Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης και η εφαρμογή τους. Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης. Μαγνητική διαπερατότητα. «Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης»
Όλα τα υλικά έχουν μαγνητικές ιδιότητες στον ένα ή τον άλλο βαθμό, καθώς αυτές οι ιδιότητες είναι μια αντανάκλαση των δομικών προτύπων που είναι εγγενείς στην ύλη σε μικροεπίπεδο. Τα δομικά χαρακτηριστικά προκαλούν διαφορές στις μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών, δηλαδή στη φύση της αλληλεπίδρασής τους με ένα μαγνητικό πεδίο.
Η δομή της ύλης και ο μαγνητισμός
Η πρώτη θεωρία που εξηγεί τη φύση του μαγνητισμού μέσω της σχέσης ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων δημιουργήθηκε από τον Γάλλο φυσικό J.-M. Ampère στη δεκαετία του 20 του 19ου αιώνα. Στο πλαίσιο αυτής της θεωρίας, ο Ampere πρότεινε την παρουσία σε φυσικά σώματα μικροσκοπικών κλειστών ρευμάτων, που συνήθως αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Αλλά για ουσίες με μαγνητικές ιδιότητες, τέτοια «μοριακά ρεύματα» δημιουργούν ένα επιφανειακό ρεύμα, με αποτέλεσμα το υλικό να γίνεται μόνιμος μαγνήτης. Αυτή η υπόθεση δεν έχει επιβεβαιωθεί, εκτός από μια σημαντική ιδέα - για τα μικρορεύματα ως πηγές μαγνητικών πεδίων.
Τα μικρορεύματα στην ύλη υπάρχουν πραγματικά λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων στα άτομα και δημιουργούν μια μαγνητική ροπή. Επιπλέον, τα ηλεκτρόνια έχουν τη δική τους μαγνητική ροπή κβαντικής φύσης.
Η συνολική μαγνητική ροπή μιας ουσίας, δηλαδή το σύνολο των στοιχειωδών ρευμάτων σε αυτήν, σε σχέση με μια μονάδα όγκου, καθορίζει την κατάσταση μαγνήτισης ενός μακροσκοπικού σώματος. Στις περισσότερες ουσίες, οι ροπές των σωματιδίων είναι τυχαία προσανατολισμένες (τον πρωταγωνιστικό ρόλο σε αυτό παίζουν οι θερμικές χαοτικές ταλαντώσεις) και η μαγνήτιση είναι πρακτικά μηδενική.
Η συμπεριφορά της ύλης σε ένα μαγνητικό πεδίο
Κάτω από τη δράση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, τα διανύσματα των μαγνητικών ροπών των σωματιδίων αλλάζουν κατεύθυνση - το σώμα μαγνητίζεται και το δικό του μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται σε αυτό. Η φύση αυτής της αλλαγής και η έντασή της, που καθορίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών, οφείλονται σε διάφορους παράγοντες:
- χαρακτηριστικά της δομής των κελυφών ηλεκτρονίων σε άτομα και μόρια ύλης.
- διατομικές και διαμοριακές αλληλεπιδράσεις.
- χαρακτηριστικά της δομής των κρυσταλλικών δικτυωμάτων (ανισοτροπία).
- τη θερμοκρασία της ουσίας·
- δύναμη και διαμόρφωση του μαγνητικού πεδίου και ούτω καθεξής.
Η μαγνήτιση μιας ουσίας είναι ανάλογη με την ισχύ του μαγνητικού πεδίου σε αυτήν. Η αναλογία τους καθορίζεται από έναν ειδικό συντελεστή - μαγνητική επιδεκτικότητα. Στο κενό είναι ίσο με μηδέν, σε ορισμένες ουσίες είναι αρνητικό.
