Магнитни свойства на материята и тяхното приложение. Магнитни свойства на материята. Магнитна пропускливост. "Магнитни свойства на материята"
Всички материали имат магнитни свойства в една или друга степен, тъй като тези свойства са отражение на структурните модели, присъщи на материята на микрониво. Структурните особености причиняват разлики в магнитните свойства на веществата, тоест в естеството на тяхното взаимодействие с магнитно поле.
Структурата на материята и магнетизмът
Първата теория, обясняваща природата на магнетизма чрез връзката между електрически и магнитни явления, е създадена от френския физик J.-M. Ампер през 20-те години на 19 век. В рамките на тази теория Ампер предполага наличието във физическите тела на микроскопични затворени токове, които обикновено се компенсират взаимно. Но за веществата с магнитни свойства такива "молекулярни токове" създават повърхностен ток, в резултат на което материалът се превръща в постоянен магнит. Тази хипотеза не е потвърдена, с изключение на една важна идея - за микротоковете като източници на магнитни полета.
Микротоковете в материята наистина съществуват поради движението на електроните в атомите и създават магнитен момент. Освен това електроните имат свой собствен магнитен момент от квантова природа.
Общият магнитен момент на веществото, т.е. съвкупността от елементарни токове в него, спрямо единица обем, определя състоянието на намагнитване на макроскопично тяло. В повечето вещества моментите на частиците са произволно ориентирани (водеща роля в това играят термичните хаотични колебания), а намагнитването е практически нулево.
Поведението на материята в магнитно поле
Под действието на външно магнитно поле векторите на магнитните моменти на частиците променят посоката си - тялото се магнетизира и в него се появява собствено магнитно поле. Естеството на тази промяна и нейната интензивност, които определят магнитните свойства на веществата, се дължат на различни фактори:
- характеристики на структурата на електронните обвивки в атомите и молекулите на материята;
- междуатомни и междумолекулни взаимодействия;
- характеристики на структурата на кристалните решетки (анизотропия);
- температурата на веществото;
- сила и конфигурация на магнитното поле и т.н.
Намагнитването на дадено вещество е пропорционално на силата на магнитното поле в него. Съотношението им се определя от специален коефициент - магнитна чувствителност. Във вакуум е равен на нула, в някои вещества е отрицателен.
Стойността, характеризираща съотношението на магнитната индукция и силата на полето в дадено вещество, обикновено се нарича магнитна пропускливост. Във вакуум индукцията и напрежението съвпадат, а пропускливостта му е равна на единица. Магнитната проницаемост на дадено вещество може да се изрази като относителна стойност. Това е съотношението на неговите абсолютни стойности за дадено вещество и за вакуум (последната стойност се приема като магнитна константа).
Класификация на веществата според магнитните свойства
Според вида на поведението на различни твърди материали, течности, газове в магнитно поле се разграничават няколко групи:
- диамагнити;
- парамагнетици;
- феромагнетици;
- феримагнетици;
- антиферомагнетици.
Основните магнитни характеристики на веществото, които са в основата на класификацията, са магнитна чувствителност и магнитна проницаемост. Нека характеризираме основните свойства, присъщи на всяка група.
Диамагнети
Поради някои характеристики на структурата на електронните облаци, атомите (или молекулите) на диамагнитите нямат магнитен момент. Появява се при възникване на външно поле. Индуцираното, индуцирано поле има обратна посока и полученото поле се оказва малко по-слабо от външното. Вярно, тази разлика не може да бъде съществена.
Магнитната чувствителност на диамагнетиците се изразява в отрицателни числа с порядък от 10-4 до 10-6 и не зависи от силата на полето; магнитната проницаемост е по-ниска от тази на вакуума със същия порядък.
Налагането на нехомогенно магнитно поле води до факта, че диамагнитът се изтласква от това поле, тъй като има тенденция да се премести в област, където полето е по-слабо. Ефектът от диамагнитната левитация се основава на тази характеристика на магнитните свойства на веществата от тази група.
Диамагнитите представляват обширна група вещества. Включва метали като мед, цинк, злато, сребро, бисмут. Също така включва силиций, германий, фосфор, азот, водород, инертни газове. От сложните вещества - вода, много соли, органични съединения. Идеалните диамагнетици са свръхпроводници. Тяхната магнитна проницаемост е равна на нула. Полето не може да проникне в свръхпроводника.
Парамагнетици
Веществата, принадлежащи към тази група, се характеризират с положителна магнитна чувствителност (много ниска, около 10-5 - 10-6). Те са намагнетизирани успоредно на вектора на насложеното поле, тоест те са изтеглени в него, но взаимодействието на парамагнетиците с него е много слабо, като това на диамагнетиците. Тяхната магнитна проницаемост е близка до стойността на вакуумната проницаемост, само малко я надвишава.
При отсъствието на външно поле парамагнитите като правило не притежават намагнитване: техните атоми имат свои собствени магнитни моменти, но са произволно ориентирани поради топлинни вибрации. При ниски температури парамагнетиците могат да имат малка собствена намагнитност, която силно зависи от външни влияния. Влиянието на топлинното движение обаче е твърде голямо, в резултат на което елементарните магнитни моменти на парамагнетиците никога не се установяват точно по посока на полето. Това е причината за тяхната ниска магнитна чувствителност.
Силите на междуатомно и междумолекулно взаимодействие също играят значителна роля, допринасяйки или, напротив, съпротивлявайки се на подреждането на елементарни магнитни моменти. Това причинява голямо разнообразие от магнитни свойства на парамагнитната материя.
Тази група вещества включва много метали, като волфрам, алуминий, манган, натрий, магнезий. Парамагнетиците са кислород, железни соли, някои оксиди.
феромагнетици
Има малка група вещества, които поради структурни характеристики имат много високи магнитни свойства. Първият метал, в който са открити тези качества, е желязото и благодарение на него тази група получава името феромагнетици.
Структурата на феромагнетиците се характеризира с наличието на специални структури - домени. Това са области, където намагнитването се образува спонтанно. Поради особеностите на междуатомното и междумолекулното взаимодействие феромагнитите имат най-енергетично благоприятното разположение на атомните и електронните магнитни моменти. Те придобиват успоредна ориентация по така наречените посоки на лесно намагнитване. Въпреки това, целият обем на, например, железен кристал не може да придобие еднопосочна спонтанна магнетизация - това би увеличило общата енергия на системата. Следователно системата е разделена на секции, чието спонтанно намагнитване във феромагнитно тяло се компенсира взаимно. Така се образуват домейни.
Магнитната чувствителност на феромагнетиците е изключително висока, варираща от няколко десетки до стотици хиляди и зависи до голяма степен от силата на външното поле. Причината за това е, че ориентацията на домейните по посока на полето също се оказва енергийно изгодна. Посоката на вектора на намагнитване на част от домейните задължително ще съвпада с вектора на напрегнатостта на полето и тяхната енергия ще бъде най-ниска. Такива области растат, а неблагоприятно ориентираните домейни се свиват в същото време. Намагнитването се увеличава и магнитната индукция се увеличава. Процесът протича неравномерно и графиката на връзката между индукцията и силата на външното поле се нарича крива на намагнитване на феромагнитно вещество.
Когато температурата се повиши до определена прагова стойност, наречена точка на Кюри, структурата на домейна се нарушава поради увеличеното топлинно движение. При тези условия феромагнетикът проявява парамагнитни качества.
В допълнение към желязото и стоманата, феромагнитните свойства са присъщи на кобалт и никел, някои сплави и редкоземни метали.
Феримагнетици и антиферомагнетици
Двата вида магнити също се характеризират с доменна структура, но магнитните моменти в тях са ориентирани антипаралелно. Това са групи като:
- Антиферомагнетици. Магнитните моменти на домените в тези вещества са еднакви по числова стойност и взаимно се компенсират. Поради тази причина магнитните свойства на антиферомагнитните материали се характеризират с изключително ниска магнитна чувствителност. Във външно поле те се проявяват като много слаби парамагнетици. Над прагова температура, наречена точка на Neel, такава материя се превръща в обикновен парамагнетик. Антиферомагнетици са хром, манган, някои редкоземни метали, актиниди. Някои антиферомагнитни сплави имат две точки на Neel. Когато температурата е под долния праг, материалът става феромагнитен.
- Феримагнетици. За веществата от този клас величините на магнитните моменти на различни структурни единици не са еднакви, поради което не настъпва тяхната взаимна компенсация. Тяхната магнитна чувствителност зависи от температурата и силата на магнетизиращото поле. Феримагнетиците са ферити, съдържащи железен оксид.
Понятието хистерезис. постоянен магнетизъм
Феромагнитните и феримагнитните материали имат свойството на остатъчна магнетизация. Това свойство се дължи на явлението хистерезис - забавяне. Същността му е, че промяната в намагнитването на материала изостава от промяната във външното поле. Ако при достигане на насищане силата на полето се намали, намагнитването ще се промени не в съответствие с кривата на намагнитване, а по по-мек начин, тъй като значителна част от домейните остават ориентирани според вектора на полето. Благодарение на това явление съществуват постоянни магнити.
Размагнитването възниква при промяна на посоката на полето, когато то достигне определена стойност, наречена коерцитивна (забавяща) сила. Колкото по-голяма е стойността му, толкова по-добре веществото запазва остатъчната магнетизация. Затварянето на хистерезисната верига става при следваща промяна на интензитета по посока и големина.
Магнитна твърдост и мекота
Феноменът на хистерезис силно влияе върху магнитните свойства на материалите. Вещества, в които веригата е разширена на графиката на хистерезис, изискваща значителна коерцитивна сила за демагнетизиране, се наричат магнитно твърди, материали с тесен контур, които са много по-лесни за демагнетизиране, се наричат меки магнитни.
При променливи полета магнитният хистерезис е особено изразен. Винаги е придружено от отделяне на топлина. В допълнение, в променливо магнитно поле в магнита възникват вихрови индукционни токове, освобождавайки особено голямо количество топлина.
Много феромагнити и феримагнетици се използват в оборудване, което работи с променлив ток (например сърцевините на електромагнитите) и постоянно се ремагнетизират по време на работа. За да се намалят загубите на енергия поради хистерезис и динамични загуби поради вихрови токове, в такова оборудване се използват меки магнитни материали като чисто желязо, ферити, електротехнически стомани, сплави (например пермалой). Има и други начини за минимизиране на загубите на енергия.
Магнитните твърди тела, напротив, се използват в оборудване, работещо в постоянно магнитно поле. Те запазват остатъчната си устойчивост много по-дълго, но са по-трудни за магнетизиране до насищане. Много от тях в момента са композитни материали от различни видове, като металокерамични или неодимови магнити.
Малко повече за използването на магнитни материали
Съвременните високотехнологични индустрии изискват използването на магнити, изработени от структурни, включително композитни материали с определени магнитни свойства на веществата. Такива са например феромагнетик-свръхпроводник или феромагнетик-парамагнетик магнитни нанокомпозити, използвани в спинтрониката, или магнитополимери - гелове, еластомери, латекси, ферофлуиди, които се използват широко.
