magnetske susceptibilnosti.

Sile interatomskih i intermolekularnih interakcija također igraju značajnu ulogu, ili pridonose ili, naprotiv, odupiru uređenju elementarnih magnetskih trenutaka. To uzrokuje širok raspon magnetskih svojstava tvari paramagnetskih materijala.

Ova skupina tvari uključuje mnoge metale, kao što su volfram, aluminij, mangan, natrij, magnezij. Paramagnetski su kisik, soli željeza, neki oksidi.

feromagneta

Postoji mala skupina tvari koje zbog osobitosti strukture imaju vrlo velika magnetska svojstva. Prvi metal u kojem su otkrivene ove osobine bio je željezo, a zahvaljujući njemu ova skupina dobila je ime feromagnetika.

Strukturu feromagneta karakterizira postojanje posebnih struktura - domena. To su područja gdje se magnetizacija spontano formira. Zbog osobitosti interatomskih i intermolekularnih interakcija, ferromagneti uspostavljaju energetski najpovoljniji raspored atomskih i elektroničkih magnetskih trenutaka. Oni stječu paralelni smjer u takozvanim smjerovima lake magnetizacije. Međutim, cijeli volumen, na primjer, kristala željeza ne može steći jednosmjernu spontanu magnetizaciju - to bi povećalo ukupnu energiju sustava. Stoga je sustav podijeljen na dijelove, čija se spontana magnetizacija u feromagnetskom tijelu međusobno kompenzira. Ovako se oblikuju domene.

Magnetska susceptibilnost feromagneta je izuzetno visoka, može biti od nekoliko desetaka do stotina tisuća, te u velikoj mjeri ovisi o snazi ​​vanjskog polja. Razlog tome je što se orijentacija domena u smjeru polja pokazala energetski povoljnom. Smjer vektora magnetizacije dijela domena nužno će se podudarati s vektorom jakosti polja, a njihova će energija biti najmanja. Takva područja rastu i istovremeno se smanjuju neprofitabilne orijentirane domene. Magnetizacija se povećava i magnetska indukcija se povećava. Proces je neravnomjeran, a graf povezanosti indukcije s intenzitetom vanjskog polja naziva se krivulja magnetizacije feromagnetne tvari.

Kada se temperatura povisi na određenu graničnu vrijednost, koja se naziva Curieova točka, struktura domene je poremećena zbog povećanog toplinskog gibanja. Pod tim uvjetima, feromagnetik pokazuje paramagnetska svojstva.

Osim željeza i čelika, feromagnetska svojstva su svojstvena kobaltu i niklu, nekim legurama i metali rijetkih zemalja.

Ferrimagnetici i antiferromagneti

Struktura domene također je svojstvena dvjema vrstama magnetskih materijala, ali magnetski momenti u njima su orijentirani antiparalelno. To su grupe kao što su:

• Antiferromagnets. Magnetski momenti domena u tim supstancama jednaki su u numeričkoj vrijednosti i međusobno kompenzirani. Zbog toga se magnetska svojstva materijala antiferromagneta odlikuju izrazito niskom magnetskom susceptibilnošću. U vanjskom polju, oni se manifestiraju kao vrlo slabi paramagnetici. Iznad granične temperature, nazvane Neelovom točkom, takva tvar postaje običan paramagnetik. Antiferromagneti su krom, mangan, neki metali rijetkih zemalja, aktinidi. Neke antiferomagnetske legure imaju dvije točke Neel. Kada je temperatura ispod donjeg praga, materijal postaje feromagnetski.
• Ferrimagnets. Za tvari ove klase magnitude magnetskih trenutaka različitih strukturnih jedinica nisu jednake, zbog čega se ne pojavljuje njihova uzajamna kompenzacija. Njihova magnetska susceptibilnost ovisi o temperaturi i intenzitetu polja magnetiziranja. Ferrimagnetici uključuju ferite, koji uključuju željezni oksid.

Pojam histereze. Trajni magnetizam

Feromagnetski i ferimagnetski materijali imaju svojstvo zaostale magnetizacije. Ovo svojstvo je posljedica fenomena histereze - lag. Njegova se suština sastoji u zaostajanju promjene magnetizacije materijala od promjene vanjskog polja. Ako se pri postizanju zasićenja jakost polja smanji, magnetizacija se neće mijenjati u skladu s krivuljom magnetizacije, nego na nježniji način, jer značajan dio domena ostaje orijentiran prema vektoru polja. Zbog te pojave postoje stalni magneti.

Razgrađivanje se događa kada polje mijenja smjer, kada dosegne određenu vrijednost, nazvanu prisilna (usporena) sila. Što je veća njegova vrijednost, to tvar zadržava preostalu magnetizaciju. Zatvaranje petlje histereze događa se sljedećom promjenom napetosti u smjeru i veličini.

Magnetska tvrdoća i mekoća

Fenomen histereze uvelike utječe na magnetska svojstva materijala. Supstance u kojima je petlja na grafikonu histereze proširena, zahtijevaju značajnu silu za demagnetizaciju, nazivaju se magnetski tvrdim materijalima s uskom petljom, koje se mnogo lakše demagnetiziraju - magnetski mekane.

U naizmjeničnim poljima, magnetska histereza postaje posebno svijetla. Uvijek ga prati vrućina. Osim toga, u izmjeničnom magnetskom polju u magnetskom polju javljaju se vrtložne indukcijske struje koje emitiraju posebno veliku količinu topline.

Mnogi ferromagneti i ferimagneti se koriste u opremi koja radi na izmjeničnoj struji (na primjer, jezgre elektromagneta) i tijekom rada se remagnetiziraju. Kako bi se smanjili gubici energije zbog histereze i dinamičkih gubitaka vrtložnih struja, u takvoj se opremi koristi magnetska oprema kao što je čisto željezo, feriti, električni čelici i legure (npr. Permalloy). Postoje i drugi načini za smanjenje gubitaka energije.

Tvrde tvari se, za razliku od njih, koriste u opremi koja radi na stalnom magnetskom polju. Oni zadržavaju svoju preostalu magnetizaciju mnogo duže, ali ih je teže magnetizirati do zasićenja. Mnogi od njih su trenutno kompoziti različitih vrsta, na primjer, metal-keramički ili neodimski magneti.

Malo više o upotrebi magnetskih materijala.

Moderne visokotehnološke industrije zahtijevaju upotrebu magneta proizvedenih od strukturnih materijala, uključujući kompozitne materijale s određenim magnetskim svojstvima tvari. To su, na primjer, magnetni nanokompoziti feromagneta-superprovodnika ili feromagnetik-paramagnet koji se koriste u spintronikama, ili magnetopolimeri - gelovi, elastomeri, lateksi, ferrofluidi, koji se široko koriste.

Različite magnetske legure također su izuzetno tražene. Neodim-željezo-bor legura karakterizira visoka otpornost na demagnetizaciju i snagu: gore spomenuti neodimijski magneti, koji su danas najsnažniji stalni magneti, koriste se u raznim industrijama, unatoč prisutnosti nekih nedostataka, kao što je lomljivost. Koriste se u magnetskim rezonantnim aparatima, vjetroturbinama, pri čišćenju tehničkih tekućina i podizanju teških tereta.

Vrlo zanimljive su mogućnosti uporabe antiferromagneta u niskotemperaturnim nanostrukturama za proizvodnju memorijskih stanica, što može značajno povećati gustoću snimanja bez ometanja stanja susjednih bitova.

Mora se pretpostaviti da će primjena magnetskih svojstava tvari s danim karakteristikama sve više rasti i omogućiti ozbiljna tehnološka otkrića u različitim područjima.