Η τιμή που χαρακτηρίζει την αναλογία μαγνητικής επαγωγής και έντασης πεδίου σε μια ουσία ονομάζεται συνήθως μαγνητική διαπερατότητα. Στο κενό, η επαγωγή και η τάση συμπίπτουν και η διαπερατότητά της είναι ίση με ένα. Η μαγνητική διαπερατότητα μιας ουσίας μπορεί να εκφραστεί ως σχετική τιμή. Αυτή είναι η αναλογία των απόλυτων τιμών του για μια δεδομένη ουσία και για το κενό (η τελευταία τιμή λαμβάνεται ως μαγνητική σταθερά).
Ταξινόμηση ουσιών σύμφωνα με μαγνητικές ιδιότητες
Σύμφωνα με τον τύπο συμπεριφοράς διαφόρων στερεών υλικών, υγρών, αερίων σε μαγνητικό πεδίο, διακρίνονται διάφορες ομάδες:
- διαμαγνήτες?
- παραμαγνήτες?
- σιδηρομαγνήτες?
- σιδηρομαγνήτες?
- αντισιδηρομαγνήτες.
Τα κύρια μαγνητικά χαρακτηριστικά μιας ουσίας που αποτελούν τη βάση της ταξινόμησης είναι η μαγνητική επιδεκτικότητα και η μαγνητική διαπερατότητα. Ας χαρακτηρίσουμε τις κύριες ιδιότητες που είναι εγγενείς σε κάθε ομάδα.
Διαμαγνήτες
Λόγω ορισμένων χαρακτηριστικών της δομής των νεφών ηλεκτρονίων, τα άτομα (ή τα μόρια) των διαμαγνητών δεν έχουν μαγνητική ροπή. Εμφανίζεται όταν εμφανίζεται ένα εξωτερικό πεδίο. Το επαγόμενο, επαγόμενο πεδίο έχει την αντίθετη κατεύθυνση και το προκύπτον πεδίο αποδεικνύεται κάπως ασθενέστερο από το εξωτερικό. Είναι αλήθεια ότι αυτή η διαφορά δεν μπορεί να είναι σημαντική.
Η μαγνητική επιδεκτικότητα των διαμαγνητών εκφράζεται σε αρνητικούς αριθμούς με τάξη μεγέθους από 10-4 έως 10-6 και δεν εξαρτάται από την ένταση του πεδίου. η μαγνητική διαπερατότητα είναι χαμηλότερη από αυτή του κενού κατά την ίδια τάξη μεγέθους.
Η επιβολή ενός ανομοιογενούς μαγνητικού πεδίου οδηγεί στο γεγονός ότι ο διαμαγνήτης ωθείται προς τα έξω από αυτό το πεδίο, καθώς τείνει να μετακινηθεί σε μια περιοχή όπου το πεδίο είναι ασθενέστερο. Η επίδραση της διαμαγνητικής αιώρησης βασίζεται σε αυτό το χαρακτηριστικό των μαγνητικών ιδιοτήτων των ουσιών αυτής της ομάδας.
Οι διαμαγνήτες αντιπροσωπεύουν μια εκτεταμένη ομάδα ουσιών. Περιλαμβάνει μέταλλα όπως χαλκό, ψευδάργυρο, χρυσό, ασήμι, βισμούθιο. Περιλαμβάνει επίσης πυρίτιο, γερμάνιο, φώσφορο, άζωτο, υδρογόνο, αδρανή αέρια. Από τις σύνθετες ουσίες - νερό, πολλά άλατα, οργανικές ενώσεις. Οι ιδανικοί διαμαγνήτες είναι οι υπεραγωγοί. Η μαγνητική τους διαπερατότητα είναι ίση με μηδέν. Το πεδίο δεν μπορεί να διεισδύσει στον υπεραγωγό.