Изключително търсени са и различни магнитни сплави. Сплавта неодим-желязо-бор се характеризира с висока устойчивост на размагнитване и мощност: споменатите по-горе неодимови магнити, които са най-мощните постоянни магнити днес, се използват в голямо разнообразие от индустрии, въпреки наличието на някои недостатъци, като крехкостта . Използват се в магнитно-резонансни томографи, вятърни турбини, при почистване на технически течности и повдигане на тежки товари.
Голям интерес представляват перспективите за използване на антиферомагнетици в нискотемпературни наноструктури за производство на клетки с памет, което позволява значително увеличаване на плътността на запис, без да се нарушава състоянието на съседните битове.
Трябва да се предположи, че използването на магнитните свойства на веществата с желани характеристики ще се разширява все повече и повече и ще осигури сериозни технологични пробиви в различни области.
Министерство на образованието и науката на Република Казахстан
Костанайски държавен университет на име Ахмет Байтурсынов
Резюме по темата:
"Магнитни свойства на материята"
Изпълнил: студент от група 08-101-31
Специалности 050718
Литвиненко Р.В.
Проверен от: Sapa V.Yu.
Костанай 2009-2010.
Планирайте.
1) Класификация на веществата според магнитните свойства.
2) Класификация на магнитните материали.
3) Основни изисквания към материалите.
4) Феромагнетици.
5) Диамагнетици и парамагнетици в магнитно поле.
6) Литература.
Класификация на веществата според магнитните свойства
Според реакцията на външно магнитно поле и естеството на вътрешното магнитно подреждане всички вещества в природата могат да бъдат разделени на пет групи: диамагнетици, парамагнетици, феромагнетици, антиферомагнетици и феримагнетици. Изброените видове магнити съответстват на пет различни вида магнитно състояние на материята: диамагнетизъм, парамагнетизъм, феромагнетизъм, антиферомагнетизъм и феримагнетизъм.
Диамагнетиците са вещества, при които магнитната чувствителност е отрицателна и не зависи от силата на външното магнитно поле. Диамагнитите включват инертни газове, водород, азот, много течности (вода, нефт и неговите производни), редица метали (мед, сребро, злато, цинк, живак, галий и др.), повечето полупроводници (силиций, германий, съединения A3 B 5, A 2 B 6) и органични съединения, алкално-халогенидни кристали, неорганични стъкла и др. Диамагнетици са всички вещества с ковалентна химична връзка и вещества в свръхпроводящо състояние.
Парамагнетиците включват вещества с положителна магнитна чувствителност, независимо от силата на външното магнитно поле. Парамагнетиците включват кислород, азотен оксид, алкални и алкалоземни метали, някои преходни метали, соли на желязо, кобалт, никел и редкоземни елементи.
Феромагнетиците включват вещества с голяма положителна магнитна чувствителност (до 10 6), която силно зависи от силата на магнитното поле и температурата.
Антиферомагнетиците са вещества, в които под определена температура спонтанно възниква антипаралелна ориентация на елементарните магнитни моменти на идентични атоми или йони на кристалната решетка. При нагряване антиферомагнетикът претърпява фазов преход в парамагнитно състояние. Антиферомагнетизъм е открит в хром, манган и редица редкоземни елементи (Ce, Nd, Sm, Tm и др.). Типичните антиферомагнетици са най-простите химични съединения на основата на метали от преходната група като оксиди, халогениди, сулфиди, карбонати и др.
Феримагнетиците са вещества, чиито магнитни свойства се дължат на некомпенсиран антиферомагнетизъм. Подобно на феромагнетиците, те имат висока магнитна чувствителност, която зависи значително от силата на магнитното поле и температурата. Наред с това феримагнетиците се характеризират и с редица съществени разлики от феромагнитните материали.
Някои подредени метални сплави имат свойствата на феримагнетици, но главно различни оксидни съединения, сред които най-голям практически интерес представляват феритите.
Класификация на магнитните материали
Магнитните материали, използвани в електронното инженерство, се разделят на две основни групи: твърд магнитенИ мек магнитен. Материалите са класифицирани в отделна група със специално предназначение .
ДА СЕ твърд магнитенвключват материали с голяма коерцитивна сила N s. Те се ремагнетизират само в много силни магнитни полета и се използват за направата на постоянни магнити.
ДА СЕ мек магнитенвключват материали с ниска коерцитивна сила и висока магнитна пропускливост. Те имат способността да се магнетизират до насищане в слаби магнитни полета, характеризират се с тясна хистерезисна верига и ниски загуби от повторно намагнитване. Меките магнитни материали се използват главно като различни магнитни вериги: сърцевини на дросели, трансформатори, електромагнити, магнитни системи на електрически измервателни уреди и др.
Условно меките магнитни материали се считат за материали, в които H с< 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н с >4 kA/m. Все пак трябва да се отбележи, че за най-добрите меки магнитни материали коерцитивната сила може да бъде по-малка от 1 A/m, а за най-добрите твърди магнитни материали стойността й надвишава 500 kA/m. По отношение на обхвата на приложение в електронното инженерство, сред материалите със специално предназначение трябва да се отделят материали с правоъгълна хистерезисна верига (SHL), ферити за микровълнови устройства и магнитострикционни материали.
В рамките на всяка група разделянето на магнитните материали на родове и типове отразява различията в тяхната структура и химичен състав, отчита технологичните особености и някои специфични свойства.
Свойствата на магнитните материали се определят от формата на кривата на намагнитване и хистерезисната верига. Меките магнитни материали се използват за получаване на високи стойности на магнитния поток. Големината на магнитния поток е ограничена от магнитното насищане на материала и следователно основното изискване за магнитните материали в електротехниката и електрониката с голям ток е високата индукция на насищане. Свойствата на магнитните материали зависят от техния химичен състав, чистотата на използваната суровина и технологията на производство. В зависимост от суровината и технологията на производство меките магнитни материали се разделят на три групи: монолитни метални материали, прахообразни метални материали (магнитодиелектрици) и оксидни магнитни материали, накратко наричани ферити.
Основни изисквания към материалите
В допълнение към високата магнитна проницаемост и ниската коерцитивна сила, меките магнитни материали трябва да имат висока индукция на насищане, т.е. да премине максималния магнитен поток през дадена площ на напречното сечение на магнитната верига. Изпълнението на това изискване позволява да се намалят общите размери и тегло на магнитната система.
Магнитният материал, използван в променливи полета, трябва да има евентуално по-ниски загуби от повторно намагнитване, които се състоят главно от хистерезис и загуби от вихрови токове.
За намаляване на загубите от вихрови токове в трансформаторите се избират меки магнитни материали с повишено съпротивление. Обикновено магнитните вериги се сглобяват от отделни тънки листове, изолирани един от друг. Лентовите сърцевини, навити от тънка лента с изолация между завои от диелектричен лак, са получили широко приложение. Изискването за висока пластичност се налага на листови и лентови материали, поради което процесът на производство на продукти от тях се улеснява.
Важно изискване към меките магнитни материали е да се осигури стабилност на техните свойства, както във времето, така и по отношение на външни влияния, като температура и механични напрежения. От всички магнитни характеристики най-големите промени по време на работа на материала са обект на магнитна пропускливост (особено в слаби полета) и коерцитивна сила.
Феромагнетици.
Разделянето на веществата на диа-, пара- и феромагнетици е до голяма степен условно, т.к първите два вида вещества се различават по магнитни свойства от вакуума с по-малко от 0,05%. На практика всички вещества обикновено се разделят на феромагнитни (феромагнетици) и неферомагнитни, за които относителната магнитна проницаемост m може да се приеме равна на 1,0.
Феромагнетиците включват желязо, кобалт, никел и сплави на тяхна основа. Те имат магнитна проницаемост, която превишава проницаемостта на вакуума няколко хиляди пъти. Следователно всички електрически устройства, които използват магнитни полета за преобразуване на енергия, трябва да имат структурни елементи, изработени от феромагнитен материал и предназначени да провеждат магнитен поток . Такива елементи се наричат магнитни вериги .
В допълнение към високата магнитна проницаемост, феромагнетиците имат силно изразена нелинейна зависимост на индукцията бот силата на магнитното поле з, а в случай на обръщане на намагнитването, връзката между бИ зстава двусмислен. Функции б (з) са от особено значение, т.к само с тяхна помощ е възможно да се изследват електромагнитни процеси във вериги, съдържащи елементи, в които магнитният поток преминава във феромагнитна среда. Тези функции са два вида: криви на намагнитване и хистерезисни вериги .
Помислете за процеса на обръщане на намагнитването на феромагнетик. Да предположим, че първоначално е бил напълно демагнетизиран. Първо, индукцията нараства бързо поради факта, че магнитните диполи са ориентирани по силовите линии на полето, добавяйки собствения си магнитен поток към външния. След това растежът му се забавя, тъй като броят на неориентираните диполи намалява и накрая, когато почти всички са ориентирани по външното поле, растежът на индукцията спира и режимът насищане (Фиг. 1).
Ако по време на процеса на намагнитване силата на полето се доведе до определена стойност и след това започне да намалява, тогава намаляването на индукцията ще настъпи по-бавно, отколкото по време на намагнитването, и новата крива ще се различава от първоначалната. Нарича се кривата на промяна на индукцията с увеличаване на силата на полето за предварително напълно демагнетизирано вещество начална крива на намагнитване . На фиг. 1 е показана като удебелена линия.
След няколко (около 10) цикъла на промяна на интензитета от положителни към отрицателни максимални стойности, зависимостта б =f (з) ще започне да се повтаря и ще придобие характерната форма на симетрична затворена крива, т.нар хистерезисна верига . Хистерезисът е изоставането от промяната в индукцията от силата на магнитното поле . Явлението хистерезис е характерно най-общо за всички процеси, при които се наблюдава зависимост на една величина от стойността на друга не само в текущото състояние, но и в предишното състояние, т.е. б 2 =f (з 2 ,з 1) - къде з 2 и з 1 - съответно текущите и предишните стойности на напрежението.
Хистерезисните вериги могат да бъдат получени за различни стойности на максималната сила на външното поле з м(фиг. 2). Локусът на върховите точки на симетричните хистерезисни цикли се нарича основна крива на намагнитване . Основната крива на намагнитване практически съвпада с началната крива.
Симетрична хистерезисна верига, получена при максимална напрегнатост на полето з м(фиг. 2), съответстващ на насищането на феромагнетик, се нарича граничен цикъл .
За граничния цикъл се задават и стойностите на индукция б rпри з= 0, което се нарича остатъчна индукция , и стойност з ° Спри б= 0, наречено принудителна сила . Коерцитивната (задържаща) сила показва каква сила на външното поле трябва да се приложи към веществото, за да се намали остатъчната индукция до нула.
Формата и характерните точки на граничния цикъл определят свойствата на феромагнетика. Веществата с голяма остатъчна индукция, коерцитивна сила и площ на хистерезисната верига (крива 1 на фиг. 3) се наричат твърд магнитен . Използват се за направата на постоянни магнити. Вещества с ниска остатъчна индукция и площ на контура на хистерезис (крива 2 на фиг. 3) се наричат магнитно мек и се използват за производството на магнитни вериги на електрически устройства, особено тези, работещи с периодично променящ се магнитен поток.