Παραμαγνήτες
Οι ουσίες που ανήκουν σε αυτή την ομάδα χαρακτηρίζονται από θετική μαγνητική επιδεκτικότητα (πολύ χαμηλή, περίπου 10-5 - 10-6). Μαγνητίζονται παράλληλα με το διάνυσμα του υπερτιθέμενου πεδίου, δηλαδή σύρονται σε αυτό, αλλά η αλληλεπίδραση των παραμαγνητών με αυτό είναι πολύ ασθενής, όπως αυτή των διαμαγνητών. Η μαγνητική τους διαπερατότητα είναι κοντά στην τιμή της διαπερατότητας κενού, μόνο ελαφρώς την υπερβαίνει.
Ελλείψει εξωτερικού πεδίου, οι παραμαγνήτες, κατά κανόνα, δεν διαθέτουν μαγνήτιση: τα άτομα τους έχουν τις δικές τους μαγνητικές ροπές, αλλά προσανατολίζονται τυχαία λόγω θερμικών δονήσεων. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, οι παραμαγνήτες μπορεί να έχουν μια μικρή εγγενή μαγνήτιση, η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από εξωτερικές επιρροές. Ωστόσο, η επίδραση της θερμικής κίνησης είναι πολύ μεγάλη, με αποτέλεσμα οι στοιχειώδεις μαγνητικές ροπές των παραμαγνητών να μην καθορίζονται ποτέ ακριβώς προς την κατεύθυνση του πεδίου. Αυτός είναι ο λόγος της χαμηλής μαγνητικής επιδεκτικότητάς τους.
Οι δυνάμεις της διατομικής και διαμοριακής αλληλεπίδρασης παίζουν επίσης σημαντικό ρόλο, συμβάλλοντας ή, αντίθετα, αντιστέκονται στη διάταξη των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών. Αυτό προκαλεί μια μεγάλη ποικιλία μαγνητικών ιδιοτήτων της παραμαγνητικής ύλης.
Αυτή η ομάδα ουσιών περιλαμβάνει πολλά μέταλλα, όπως βολφράμιο, αλουμίνιο, μαγγάνιο, νάτριο, μαγνήσιο. Οι παραμαγνήτες είναι οξυγόνο, άλατα σιδήρου, μερικά οξείδια.
σιδηρομαγνήτες
Υπάρχει μια μικρή ομάδα ουσιών που, λόγω δομικών χαρακτηριστικών, έχουν πολύ υψηλές μαγνητικές ιδιότητες. Το πρώτο μέταλλο στο οποίο ανακαλύφθηκαν αυτές οι ιδιότητες ήταν ο σίδηρος και χάρη σε αυτό, αυτή η ομάδα έλαβε το όνομα σιδηρομαγνήτες.
Η δομή των σιδηρομαγνητών χαρακτηρίζεται από την παρουσία ειδικών δομών - περιοχών. Αυτές είναι περιοχές όπου η μαγνήτιση σχηματίζεται αυθόρμητα. Λόγω των ιδιαιτεροτήτων της διατομικής και διαμοριακής αλληλεπίδρασης, οι σιδηρομαγνήτες έχουν την πιο ευνοϊκή ενεργειακά διάταξη ατομικών και ηλεκτρονικών μαγνητικών ροπών. Αποκτούν παράλληλο προσανατολισμό κατά μήκος των λεγόμενων κατευθύνσεων εύκολης μαγνήτισης. Ωστόσο, ολόκληρος ο όγκος, για παράδειγμα, ενός κρυστάλλου σιδήρου δεν μπορεί να αποκτήσει μονοκατευθυντική αυθόρμητη μαγνήτιση - αυτό θα αύξανε τη συνολική ενέργεια του συστήματος. Επομένως, το σύστημα χωρίζεται σε τμήματα, η αυθόρμητη μαγνήτιση των οποίων σε ένα σιδηρομαγνητικό σώμα αντισταθμίζει το ένα το άλλο. Έτσι σχηματίζονται οι τομείς.