Когато феромагнитът се ремагнетизира, в него настъпва необратимо преобразуване на енергия в топлина.
Нека магнитното поле се създава от намотката, през която протича токът аз. Тогава работата на източника на енергия на намотката, изразходвана за елементарна промяна на магнитния поток, е равна на
Графично тази работа представлява площта на елементарната лента на хистерезисната верига (фиг. 4 а)).
Общата работа по обръщане на намагнитването на единица обем на веществото се определя като интеграл върху контура на хистерезисната верига
Интеграционният контур може да бъде разделен на две секции, съответстващи на промяната в индукцията от - б мпреди б ми промяна от б мпреди - б м. Интегралите в тези области съответстват на защрихованите области на фиг. 4 а) и б). Във всяка секция част от площта съответства на отрицателната работа и след като я извадим от положителната част, ще получим и в двете секции площта, ограничена от кривата на хистерезисната верига (фиг. 4 в)).
Означавайки енергията на единица обем материя, изразходвана за обръщане на намагнитването в един пълен симетричен цикъл през W" ч =а"получаваме
Съществува емпирична зависимост за изчисляване на специфичните енергийни загуби за намагнитване
където h е коефициент в зависимост от веществото; б м- максимална стойност на индукцията; н- показател, в зависимост от б ми общоприето
н\u003d 1,6 при 0,1 T< б м < 1,0 Тл и н=2 при 0<б м < 0,1 Тл или 1,0 Тл <б м < 1,6 Тл.
Явлението хистерезис и свързаните с него загуби на енергия могат да се обяснят с хипотезата за елементарните магнити. Елементарните магнити в материята са частици, които имат магнитен момент. Това могат да бъдат магнитни полета на орбитиращи електрони, както и техните спинови магнитни моменти. Освен това последните играят най-важна роля в магнитните явления.
При нормална температура веществото на феромагнетика се състои от области (домени), спонтанно магнетизирани в определена посока, в които елементарните магнити са разположени почти успоредно един на друг и се държат в това положение от магнитни сили и сили на електрическо взаимодействие.
Магнитните полета на отделните региони не се откриват в космическото пространство, т.к всички те са магнетизирани в различни посоки. Интензитетът на спонтанното намагнитване на домейни Джзависи от температурата и при абсолютна нула е равна на интензитета на пълното насищане. Топлинното движение разрушава подредената структура и при определена температура q, характерна за дадено вещество, подредената подредба се разрушава напълно. Тази температура се нарича Точка на Кюри . Над точката на Кюри материята има свойствата на парамагнетик.
Под въздействието на външно поле състоянието на материята може да се промени по два начина. Намагнитването може да се промени или поради преориентацията на домейните, или поради изместването на техните граници по посока на областта с по-малък компонент на намагнитването, съвпадаща по посока с външното поле. Изместването на границата на домейна е обратимо само до определена граница, след което част или целият домейн се преориентира необратимо. При бързо пренасочване на домейна се създават вихрови токове, причиняващи загуби на енергия по време на обръщане на намагнитването.
Изследванията показват, че вторият начин за промяна на ориентацията е характерен за стръмния участък от кривата на намагнитване, а първият - за участъка от областта на насищане.
След като силата на външното магнитно поле намалее до нула, някои от домейните запазват новата посока на преференциална магнетизация, която се проявява като остатъчна магнетизация.
Диамагнетици и парамагнетици в магнитно поле
Микроскопичните плътности на тока в магнетизирано вещество са изключително сложни и варират значително дори в рамките на един атом. Но в много практически проблеми такова подробно описание е излишно и ние се интересуваме от средните магнитни полета, създадени от голям брой атоми.
Както вече казахме, магнитите могат да бъдат разделени на три основни групи: диамагнетици, парамагнетици и феромагнетици.
Диамагнетизъм (от гръцки. диа -несъответствие и магнетизъм) - свойството на веществата да се намагнетизират спрямо приложеното магнитно поле.
диамагнити наричат се вещества, магнитните моменти на чиито атоми при отсъствие на външно поле са равни на нула, т.к. магнитните моменти на всички електрони на атома са взаимно компенсирани(собствено магнитно поле, създадено от диамагнет, когато се магнетизира във външно поле и др.
МАГНИТНИ СВОЙСТВА НА ВЕЩЕСТВАТА
Магнетизмът е основно свойство на материята. От древни времена е известно свойството на постоянните магнити да привличат железни предмети. В продължение на много векове сред навигаторите е имало легенда за магнитна скала, която се предполага, че е способна да привлече железни гвоздеи от кораб, плаващ твърде близо до нея, и да го унищожи. За щастие такова силно магнитно поле може да съществува само в близост до неутронни звезди. Развитието на електромагнетизма направи възможно създаването на електромагнити, по-силни от съществуващите в природата константи. Като цяло, различни инструменти и устройства, базирани на използването на електромагнитни явления, са толкова широко разпространени, че сега е невъзможно да си представим живота без тях.
Но не само постоянните магнити взаимодействат с магнитно поле, но и всички други вещества. Магнитното поле, взаимодействайки с материята, променя своята величина в сравнение с вакуума (тук и по-долу всички формули са написани в системата SI):
където m0 е магнитната константа, равна на 4p " 10-7 H/m, m е магнитната пропускливост на веществото, B е магнитната индукция (в T), H е силата на магнитното поле (в A/m). За повечето вещества m е много близо до единица, следователно в магнитохимията, където основният обект е молекула, е по-удобно да се използва стойността c, дефинирана от уравнението, което се нарича магнитна чувствителност. c може да се припише на единица обем, маса или количество вещество, тогава се нарича съответно обемна (безразмерна) cv, специфична cd ( в cm3 / g) или моларна cm (в cm3 / mol) магнитна чувствителност, Ясно е, че след формула (2), вакуумът c е нула Веществата могат да бъдат разделени на две категории: тези, които отслабват магнитното поле (c 0), - парамагнетици (фиг. 1) Може да си представим, че в нехомогенно магнитно поле действа сила на диамагнет, изтласквайки го извън полето, на парамагнетик, напротив, той го привлича. Разгледаните по-долу методи за измерване на магнитните свойства на веществата се основават на това телевизия. Диамагнетиците (и това е по-голямата част от органичните и високомолекулни съединения) и главно парамагнетиците са обект на изследване на магнитохимията.
Диамагнетизмът е най-важното свойство на материята, поради факта, че под въздействието на магнитно поле електроните в запълнени електронни обвивки (които могат да бъдат представени като малки проводници) започват да прецесират и, както знаете, всяко движение на електрическият заряд предизвиква магнитно поле, което според правилото на Ленц ще бъде насочено така, че да намали въздействието от външното поле. В този случай електронната прецесия може да се разглежда като кръгови токове. Диамагнетизмът е характерен за всички вещества, с изключение на атомния водород, тъй като всички вещества имат сдвоени електрони и запълнени електронни обвивки.
Парамагнетизмът се причинява от несдвоени електрони, които се наричат така, защото собственият им магнитен момент (спин) не е балансиран от нищо (съответно спиновете на сдвоените електрони са насочени в противоположни посоки и взаимно се компенсират). В магнитно поле завъртанията се стремят да се подредят в посоката на полето, засилвайки го, въпреки че този ред е нарушен от хаотично топлинно движение. Следователно е ясно, че парамагнитната чувствителност зависи от температурата - колкото по-ниска е температурата, толкова по-висока е стойността на cm. В най-простия случай това се изразява чрез връзка, наречена закон на Кюри: където С е константата на Кюри или закон на Кюри-Вайс, където q е корекцията на Вайс. Този тип магнитна чувствителност се нарича още ориентационен парамагнетизъм, тъй като причината за него е ориентацията на елементарни магнитни моменти във външно магнитно поле.
Магнитните свойства на електроните в атома могат да бъдат описани по два начина. При първия метод се счита, че собственият (спинов) магнитен момент на електрона не влияе на орбиталния момент (поради движението на електроните около ядрото) или обратното. По-точно, такова взаимно влияние винаги съществува (спин-орбитално взаимодействие), но за 3d йони то е малко и магнитните свойства могат да бъдат описани с достатъчна точност от две квантови числа L (орбитално) и S (спин). За по-тежки атоми такова приближение става неприемливо и се въвежда още едно квантово число на общия магнитен момент J, което може да приема стойности от | L+S | преди | L-S | . Ван Влек разглежда енергийните приноси на орбиталите в зависимост от влиянието на магнитното поле (според теорията на квантово-механичните смущения те могат да бъдат разширени в серия и обобщени): където H е силата на магнитното поле и съответно E ( 0) е приносът, независим от външното поле, E (1 ) е приносът, право пропорционален на полето и т.н. Оказа се, че енергията от нулев порядък се определя от спин-орбиталното взаимодействие, което е важно при описанието на химичните връзки:
където l е константата на спин-орбиталното взаимодействие. Енергията от първи ред (на взаимодействието на магнитния момент на несдвоен електрон (m = gbS) с магнитното поле H) е равна на
където g е факторът на Lande, обикновено равен на две за повечето съединения, b е магнетонът на Бор, равен на 9,27 " 10-19 erg / Oe (припомнете си, че енергията на магнитните взаимодействия е скаларното произведение на векторите на магнитните моменти m и H).E ( 2) - енергийният принос, който ще трябва да се приеме за даденост, тъй като зависи от фините характеристики на електронната структура и е трудно да се обясни от гледна точка на класическата физика. внимание на малката енергия на магнитното взаимодействие (за стайни температури и магнитни полета, често срещани в лабораториите, енергията на магнитните взаимодействия е с три до четири порядъка по-малка от енергията на топлинното движение на молекулите).
След математически трансформации изразът за макроскопичната магнитна чувствителност, като се вземе предвид разпределението на Болцман на ансамбъла от магнитни моменти върху енергийните нива, приема формата (неговото извеждане е представено, например, в )
Това е уравнението на Ван Флек – основното в магнитохимията, което свързва магнитните свойства със структурата на молекулите. Тук NA е числото на Авогадро, k е константата на Болцман. Вече се срещнахме с някои екстремни случаи от него по-горе. Ако = 0 и може да се пренебрегне, тогава получаваме като резултат закона на Кюри (срв. уравнение (3)), но в по-строга форма.
Може да се види, че законът на Кюри отразява така наречения чист спинов магнетизъм, който е характерен за повечето парамагнитни съединения, като соли на мед, желязо, никел и други преходни метали. Ако = 0 и @ kT, тогава уравнението на Van Vleck е значително опростено: където Na е независимият от температурата (Van Vleck) парамагнетизъм. Както се вижда от горното, парамагнетизмът на Ван Флек е чисто квантов феномен и е необясним от гледна точка на класическата физика. Може да се представи като смес от възбудени енергийни нива към основното състояние на молекулата.