Η μαγνητική επιδεκτικότητα των σιδηρομαγνητών είναι εξαιρετικά υψηλή και κυμαίνεται από αρκετές δεκάδες έως εκατοντάδες χιλιάδες και εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ισχύ του εξωτερικού πεδίου. Ο λόγος για αυτό είναι ότι ο προσανατολισμός των περιοχών κατά μήκος της κατεύθυνσης του πεδίου αποδεικνύεται επίσης ενεργειακά ευνοϊκός. Η κατεύθυνση του διανύσματος μαγνήτισης ενός μέρους των περιοχών θα συμπίπτει αναγκαστικά με το διάνυσμα έντασης πεδίου και η ενέργειά τους θα είναι η χαμηλότερη. Τέτοιες περιοχές μεγαλώνουν και οι τομείς που προσανατολίζονται σε μειονεκτική θέση συρρικνώνονται ταυτόχρονα. Η μαγνήτιση αυξάνεται και η μαγνητική επαγωγή αυξάνεται. Η διαδικασία συμβαίνει ανομοιόμορφα και το γράφημα της σύνδεσης μεταξύ της επαγωγής και της ισχύος του εξωτερικού πεδίου ονομάζεται καμπύλη μαγνήτισης μιας σιδηρομαγνητικής ουσίας.
Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται σε μια ορισμένη τιμή κατωφλίου, που ονομάζεται σημείο Curie, η δομή του τομέα παραβιάζεται λόγω της αυξημένης θερμικής κίνησης. Κάτω από αυτές τις συνθήκες, ένας σιδηρομαγνήτης εμφανίζει παραμαγνητικές ιδιότητες.
Εκτός από το σίδηρο και τον χάλυβα, οι σιδηρομαγνητικές ιδιότητες είναι εγγενείς στο κοβάλτιο και το νικέλιο, ορισμένα κράματα και μέταλλα σπάνιων γαιών.
Σιδηρομαγνήτες και αντισιδηρομαγνήτες
Οι δύο τύποι μαγνητών χαρακτηρίζονται επίσης από μια δομή πεδίου, αλλά οι μαγνητικές ροπές σε αυτούς είναι προσανατολισμένες αντιπαράλληλες. Πρόκειται για ομάδες όπως:
- Αντισιδηρομαγνήτες. Οι μαγνητικές ροπές των περιοχών σε αυτές τις ουσίες είναι ίσες σε αριθμητική τιμή και αντισταθμίζονται αμοιβαία. Για το λόγο αυτό, οι μαγνητικές ιδιότητες των αντισιδηρομαγνητικών υλικών χαρακτηρίζονται από εξαιρετικά χαμηλή μαγνητική επιδεκτικότητα. Σε ένα εξωτερικό πεδίο εκδηλώνονται ως πολύ αδύναμοι παραμαγνήτες. Πάνω από μια θερμοκρασία κατωφλίου, που ονομάζεται σημείο Neel, μια τέτοια ύλη γίνεται ένας συνηθισμένος παραμαγνήτης. Αντισιδηρομαγνήτες είναι το χρώμιο, το μαγγάνιο, ορισμένα μέταλλα σπάνιων γαιών, οι ακτινίδες. Ορισμένα αντισιδηρομαγνητικά κράματα έχουν δύο σημεία Neel. Όταν η θερμοκρασία είναι κάτω από το κατώτερο όριο, το υλικό γίνεται σιδηρομαγνητικό.
- Ferrimagnets. Για ουσίες αυτής της κατηγορίας, τα μεγέθη των μαγνητικών ροπών διαφορετικών δομικών μονάδων δεν είναι ίσα, λόγω των οποίων δεν προκύπτει αμοιβαία αντιστάθμιση. Η μαγνητική τους επιδεκτικότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την ισχύ του μαγνητιστικού πεδίου. Οι φερριμαγνήτες είναι φερρίτες που περιέχουν οξείδιο του σιδήρου.