Има доста вещества, които при понижаване на температурата първо се държат като парамагнетици, а след това при достигане на определена температура магнитните им свойства се променят драстично. Най-известният пример са феромагнетиците и веществото, от което са получили името си, желязото, чиито атомни магнитни моменти под температурата на Кюри (в този случай равно на TC = 770 ° C) се подреждат в една и съща посока, причинявайки спонтанно намагнитване. Макроскопичното намагнитване обаче не възниква при липса на поле, тъй като пробата е спонтанно разделена на области с размер около 1 μm, наречени домейни, в които елементарните магнитни моменти са насочени по същия начин, но намагнитванията на различни домейни са произволно ориентирани и средно взаимно се компенсират. Силите, които причиняват феромагнитен преход, могат да бъдат обяснени само с помощта на законите на квантовата механика.
Антиферомагнетиците се характеризират с факта, че спиновите магнитни моменти при температурата на антиферомагнитния преход (температура на Неел TN) са подредени по такъв начин, че взаимно се компенсират. Максималната стойност на магнитната чувствителност се достига при TN, над която c намалява според закона на Кюри-Вайс, по-долу - поради така наречените обменни взаимодействия. Антиферомагнетици са например MnO и KNiF3.
Ако компенсацията на магнитните моменти е непълна, тогава такива вещества се наричат феримагнетици, например Fe2O3 и FeCr2O4. Последните три класа съединения (Таблица 1) са твърди вещества и се изучават главно от физици. През последните десетилетия физици и химици създадоха нови магнитни материали, повече подробности за свойствата на които можете да намерите в.
В молекула, съдържаща несдвоен електрон, останалите (сдвоени) електрони отслабват магнитното поле, но приносът на всеки от тях е с два до три порядъка по-малък. Ако обаче искаме да измерим много точно магнитните свойства на несдвоените електрони, тогава трябва да въведем така наречените диамагнитни корекции, особено за големи органични молекули, където те могат да достигнат десетки проценти. Диамагнитните чувствителност на атомите в една молекула се добавят една към друга съгласно правилото за адитивност на Паскал-Ланжевен. За да направите това, диамагнитната чувствителност на атомите от всеки тип се умножава по броя на тези атоми в молекулата и след това се въвеждат конститутивни корекции за структурни характеристики (двойни и тройни връзки, ароматни пръстени и др.). Нека се обърнем към разглеждането на това как експериментално се изследват магнитните свойства на веществата.
ЕКСПЕРИМЕНТАЛНО ИЗМЕРВАНЕ НА МАГНИТНАТА ВЪЗПРИЕМЧИВОСТ
Основните експериментални методи за определяне на магнитната чувствителност са създадени през миналия век. Според метода на Gouy (фиг. 2, а) се измерва промяната в теглото на пробата в магнитно поле в сравнение с отсъствието му, което е равно на където Dmg = F е силата, действаща върху веществото в градиента на магнитното поле , c е измерената магнитна чувствителност на веществото, c0 - магнитна чувствителност на средата (въздух), S е площта на напречното сечение на пробата, Hmax и Hmin са максималната и минималната напрегнатост на външното магнитно поле.
Съгласно метода на Фарадей (фиг. 2, b) се измерва силата, действаща върху пробата в нехомогенно магнитно поле:
Пробата се избира малка, така че H0dH / dz остава постоянна в нея, а максималната стойност на параметъра се постига чрез избор на специален профил на върховете на магнита. Основната разлика между метода на Гуи и метода на Фарадей е, че в първия случай нехомогенността се поддържа по протежение на (разширената) проба, а във втория - по дължината на магнитното поле.
Методът на Quincke (фиг. 2, c) се използва само за течности и разтвори. Той измерва промяната във височината на течен стълб в капиляр под въздействието на магнитно поле.
В този случай за диамагнитните течности височината на колоната намалява, за парамагнитните течности се увеличава.
Методът на вискозиметъра измерва времето на протичане на течността през малък отвор с включено (tH) и изключено (t0) магнитно поле. Времето на изтичане на парамагнитни течности в магнитно поле е значително по-кратко, отколкото при липса на поле, и обратното за диамагнитните течности. Разликата между двете времена на протичане се определя от магнитната чувствителност, а стойността на константата за калибриране k се определя чрез измерване на течност с известна магнитна чувствителност. Масовата магнитна чувствителност на някои обичайни разтворители е дадена по-долу.
Магнитната чувствителност може също да бъде измерена с помощта на ЯМР спектрометър. Можете да прочетете за физическите основи на ЯМР метода в. Ограничаваме се до това, което отбелязваме: стойността на химическото отместване на ЯМР сигнала в общия случай се определя не само от константата на екраниране, която е мярка за електронната плътност на изследваното ядро, но също и от магнитната чувствителност на пробата. За проба под формата на правоъгълен паралелепипед, химическото отместване се определя също от ориентацията на пробата в магнитно поле, където калибровъчните константи A и B се определят чрез измерване на две течности с известна магнитна чувствителност (най-често вода и ацетон). Този метод е разработен в катедрата по неорганична химия на Казанския университет и е единственият, който позволява инструментът да бъде калибриран по диамагнитни стандарти, а след това да се правят измервания и с парамагнитни проби. Магнитната чувствителност на много вещества е измерена по този начин. Какво позволиха да научат за тяхната структура?
Получената стойност на магнитната чувствителност за парамагнетиците се определя от броя на несдвоените електрони (сравнете с (9) за един несдвоен електрон)
По този начин може да се определи спиновото квантово число S, а оттам и броят на несдвоените електрони. Трябва да се отбележи, че в реални съединения g факторът се променя донякъде от стойността "чисто спин", която, както беше отбелязано по-горе, е равна на две.
Стойностите на cm на парамагнитните вещества са малки и не са много удобни за обяснение на структурата на съединенията. Следователно парамагнитната чувствителност по-често се характеризира с ефективния магнитен момент meff, който се определя от уравнението.
След това, при температура от 298 К, стойността на "чистия спин" за един несдвоен електрон е ms = 1,73 Бор магнетона (mB), за два - 3,46 mB и т.н. (Таблица 2). Приносът на други фактори, предимно спин-орбиталното взаимодействие, се отразява в стойността на g фактора и води до факта, че meff се различава от ms.
Познаването на броя на несдвоените електрони помага да се разберат някои от характеристиките на разположението на елементите в периодичната таблица на D.I. Менделеев. И така, електронните обвивки, запълнени напълно или точно наполовина, имат повишена стабилност. С увеличаване на относителната атомна маса, първо се сблъскваме с това при хрома. Сравнете електронните конфигурации в основно състояние: Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, следващият хром не е 3d 44s 2, а 3d 54s 1, по-стабилната полузапълнена обвивка е подчертана:
И това беше установено точно чрез измерване на магнитната чувствителност, когато беше установено, че атомът на хрома съдържа шест несдвоени електрона, а не четири. Вярно, за това беше необходимо да се извършат доста фини измервания на изолирани атоми в газовата фаза, тъй като магнитните свойства на проводниците не са свързани с броя на несдвоените електрони (тъй като валентните електрони в металите не са прикрепени към определени атоми, а се движат произволно в целия кристал), но се определят от квантовите закони (т.нар. диамагнетизъм на Ферми и парамагнетизъм на Ландау). В същото време, например, редът, в който 5d и 4f орбиталите са запълнени в серията лантаниди, не променя броя на несдвоените електрони; следователно правилните електронни конфигурации са установени едва през 60-те години на миналия век чрез квантово-механични изчисления ( Конфигурациите 5d1 и 4f не могат да бъдат разграничени от магнитните измервания). Независимо от това, магнитохимичните изследвания позволяват да се установи електронната конфигурация, както внимателният читател вероятно вече е забелязал, на съединенията на преходните метали, които формират основата на химията на координационните (комплексни) съединения.
Координационните съединения се образуват, като правило, поради донорно-акцепторна връзка, т.е. самотни двойки лигандни електрони заемат свободни места в орбиталите на централния атом. В този случай броят на несдвоените електрони и магнитният момент на комплексообразуващите йони остават същите като за свободен йон в газовата фаза. Това важи за водните комплекси на преходните метали, например желязо(II) (фиг. 3). Съществуват обаче и магнитно аномални комплекси, чийто магнитен момент е по-нисък от този на газообразен йон. Тяхната електронна структура може да се обясни в рамките на метода на валентната връзка, както следва. Много сложни съединения имат координационно число шест. Шест лиганда са разположени симетрично във върховете на октаедъра. За да се получат шест хибридни орбитали, шест валентни орбитали на централния атом трябва да участват в тяхното образуване: това преразпределение на електронната плътност се нарича sp3d 2 хибридизация (сравнете с sp3 хибридизацията на въглеродния атом в алканите, където четири връзки са насочени към върховете на тетраедъра). Моля, обърнете внимание, че d-орбиталите със същия сериен номер като s, p-орбиталите участват във формирането на хибридни орбитали. Това се обяснява с факта, че вътрешните d-орбитали, разположени по-ниско по енергия, са заети от присъщите електрони на металния йон. За да заемат по-ниските енергийни орбитали, лигандите трябва да принудят собствените електрони на металния йон да се сдвоят и освободят вътрешните d-орбитали за така наречената d 2sp 3 хибридизация. Това може да бъде направено само чрез лиганди със силно поле, които образуват силни връзки с металния йон, например цианидни йони в комплексен хексацианоферат(II) (виж Фиг. 3).
Съответно, първият тип комплекси, който има висок магнитен момент, се нарича външноорбитален комплекс, а вторият тип, с намален магнитен момент, се нарича интраорбитален комплекс. Тази разлика, която води до промяна в броя на несдвоените електрони в комплекса, води до промяна в магнитните моменти съответно на външните и вътрешните орбитални комплекси и се причинява от енергийното неравенство на съответните d- орбитали (обикновено се нарича енергия на разделяне в полето на лиганда и се обозначава с D или 10Dq).
Според способността да образуват интраорбитални комплекси (от гледна точка на D стойност), всички лиганди могат да бъдат подредени в серия, която се нарича спектрохимична серия от лиганди:
CN->NO2->SO32->NH3>NCS->H3O>
>OH->F->Cl->Br->I-
Получава името си, защото цветът на комплекса зависи от позицията на лиганда в тази серия и това показва връзката между оптичните и магнитните свойства на координационните съединения.
По този начин, чрез измерване на магнитната чувствителност, може лесно да се прецени степента на окисление и геометрията на първата координационна сфера в комплекса. Данните за магнитната чувствителност на редица йони на преходни метали и лантаниди са дадени в табл. 2. Може да се види, че магнитните свойства на 3d йони в повечето случаи са в добро съгласие с чисто спинови стойности ms и за да се обяснят магнитните свойства на лантанидите, е необходим по-сложен модел с използването на квантовото число J споменато по-горе.
Известно е, че повечето химични реакции, които са важни на практика, протичат в разтвори и реакциите на образуване на комплекси също принадлежат към тях; следователно в следващия раздел ще разгледаме магнитните свойства на разтворите, в които съединенията на преходните метали се реализират под формата на комплекси.
МАГНИТНА ВЪЗПРИЕМЧИВОСТ НА РАЗТВОРИ
При преминаване от твърдо вещество към разтвор трябва да се вземе предвид магнитната чувствителност на разтворителя и всички разтворени вещества. В този случай най-простият начин да се вземе това предвид ще бъде сумирането на приносите на всички компоненти на решението съгласно правилото за адитивност. Принципът на адитивността е един от основните принципи при обработката на експериментални данни. Понякога дори проваля експериментаторите, тъй като за човешкия ум е трудно да си представи друг механизъм за взаимодействие на различни фактори, освен простото им добавяне. Всякакви отклонения от него по-често се свързват с факта, че самият принцип на адитивност е изпълнен и компонентите на разтвора променят свойствата си. Следователно се приема, че магнитната чувствителност на разтвора е равна на сумата от магнитните чувствителност на отделните компоненти, като се вземе предвид концентрацията, където ci е концентрацията (в mol/l), cmi е моларната магнитна чувствителност на i-тият компонент на разтвора, коефициентът 1/1000 се използва за преобразуване в моларна концентрация. В този случай сумирането се извършва върху всички разтворени вещества и разтворителя. Може да се види, че приносът на парамагнитните и диамагнитните вещества към измерената магнитна чувствителност е с противоположен знак и може да бъде разделен
cv(meas) = cv(pair) - cv(dia).
При изследване на магнитните свойства на едно и също вещество в различни разтворители (Таблица 3) може да се види, че те могат значително да зависят от природата на разтворителя. Това може да се обясни с навлизането на молекулите на разтворителя в първата координационна сфера и съответната промяна в електронната структура на комплекса, енергиите на d-орбиталите (D) и други свойства на солватния комплекс. По този начин магнитохимията също така прави възможно изследването на солватацията, тоест взаимодействието на разтворено вещество с разтворител.
В разтворите определянето на cm и meff на координационни съединения прави възможно, както се вижда от горния теоретичен материал, да се определят редица структурни параметри (l, S, D), което прави магнитохимичните изследвания много ценни. Различни комплекси от един и същ метален йон могат значително да се различават по големината на ефективния магнитен момент. Използвайки мед (II) като пример, може да се види, че ефективният магнитен момент се увеличава по време на образуването на комплекс, а когато се образува димерен комплекс, той намалява поради антиферомагнитното взаимодействие на несдвоени електрони на медни (II) йони. Магнитните свойства на медните (II) комплексни съединения са дадени по-долу. (При изписване на формулите се използват съкращенията за лиганди, използвани в координационната химия: acac - ацетилацетон CH3COCH3COCH3, H4Tart - винена киселина HOOC(CHOH)2COOH.)
Няколко думи за "магнитната" вода, по-точно за водните разтвори (защото дори дестилираната вода съдържа примеси, като например разтворен кислород, и е парамагнитна). Тази тема, разбира се, изисква отделно разглеждане, ние ще я засегнем само във връзка с магнитохимията. Ако магнитното поле влияе върху свойствата на разтвора и многобройни експериментални факти (измервания на плътност, вискозитет, електрическа проводимост, концентрация на протони, магнитна чувствителност) показват, че това е така, тогава трябва да се признае, че енергията на взаимодействие на отделните компоненти на разтвора и съвкупност от водни молекули е доста висока, тогава е сравнима или надвишава енергията на топлинното движение на частиците в разтвора, което усреднява всеки ефект върху разтвора. Спомнете си, че енергията на магнитното взаимодействие на една частица (молекула) е малка в сравнение с енергията на топлинното движение. Такова взаимодействие е възможно, ако приемем, че във вода и водни разтвори, поради кооперативния характер на водородните връзки, се реализират големи ледоподобни структурни ансамбли от водни молекули, които могат да бъдат заздравени или разрушени под въздействието на разтворени вещества. Енергията на образуване на такива "ансамбли" очевидно е сравнима с енергията на топлинното движение и при магнитно въздействие разтворът може да го запомни и да придобие нови свойства, но брауновото движение или повишаването на температурата премахва тази "памет" за известно време .
Имайте предвид, че чрез прецизно регулиране на концентрациите на парамагнитни вещества в диамагнитен разтворител е възможно да се създаде немагнитна течност, тоест такава, в която средната магнитна чувствителност е нула или в която магнитните полета се разпространяват точно по същия начин като във вакуум. Това интересно свойство все още не е намерило приложение в технологиите.
3.5 Магнитни свойства на материята
3.5.1 Магнетици. Магнитни свойства на веществата
В предишната глава беше прието, че проводниците, по които тече ток, които създават магнитно поле, са във вакуум. Ако проводници с ток са в някаква среда, магнитното поле се променя. Това се обяснява с факта, че всяко вещество е магнит, т.е. може да придобие магнитен момент (да се магнетизира) под действието на магнитно поле. Магнетизираното вещество създава магнитно поле IN " , което се наслагва върху индуцираното от ток поле IN 0 . И двете полета се събират в полученото поле
|
IN = IN 0 + IN " |
Това явление е открито за първи път от Ампер, който открива, че добавянето на желязна сърцевина към соленоид е равносилно на увеличаване на броя на амперните навивки на този соленоид. Впоследствие се установи, че индукцията IN магнитното поле в дадено вещество може да бъде както по-голямо, така и по-малко от индукцията б 0 същото поле във вакуум. Това се случва, защото всяко вещество, в по-голяма или по-малка степен, има свои собствени магнитни свойства. IN ".
Наричат се вещества, способни да променят параметрите на магнитното поле магнити. За да характеризирате магнитните свойства на веществата, количеството μ = б/ б 0 , Наречен магнитна пропускливосттова вещество. Според стойността на магнитната проницаемост всички магнити се разделят на три групи.
а) Тъй като вътрешното магнитно поле в диамагнетика е насочено срещу външното поле, модулът на индукция на полученото поле в диамагнетика е по-малък от модула на индукция на полето във вакуум, т.е. IN<IN 0 . Ето защо вещества, които имат μ<. л, Наречен диамагнити. Те включват например елементите Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, инертни газове и други вещества. Магнитна пропускливост μ диамагнетът е независим от индукцията IN 0 външно магнитно поле.
б) Парамагнитните вещества се състоят от атоми, в които орбиталните магнитни моменти на електроните не са компенсирани. Следователно атомите на диамагнетика имат ненулеви магнитни моменти. Въпреки това, при липса на външно магнитно поле, топлинното движение на атомите води до хаотично подреждане на техните магнитни моменти, в резултат на което всеки обем на парамагнетика като цяло няма магнитен момент.
Когато парамагнетик се въведе във външно магнитно поле, неговите атоми в по-голяма или по-малка степен (в зависимост от индукцията на това поле) се подреждат така, че техните магнитни моменти са ориентирани в посоката на външното поле. В резултат на това в парамагнетика възниква вътрешно магнитно поле, чиято индукция B съвпада по посока с индукцията Bn на външното поле. И така, модулът на индукция INполученото магнитно поле в парамагнетика е по-голямо от модула на индукция IN 0 полета във вакуум, т.е. B>B 0 . Ето защо парамагнетицинаричат вещества, при които μ>1. Те включват по-специално Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, кислород и много други елементи, както и разтвори на някои соли. Магнитна пропускливост μ парамагнетиците, подобно на диамагнетиците, не зависят от индукцията IN 0 външно магнитно поле.
Трябва да се отбележи, че стойността μ за диа- и парамагнетици, той се различава от единството много малко, само със стойност от порядъка на 10 -5 - 10 -6, следователно диа- и парамагнетиците се класифицират като слабо магнитни вещества.
в) За разлика от диа- и парамагнетиците, в които магнитните свойства се определят от орбиталните магнитни моменти на атомните електрони, магнитните свойства на феромагнетиците се дължат на спиновите магнитни моменти на електроните. Феромагнитните вещества (винаги с кристална структура) са съставени от атоми, в които не всички електрони имат взаимно отменени спинови магнитни моменти.
Във феромагнетика има спонтанни области (спонтанен ) намагнитвания, които се наричат домейни. (Размерът на домейните е около 10 -4 - 10 -7 m.) Във всеки домейн спиновите магнитни моменти на атомните електрони имат еднаква ориентация, в резултат на което домейнът се намагнитизира до състояние на насищане. Тъй като в отсъствието на външно магнитно поле, магнитните моменти на домейните са произволно ориентирани, феромагнитна проба при такива условия обикновено не е магнетизирана.
Под действието на външно магнитно поле магнитните моменти на домените са ориентирани по посока на това поле. В резултат на това във феромагнетик с магнитна индукция възниква силно вътрешно магнитно поле В", съвпадаща по посока с магнитната индукция на външното поле IN 0 . И така, модулът на индукция INполученото магнитно поле във феромагнетик е много по-голямо, полето във вакуум, т.е. B»B 0 . Когато всички магнитни моменти на домените под действието на външно магнитно поле са ориентирани по протежение на полето, настъпва насищане на феромагнитната проба.
При достигане на определени температурни точки за всяко вещество, наречени точка на Кюри по-горе, доменната структура се разрушава и феромагнетикът губи присъщите си свойства.
Така се наричат вещества, в които μ»1 феромагнетици. Те включват елементите Fe, Co, Ni, Gd и много сплави. Във външно магнитно поле феромагнитната проба се държи като парамагнетик. Въпреки това, магнитната проницаемост μ на феромагнетика зависи от интензитета звъншно магнитно поле и варира в доста широк диапазон, в резултат на което зависимостта B =f(з) е нелинейно . Стойностите на μ за някои сплави достигат десетки хиляди. Следователно феромагнетиците се класифицират като силно магнитни вещества.
За всеки феромагнетик има определена температура, наречена точка на Кюри, при нагряване над което даденото вещество губи своите феромагнитни свойства и се превръща в парамагнетик. Например за Fe точката на Кюри е 1043 K, а за Ni е 631 K.
За да обясни процеса на намагнитване на телата, Ампер предполага, че в молекулите на материята циркулират кръгови токове (молекулни токове). Всеки такъв ток има магнитен момент и създава магнитно поле в околното пространство. При липса на външно поле молекулярните токове са произволно ориентирани, в резултат на което полученото от тях поле е нула. Поради произволната ориентация на магнитните моменти на отделните молекули, общият магнитен момент на тялото също е равен на нула. Под действието на полето магнитните моменти на молекулите придобиват преобладаваща ориентация в една посока, в резултат на което магнитът се намагнитва - общият му магнитен момент става различен от нула. Магнитните полета на отделните молекулни токове в този случай вече не се компенсират взаимно и възниква поле В". Намагнитването на магнита естествено се характеризира с магнитния момент на единица обем. Тази стойност се нарича намагнитванеи се обозначава с буквата Дж. Намагнитването обикновено се свързва не с магнитната индукция, а със силата на полето. Предполага се, че във всяка точка
За разлика от диелектричната чувствителност, която може да има само положителни стойности (поляризация Рв изотропен диелектрик винаги е насочен по протежение на полето д), магнитна чувствителност χ е едновременно положителен и отрицателен. Следователно, магнитната проницаемост μ може да бъде по-голямо или по-малко от единица.
Намагнитването на слабомагнитните вещества се променя линейно с напрегнатостта на полето. Намагнитването на феромагнетиците h зависи от зпо сложен начин. На фигурата - 3,39 дан крива на намагнитванеферомагнетик, чийто магнитен момент първоначално е бил нула. Вече в полета от порядъка на няколко ерстеда (~100 A/m), намагнитването Дж достига насищане. Основната крива на намагнитване в диаграмата Б - Зпоказано на фиг. 59.2 (крива 0-1). При достигане на насищане INпродължава да расте от зспоред линеен закон. Ако доведем магнетизацията до насищане (точка 1 на фигурата - 3.40) и след това намалете силата на магнитното поле, след това индукцията INне следва оригиналната крива 0-1, а се променя според кривата 1-2. В резултат на това, когато силата на външното поле стане равна на нула (точка 2), намагнитването не изчезва и се характеризира със стойността IN r , което се нарича остатъчна индукция. Намагнитването е важно Дж rнаречена остатъчна магнетизация.
|
|
|
|
Фигура - 3.39 |
Рисуване – 3,40 |
Индукция INизчезва само под въздействието на полето з с , с посока, обратна на полето, което е причинило намагнитването. напрежение з с Наречен принудителна сила.
Наличието на остатъчна намагнитност прави възможно производството на постоянни магнити, т.е. тела, които, без да изразходват енергия за поддържане на макроскопични токове, имат магнитен момент и създават магнитно поле в заобикалящата ги среда. Постоянният магнит запазва свойствата си толкова по-добре, колкото по-голяма е коерцитивната сила на материала, от който е направен.
Когато променливо магнитно поле действа върху феромагнетик, индукцията се променя в съответствие с кривата / - 2 -3-4-5-1 (Фигура - 3.40), която се нарича хистерезисна верига(подобен цикъл се получава на диаграмата Дж- з). Ако максималните стойности зса такива, че намагнитването достига насищане, се получава така наречената максимална верига на хистерезис (твърдата верига на фигурата е 3,40). Ако при амплитудни стойности зне се достигне насищане, получава се цикъл, наречен частичен контур (пунктиран контур на фигурата). Има безкраен брой частни цикли, всички те лежат вътре в максималния хистерезис. Хистерезисът води до факта, че намагнитването на феромагнетика не е еднозначна функция H,до голяма степен зависеше от предисторията на извадката - от това в какви области е била преди.
Поради неяснотата на зависимостта INот зконцепцията за магнитна проницаемост се прилага само за основната крива на намагнитване. Магнитна проницаемост на феромагнетици μ , следователно, магнитната чувствителност χ е функция на силата на полето. На фигурата - 3.41 ,Ае показана основната крива на намагнитване. (начертаваме права линия от началото на координатите, минаваща през произволна точка на кривата. Тангенсът на ъгъла на наклон: правата линия е пропорционална на отношението В/Н, т.д. магнитна проницаемост μ, за съответната стойност на опън Н.С увеличение зот нула ъгълът на наклон (и следователно μ ) първо се увеличава. В точката 2 достига максимум (директен ОТНОСНОе допирателна към кривата) и след това намалява. На фигурата - 3.41, bдадена е графика на зависимостта μ от Н.От фигурата може да се види, че максималната стойност на пропускливост се достига малко по-рано от насищането. С неограничено увеличение зпроницаемо асимптотично се доближава до единица. Това следва от факта, че / в израза μ = 1 - Дж/ з не може да надвишава 1.
|
|
|
Фигура - 3.41 |
Количества IN r (или Дж r ), Н с И μ са основните характеристики на феромагнетика. Ако принудителната сила з с има страхотен стойността на феромагнетик се нарича жилав. Има широка хистерезисна верига. феромагнетик с малък з с (и, съответно, тясна хистерезисна верига). мека. В зависимост от целта се вземат феромагнетици с една или друга характеристика. И така, за постоянни магнити той използва твърди феромагнити и меки за ядра на трансформатори. Наличието на точката на Кюри във феромагнетиците може да бъде разбрано, като се има предвид, че атомите участват в топлинно движение: докато температурата е ниска, атомите запазват паралелната ориентация на своите магнитни моменти в домейните. Но с повишаването на температурата се увеличава и топлинното движение.Когато дадено вещество достигне определена температура за дадено вещество, топлинното движение разрушава тази ориентация - домейнът изчезва. Освен това феромагнетикът се държи като парамагнетик.
Основите на теорията на феромагнетизма са създадени от Я. И. Френкел и В. Хайзенберг през 1928 г. В наше време магнитите и техните магнитни свойства се използват широко в науката и технологиите.
МАГНИТИ И МАГНИТНИ СВОЙСТВА НА ВЕЩЕСТВОТО
Най-простите прояви на магнетизъм са известни от много дълго време и са познати на повечето от нас. Въпреки това, едва сравнително наскоро беше възможно да се обяснят тези на пръв поглед прости явления въз основа на основните принципи на физиката. Има два различни вида магнити. Някои от тях са така наречените постоянни магнити, направени от "твърди магнитни" материали. Техните магнитни свойства не са свързани с използването на външни източници или токове. Друг тип включва така наречените електромагнити със сърцевина от "меко магнитно" желязо. Създадените от тях магнитни полета се дължат главно на факта, че през проводника на намотката, покриваща сърцевината, преминава електрически ток.
Магнитни полюси и магнитно поле. Магнитните свойства на прътовия магнит са най-забележими близо до краищата му. Ако такъв магнит е окачен от средната част, така че да може свободно да се върти в хоризонтална равнина, тогава той ще заеме позиция, приблизително съответстваща на посоката от север на юг. Краят на пръта, сочещ на север, се нарича северен полюс, а противоположният край се нарича южен полюс. Противоположните полюси на два магнита се привличат, докато еднаквите полюси се отблъскват. Ако пръчка немагнетизирано желязо се доближи до един от полюсите на магнита, последният временно ще се намагнетизира. В този случай полюсът на магнетизираната лента, най-близо до полюса на магнита, ще бъде противоположен по име, а далечният полюс ще бъде със същото име. Привличането между полюса на магнита и противоположния полюс, предизвикано от него в лентата, обяснява действието на магнита. Някои материали (като стомана) сами стават слаби постоянни магнити, след като са били близо до постоянен магнит или електромагнит. Стоманен прът може да бъде магнетизиран, като просто прекарате края на постоянен магнит през неговия край. И така, магнитът привлича други магнити и предмети, направени от магнитни материали, без да е в контакт с тях. Такова действие на разстояние се обяснява с наличието на магнитно поле в пространството около магнита. Известна представа за интензитета и посоката на това магнитно поле може да се получи чрез изливане на железни стружки върху лист картон или стъкло, поставен върху магнит. Стърготините ще се подредят във вериги по посока на полето, а плътността на линиите на стърготините ще съответства на интензитета на това поле. (Те са най-дебели в краищата на магнита, където интензитетът на магнитното поле е най-голям.) М. Фарадей (1791-1867) въвежда концепцията за затворени индукционни линии за магнити. Линиите на индукция излизат от магнита на северния му полюс в околното пространство, навлизат в магнита на южния полюс и преминават вътре в материала на магнита от южния полюс обратно към севера, образувайки затворен контур. Общият брой линии на индукция, излизащи от магнит, се нарича магнитен поток. Плътността на магнитния поток или магнитната индукция (B) е равна на броя на индукционните линии, преминаващи по нормата през елементарна площ с единичен размер. Магнитната индукция определя силата, с която магнитното поле действа върху проводник с ток, разположен в него. Ако проводникът, през който преминава токът I, е разположен перпендикулярно на линиите на индукция, тогава, съгласно закона на Ампер, силата F, действаща върху проводника, е перпендикулярна както на полето, така и на проводника и е пропорционална на магнитната индукция, силата на тока и дължината на проводника. Така за магнитната индукция B можем да напишем израза
Където F е силата в нютони, I е токът в ампери, l е дължината в метри. Единицата за магнитна индукция е тесла (T)
(виж също ЕЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗЪМ).
Галванометър.Галванометърът е чувствителен уред за измерване на слаби токове. Галванометърът използва въртящия момент, генериран от взаимодействието на подковообразен постоянен магнит с малка тоководеща намотка (слаб електромагнит), окачена в пролуката между полюсите на магнита. Въртящият момент, а оттам и отклонението на намотката, е пропорционално на тока и общата магнитна индукция във въздушната междина, така че мащабът на инструмента е почти линеен с малки отклонения на намотката. Магнетизираща сила и сила на магнитното поле. След това трябва да се въведе още едно количество, което характеризира магнитното действие на електрическия ток. Да приемем, че токът преминава през телта на дълга намотка, вътре в която се намира магнетизиращият се материал. Силата на намагнитване е произведението на електрическия ток в намотката и броя на нейните завои (тази сила се измерва в ампери, тъй като броят на завъртанията е безразмерна величина). Силата на магнитното поле H е равна на силата на намагнитване на единица дължина на намотката. Така стойността на H се измерва в ампери на метър; той определя намагнитването, придобито от материала вътре в намотката. Във вакуум магнитната индукция B е пропорционална на силата на магнитното поле H:
Където m0 - т.нар. магнитна константа, която има универсална стойност 4pCh10-7 H/m. В много материали стойността на B е приблизително пропорционална на H. При феромагнитните материали обаче връзката между B и H е малко по-сложна (което ще бъде обсъдено по-долу). На фиг. 1 показва прост електромагнит, предназначен да улавя товари. Източникът на енергия е DC батерия. Фигурата също така показва силовите линии на полето на електромагнит, които могат да бъдат открити чрез обичайния метод на железни стружки.
Големите електромагнити с железни сърцевини и много голям брой ампер-обороти, работещи в непрекъснат режим, имат голяма магнетизираща сила. Те създават магнитна индукция до 6 T в пролуката между полюсите; тази индукция е ограничена само от механични напрежения, нагряване на намотките и магнитно насищане на сърцевината. Редица гигантски електромагнити (без ядро) с водно охлаждане, както и инсталации за създаване на импулсни магнитни полета, са проектирани от П.Л. Капица (1894-1984) в Кеймбридж и в Института по физически проблеми на Академията на науките на СССР и F. Масачузетски технологичен институт. На такива магнити беше възможно да се постигне индукция до 50 T. Сравнително малък електромагнит, произвеждащ полета до 6,2 T, консумиращ електрическа мощност от 15 kW и охлаждан с течен водород, е разработен в Националната лаборатория в Лосаламос. Подобни полета се получават при криогенни температури.
Магнитна проницаемост и нейната роля в магнетизма.Магнитната проницаемост m е стойност, която характеризира магнитните свойства на материала. Феромагнитните метали Fe, Ni, Co и техните сплави имат много високи максимални пропускливости - от 5000 (за Fe) до 800 000 (за супермалой). В такива материали, при относително ниска напрегнатост на полето H, възникват големи индукции B, но връзката между тези количества е, най-общо казано, нелинейна поради явленията на насищане и хистерезис, които са обсъдени по-долу. Феромагнитните материали се привличат силно от магнитите. Те губят своите магнитни свойства при температури над точката на Кюри (770°C за Fe, 358°C за Ni, 1120°C за Co) и се държат като парамагнетици, за които индукцията B е пропорционална на нея до много високи стойности от силата H - точно както във вакуум. Много елементи и съединения са парамагнитни при всякакви температури. Парамагнитните вещества се характеризират с това, че се магнетизират във външно магнитно поле; ако това поле е изключено, парамагнитите се връщат в немагнитизирано състояние. Намагнитването във феромагнетиците се запазва дори след изключване на външното поле. На фиг. 2 показва типична хистерезисна верига за магнитно твърд (с големи загуби) феромагнитен материал. Характеризира нееднозначната зависимост на магнетизацията на магнитно подреден материал от силата на магнетизиращото поле. С увеличаване на силата на магнитното поле от началната (нулева) точка (1), намагнитването продължава по пунктираната линия 1-2 и стойността на m се променя значително с увеличаване на намагнитването на пробата. В точка 2 се достига насищане, т.е. с по-нататъшно увеличаване на интензитета намагнитването вече не се увеличава. Ако сега постепенно намалим стойността на H до нула, тогава кривата B(H) вече не следва предишния път, а преминава през точка 3, разкривайки, така да се каже, „паметта“ на материала за „миналата история ", оттук и името "хистерезис". Очевидно в този случай се запазва известно остатъчно намагнитване (сегмент 1-3). След промяна на посоката на магнетизиращото поле към противоположната крива B (H) преминава през точка 4, а сегментът (1)-(4) съответства на коерцитивната сила, която предотвратява размагнитването. По-нататъшното увеличаване на стойностите (-H) води хистерезисната крива към третия квадрант - раздел 4-5. Последващото намаляване на стойността на (-H) до нула и след това увеличаване на положителните стойности на H ще затвори хистерезисната верига през точки 6, 7 и 2.
Магнитно твърдите материали се характеризират с широк хистерезис, покриващ значителна площ на диаграмата и следователно съответстващ на големи стойности на остатъчна намагнитност (магнитна индукция) и коерцитивна сила. Тесен хистерезис (фиг. 3) е характерен за меки магнитни материали като мека стомана и специални сплави с висока магнитна пропускливост. Такива сплави са създадени, за да се намалят загубите на енергия поради хистерезис. Повечето от тези специални сплави, като феритите, имат високо електрическо съпротивление, което намалява не само магнитните загуби, но и електрическите загуби, дължащи се на вихрови токове.
Магнитни материали с висока пропускливост се произвеждат чрез отгряване, извършено при температура от около 1000 ° C, последвано от темпериране (постепенно охлаждане) до стайна температура. В този случай предварителната механична и термична обработка, както и липсата на примеси в пробата са много важни. За трансформаторни ядра в началото на 20 век. бяха разработени силициеви стомани, чиято стойност на m нарастваше с увеличаване на съдържанието на силиций. Между 1915 и 1920 г. се появяват пермалоите (сплави на Ni с Fe) с характерната за тях тясна и почти правоъгълна хистерезисна верига. Хиперничните (50% Ni, 50% Fe) и мю-металните (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) сплави се характеризират с особено високи стойности на магнитна проницаемост m при ниски стойности на H, докато в перминвар (45 % Ni, 30 % Fe, 25 % Co) стойността на m е практически постоянна в широк диапазон от промени в напрегнатостта на полето. Сред съвременните магнитни материали трябва да се спомене супермалой - сплав с най-висока магнитна проницаемост (съдържа 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).
Теории за магнетизма.За първи път идеята, че магнитните явления в крайна сметка се свеждат до електрически, възниква от Ампер през 1825 г., когато той изразява идеята за затворени вътрешни микротокове, циркулиращи във всеки атом на магнита. Въпреки това, без експериментално потвърждение за наличието на такива токове в материята (електронът е открит от Дж. Томсън едва през 1897 г., а описанието на структурата на атома е дадено от Ръдърфорд и Бор през 1913 г.), тази теория „избледня ". През 1852 г. W. Weber предполага, че всеки атом на магнитно вещество е малък магнит или магнитен дипол, така че пълното намагнитване на веществото се постига, когато всички отделни атомни магнити са подредени в определен ред (фиг. 4b). ). Вебер вярва, че молекулярното или атомно "триене" помага на тези елементарни магнити да запазят подреждането си въпреки смущаващото влияние на топлинните вибрации. Неговата теория успя да обясни магнетизирането на телата при контакт с магнит, както и тяхното демагнетизиране при удар или нагряване; накрая, "умножаването" на магнитите също беше обяснено, когато намагнетизирана игла или магнитна пръчка беше нарязана на парчета. И все пак тази теория не обяснява нито произхода на самите елементарни магнити, нито явленията на насищане и хистерезис. Теорията на Вебер е подобрена през 1890 г. от J. Eving, който заменя своята хипотеза за атомно триене с идеята за междуатомни ограничаващи сили, които помагат да се поддържа подреждането на елементарните диполи, които съставляват постоянен магнит.
Подходът към проблема, веднъж предложен от Ампер, получава втори живот през 1905 г., когато П. Ланжевен обяснява поведението на парамагнитните материали, като приписва на всеки атом вътрешен некомпенсиран електронен ток. Според Langevin именно тези токове образуват малки магнити, произволно ориентирани, когато външното поле отсъства, но придобиват подредена ориентация след прилагането му. В този случай приближението до пълно подреждане съответства на насищане на намагнитването. Освен това Ланжевен въвежда концепцията за магнитен момент, който за единичен атомен магнит е равен на произведението на „магнитния заряд“ на полюса и разстоянието между полюсите. По този начин слабият магнетизъм на парамагнитните материали се дължи на общия магнитен момент, създаден от некомпенсирани електронни токове. През 1907 г. П. Вайс въвежда понятието "домейн", което се превръща във важен принос към съвременната теория на магнетизма. Вайс си представя домейните като малки "колонии" от атоми, в които магнитните моменти на всички атоми по някаква причина са принудени да поддържат една и съща ориентация, така че всеки домейн да е магнетизиран до насищане. Отделен домейн може да има линейни размери от порядъка на 0,01 mm и съответно обем от порядъка на 10-6 mm3. Домейните са разделени от така наречените блохови стени, чиято дебелина не надвишава 1000 атомни измерения. „Стената“ и два противоположно ориентирани домена са показани схематично на фиг. 5. Такива стени са "преходни слоеве", в които посоката на намагнитването на домейна се променя.
В общия случай на началната крива на намагнитване могат да се разграничат три участъка (фиг. 6). В началния участък стената под действието на външно поле се движи през дебелината на веществото, докато се натъкне на дефект на кристалната решетка, който я спира. Чрез увеличаване на силата на полето, стената може да бъде принудена да се движи по-нататък през средната секция между пунктираните линии. Ако след това силата на полето отново се намали до нула, тогава стените вече няма да се върнат в първоначалното си положение, така че пробата ще остане частично намагнетизирана. Това обяснява хистерезиса на магнита. В края на кривата процесът завършва с насищане на намагнитването на пробата поради подреждането на намагнитването в последните неподредени домейни. Този процес е почти напълно обратим. Магнитна твърдост се проявява от онези материали, в които атомната решетка съдържа много дефекти, които предотвратяват движението на междудомейнните стени. Това може да се постигне чрез механична и термична обработка, например чрез компресиране и след това синтероване на прахообразния материал. В алнико сплавите и техните аналози същият резултат се постига чрез сливане на метали в сложна структура.
В допълнение към парамагнитните и феромагнитните материали има материали с така наречените антиферомагнитни и феримагнитни свойства. Разликата между тези видове магнетизъм е илюстрирана на фиг. 7. Въз основа на концепцията за домейни, парамагнетизмът може да се разглежда като феномен, дължащ се на наличието в материала на малки групи от магнитни диполи, в които отделните диполи взаимодействат много слабо помежду си (или не взаимодействат изобщо) и следователно , при липса на външно поле, те заемат само произволни ориентации (фиг. 7а). Във феромагнитните материали във всеки домейн има силно взаимодействие между отделните диполи, което води до тяхното подредено паралелно подреждане (фиг. 7b). В антиферомагнитните материали, напротив, взаимодействието между отделните диполи води до тяхното антипаралелно подредено подреждане, така че общият магнитен момент на всеки домейн е нула (фиг. 7c). И накрая, във феримагнитните материали (например ферити) има както паралелно, така и антипаралелно подреждане (фиг. 7d), което води до слаб магнетизъм.
Има две убедителни експериментални потвърждения за съществуването на домейни. Първият от тях е така нареченият ефект на Баркхаузен, вторият е методът на прахообразната фигура. През 1919 г. G. Barkhausen установява, че когато външно поле се приложи към образец от феромагнитен материал, неговата магнетизация се променя на малки дискретни части. От гледна точка на теорията на домейна, това не е нищо повече от скокообразно напредване на междудомейновата стена, която се натъква на отделни дефекти, които я задържат по пътя си. Този ефект обикновено се открива с помощта на намотка, в която е поставен феромагнитен прът или тел. Ако силен магнит се довежда последователно до пробата и се отстранява от нея, пробата ще се намагнетизира и ремагнетизира. Скокообразните промени в намагнитването на пробата променят магнитния поток през намотката и в нея се възбужда индукционен ток. Напрежението, което възниква в този случай в бобината, се усилва и се подава към входа на чифт акустични слушалки. Щракванията, възприемани през слушалките, показват рязка промяна в намагнитването. За да се разкрие доменната структура на магнит по метода на прахови фигури, капка колоидна суспензия от феромагнитен прах (обикновено Fe3O4) се нанася върху добре полирана повърхност на магнетизиран материал. Праховите частици се утаяват главно в места с максимална нехомогенност на магнитното поле - на границите на домейните. Такава структура може да се изследва под микроскоп. Предложен е и метод, основан на преминаването на поляризирана светлина през прозрачен феромагнитен материал. Оригиналната теория на Вайс за магнетизма в основните си характеристики е запазила значението си до наши дни, но е получила актуализирана интерпретация, основана на концепцията за некомпенсирани електронни завъртания като фактор, определящ атомния магнетизъм. Хипотезата за съществуването на собствен момент на електрона е изложена през 1926 г. от S. Goudsmit и J. Uhlenbeck и в момента електроните като спинови носители се считат за "елементарни магнити". За да изясним тази концепция, разгледайте (фиг. 8) свободен атом на желязото - типичен феромагнитен материал. Двете му обвивки (K и L), най-близки до ядрото, са пълни с електрони, като на първия от тях са два, а на втория - осем. В K-обвивката спинът на един от електроните е положителен, а другият е отрицателен. В L-обвивката (по-точно в двете й подчерупки) четири от осем електрона имат положителни спинове, а останалите четири имат отрицателни спинове. И в двата случая спиновете на електроните в една и съща обвивка се отменят напълно, така че общият магнитен момент е нула. В М-обвивката ситуацията е различна, тъй като от шестте електрона в третата подобвивка, пет електрона имат завъртания в едната посока, а само шестият в другата. В резултат остават четири некомпенсирани спина, което определя магнитните свойства на железния атом. (Във външната N обвивка има само два валентни електрона, които не допринасят за магнетизма на железния атом.) Магнетизмът на други феромагнетици, като никел и кобалт, се обяснява по подобен начин. Тъй като съседните атоми в желязна проба силно взаимодействат помежду си и техните електрони са частично колективизирани, това обяснение трябва да се разглежда само като описателна, но много опростена схема на реалната ситуация.
Теорията за атомния магнетизъм, основана на въртенето на електрона, се подкрепя от два интересни жиромагнитни експеримента, единият от които е извършен от А. Айнщайн и В. де Хаас, а другият от С. Барнет. В първия от тези експерименти цилиндър от феромагнитен материал беше окачен, както е показано на фиг. 9. Ако през намотката се прокара ток, тогава цилиндърът се върти около оста си. Когато посоката на тока (и следователно на магнитното поле) се промени, той се обръща в обратна посока. И в двата случая въртенето на цилиндъра се дължи на подреждането на електронните завъртания. В експеримента на Барнет, напротив, окачен цилиндър, рязко приведен в състояние на въртене, се магнетизира в отсъствието на магнитно поле. Този ефект се обяснява с факта, че по време на въртенето на магнита се създава жироскопичен момент, който се стреми да завърти спиновите моменти по посока на собствената си ос на въртене.
За по-пълно обяснение на природата и произхода на силите с къси разстояния, които подреждат съседните атомни магнити и противодействат на разрушаващия ефект на топлинното движение, трябва да се обърнем към квантовата механика. Квантово механично обяснение на природата на тези сили е предложено през 1928 г. от В. Хайзенберг, който постулира съществуването на обменни взаимодействия между съседни атоми. По-късно G. Bethe и J. Slater показаха, че обменните сили нарастват значително с намаляване на разстоянието между атомите, но след достигане на определено минимално междуатомно разстояние, те спадат до нула.
МАГНИТНИ СВОЙСТВА НА ВЕЩЕСТВОТО
Едно от първите обширни и систематични изследвания на магнитните свойства на материята е предприето от П. Кюри. Той установява, че според техните магнитни свойства всички вещества могат да бъдат разделени на три класа. Първият включва вещества с изразени магнитни свойства, подобни на тези на желязото. Такива вещества се наричат феромагнитни; тяхното магнитно поле се забелязва на значителни разстояния (виж по-горе). Веществата, наречени парамагнитни, попадат във втория клас; техните магнитни свойства като цяло са подобни на тези на феромагнитните материали, но много по-слаби. Например силата на привличане към полюсите на мощен електромагнит може да извади железен чук от ръцете ви и за да се открие привличането на парамагнитно вещество към същия магнит, като правило са необходими много чувствителни аналитични везни . Последният, трети клас включва така наречените диамагнитни вещества. Те се отблъскват от електромагнит, т.е. силата, действаща върху диамагнетиците, е насочена противоположно на тази, действаща върху феро- и парамагнетиците.
Измерване на магнитни свойства.При изучаването на магнитните свойства най-важни са два вида измервания. Първият от тях е измерването на силата, действаща върху пробата в близост до магнита; така се определя намагнитването на пробата. Втората група включва измервания на "резонансни" честоти, свързани с намагнитването на материята. Атомите са малки "жироскопи" и прецесират в магнитно поле (като нормален въртящ се връх под въздействието на въртящ момент, създаден от гравитацията) с честота, която може да бъде измерена. В допълнение, сила действа върху свободни заредени частици, движещи се под прав ъгъл спрямо линиите на магнитната индукция, както и върху електронния ток в проводник. Той кара частицата да се движи по кръгова орбита, чийто радиус е даден от R = mv/eB, където m е масата на частицата, v е нейната скорост, e е нейният заряд и B е силата на магнитното поле. Честотата на такова кръгово движение е равна на
където f се измерва в херци, e е в кулони, m е в килограми, B е в тесла. Тази честота характеризира движението на заредени частици в дадено вещество в магнитно поле. И двата типа движение (прецесия и движение по кръгови орбити) могат да бъдат възбудени от редуващи се полета с резонансни честоти, равни на "естествените" честоти, характерни за даден материал. В първия случай резонансът се нарича магнитен, а във втория - циклотронен (поради сходството с цикличното движение на субатомна частица в циклотрон). Говорейки за магнитните свойства на атомите, е необходимо да се обърне специално внимание на техния ъглов момент. Магнитното поле действа върху въртящ се атомен дипол, опитвайки се да го завърти и да го настрои успоредно на полето. Вместо това, атомът започва да прецесира около посоката на полето (фиг. 10) с честота, зависеща от диполния момент и силата на приложеното поле.
Прецесията на атомите не може да се наблюдава директно, тъй като всички атоми на пробата прецесират в различна фаза. Ако обаче се приложи малко променливо поле, насочено перпендикулярно на постоянното подреждащо поле, тогава между прецесиращите атоми се установява определено фазово съотношение и техният общ магнитен момент започва да прецесира с честота, равна на честотата на прецесията на отделните атоми. магнитни моменти. Ъгловата скорост на прецесията е от голямо значение. По правило тази стойност е от порядъка на 1010 Hz/T за намагнитването, свързано с електроните, и от порядъка на 107 Hz/T за намагнитването, свързано с положителните заряди в ядрата на атомите. Принципна схема на инсталацията за наблюдение на ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) е показана на фиг. 11. Изследваното вещество се въвежда в еднородно постоянно поле между полюсите. Ако RF поле след това се възбуди с малка намотка около епруветката, може да се постигне резонанс при определена честота, равна на честотата на прецесия на всички ядрени "жироскопи" на пробата. Измерванията са подобни на настройването на радиоприемник на честотата на определена станция.
Методите на магнитния резонанс позволяват да се изследват не само магнитните свойства на конкретни атоми и ядра, но и свойствата на тяхната среда. Въпросът е, че магнитните полета в твърдите тела и молекулите са нехомогенни, тъй като са изкривени от атомни заряди и детайлите на хода на експерименталната резонансна крива се определят от локалното поле в областта, където се намира прецесиращото ядро. Това дава възможност да се изследват характеристиките на структурата на определена проба чрез резонансни методи.
Изчисляване на магнитни свойства.Магнитната индукция на полето на Земята е 0,5 * 10 -4 T, докато полето между полюсите на силен електромагнит е от порядъка на 2 T или повече. Магнитното поле, създадено от всяка конфигурация на токове, може да се изчисли с помощта на формулата на Biot - Savart - Laplace за магнитната индукция на полето, създадено от текущия елемент. Изчисляването на полето, създадено от контури с различни форми и цилиндрични намотки, в много случаи е много сложно. По-долу са дадени формули за редица прости случаи. Магнитната индукция (в тесла) на полето, създадено от дълъг прав проводник с ток I (ампери), на разстояние r (метри) от проводника е
Индукцията в центъра на кръгова верига с радиус R с ток I е (в същите единици):
Плътно навита намотка от тел без желязна сърцевина се нарича соленоид. Магнитната индукция, създадена от дълъг соленоид с брой навивки N в точка, достатъчно отдалечена от краищата му, е равна на
Тук NI/L е броят ампери (амперови навивки) на единица дължина на соленоида. Във всички случаи магнитното поле на тока е насочено перпендикулярно на този ток, а силата, действаща върху тока в магнитното поле, е перпендикулярна както на тока, така и на магнитното поле. Полето на магнетизиран железен прът е подобно на външното поле на дълъг соленоид с броя на ампер-оборотите на единица дължина, съответстващ на тока в атомите на повърхността на магнетизирания прът, тъй като токовете вътре в пръта отменят всеки друг навън (фиг. 12). С името на Ампер такъв повърхностен ток се нарича Ампер. Силата на магнитното поле Ha, създадено от тока на Ампер, е равна на магнитния момент на единицата обем на пръта M.
Ако в соленоида се постави железен прът, тогава в допълнение към факта, че соленоидният ток създава магнитно поле H, подреждането на атомните диполи в магнетизирания материал на пръта създава намагнитване M. В този случай общият магнитен поток се определя от сумата на реалния и амперовия ток, така че B = m0(H + Ha), или B = m0(H + M). Съотношението M/H се нарича магнитна възприемчивост и се означава с гръцката буква c; c е безразмерна величина, характеризираща способността на материала да се магнетизира в магнитно поле.
Стойността B/H, характеризираща магнитните свойства
материал се нарича магнитна пропускливост и се обозначава с ma, където ma = m0m, където ma е абсолютната и m е относителната пропускливост, m = 1 + c. Във феромагнитните вещества стойността на c може да има много големи стойности - до 10 4-10 6. Стойността на c за парамагнитните материали е малко по-голяма от нула, а за диамагнитните материали е малко по-малка. Само във вакуум и в много слаби полета величините c и m са постоянни и независими от външното поле. Зависимостта на индукцията B от H обикновено е нелинейна, а нейните графики, т.нар. кривите на намагнитване за различни материали и дори при различни температури могат да се различават значително (примери за такива криви са показани на фиг. 2 и 3). Магнитните свойства на материята са много сложни и задълбоченото разбиране на тяхната структура изисква задълбочен анализ на структурата на атомите, техните взаимодействия в молекулите, техните сблъсъци в газове и взаимното им влияние в твърди вещества и течности; магнитните свойства на течностите все още са най-малко проучени. - полета с напрегнатост Н?0.5=1.0 ME (границата е условна). По-ниската стойност на S. m. p. съответства на макс. стойността на стационарното поле = 500 kOe, което може да бъде достъпно чрез модерни. техника, горно поле 1 ME, дори краткотрайно. удар в клаксон ...... Физическа енциклопедия
Дял на физиката, който изучава структурата и свойствата на твърдите тела. Научните данни за микроструктурата на твърдите тела и за физичните и химичните свойства на съставните им атоми са необходими за разработването на нови материали и технически устройства. Физика ... ... Енциклопедия на Collier
Клон на физиката, обхващащ познания за статично електричество, електрически токове и магнитни явления. ЕЛЕКТРОСТАТИКА Електростатиката се занимава с явления, свързани с електрически заряди в покой. Наличието на сили, действащи между ... ... Енциклопедия на Collier
- (от старогръцки physis природа). Древните са наричали физика всяко изследване на околния свят и природните явления. Това разбиране на термина физика се запазва до края на 17 век. По-късно се появяват редица специални дисциплини: химия, която изучава свойствата на ... ... Енциклопедия на Collier
Терминът момент по отношение на атомите и атомните ядра може да означава следното: 1) спинов момент или спин, 2) магнитен диполен момент, 3) електрически квадруполен момент, 4) други електрически и магнитни моменти. Различни видове…… Енциклопедия на Collier
Електрически аналог на феромагнетизма. Точно както във феромагнитните вещества, когато се поставят в магнитно поле, се появява остатъчна магнитна поляризация (момент), в фероелектричните диелектрици, поставени в електрическо поле, ... ... Енциклопедия на Collier
Ние използваме бисквитки за най-доброто представяне на нашия сайт. Продължавайки да използвате този сайт, вие се съгласявате с това. Добре