Η έννοια της υστέρησης. μόνιμο μαγνητισμό
Τα σιδηρομαγνητικά και τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν την ιδιότητα της υπολειμματικής μαγνήτισης. Η ιδιότητα αυτή οφείλεται στο φαινόμενο της υστέρησης - καθυστέρησης. Η ουσία του είναι ότι η αλλαγή στη μαγνήτιση του υλικού υστερεί σε σχέση με την αλλαγή στο εξωτερικό πεδίο. Εάν, με την επίτευξη κορεσμού, η ένταση του πεδίου μειωθεί, η μαγνήτιση θα αλλάξει όχι σύμφωνα με την καμπύλη μαγνήτισης, αλλά με πιο ήπιο τρόπο, καθώς ένα σημαντικό μέρος των περιοχών παραμένει προσανατολισμένο σύμφωνα με το διάνυσμα πεδίου. Χάρη σε αυτό το φαινόμενο, υπάρχουν μόνιμοι μαγνήτες.
Ο απομαγνητισμός συμβαίνει όταν αλλάζει η κατεύθυνση του πεδίου, όταν φτάσει σε μια ορισμένη τιμή, που ονομάζεται εξαναγκαστική (επιβραδυντική) δύναμη. Όσο μεγαλύτερη είναι η τιμή του, τόσο καλύτερα η ουσία διατηρεί την υπολειπόμενη μαγνήτιση. Το κλείσιμο του βρόχου υστέρησης συμβαίνει στην επόμενη αλλαγή στην ένταση στην κατεύθυνση και το μέγεθος.
Μαγνητική σκληρότητα και απαλότητα
Το φαινόμενο της υστέρησης επηρεάζει σε μεγάλο βαθμό τις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών. Οι ουσίες στις οποίες ο βρόχος επεκτείνεται στο γράφημα υστέρησης, απαιτώντας σημαντική καταναγκαστική δύναμη για απομαγνήτιση, ονομάζονται μαγνητικά σκληρές, τα υλικά με στενό βρόχο, που είναι πολύ πιο εύκολο να απομαγνητιστούν, ονομάζονται μαλακά μαγνητικά.
Σε εναλλασσόμενα πεδία, η μαγνητική υστέρηση είναι ιδιαίτερα έντονη. Συνοδεύεται πάντα από απελευθέρωση θερμότητας. Επιπλέον, σε ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, τα ρεύματα δινικής επαγωγής εμφανίζονται στον μαγνήτη, απελευθερώνοντας μια ιδιαίτερα μεγάλη ποσότητα θερμότητας.
Πολλοί σιδηρομαγνήτες και σιδηρομαγνήτες χρησιμοποιούνται σε εξοπλισμό που λειτουργεί με εναλλασσόμενο ρεύμα (για παράδειγμα, οι πυρήνες ηλεκτρομαγνητών) και επαναμαγνητίζονται συνεχώς κατά τη λειτουργία. Προκειμένου να μειωθούν οι απώλειες ενέργειας λόγω υστέρησης και οι δυναμικές απώλειες λόγω δινορευμάτων, σε τέτοιο εξοπλισμό χρησιμοποιούνται μαλακά μαγνητικά υλικά όπως καθαρός σίδηρος, φερρίτες, ηλεκτρικοί χάλυβες, κράματα (για παράδειγμα, μόνιμο κράμα). Υπάρχουν άλλοι τρόποι ελαχιστοποίησης των απωλειών ενέργειας.
Τα μαγνητικά στερεά, αντίθετα, χρησιμοποιούνται σε εξοπλισμό που λειτουργεί σε σταθερό μαγνητικό πεδίο. Διατηρούν την παραμονή τους πολύ περισσότερο, αλλά είναι πιο δύσκολο να μαγνητιστούν σε κορεσμό. Πολλά από αυτά είναι επί του παρόντος σύνθετα διαφόρων τύπων, όπως μαγνήτες μετάλλου-κεραμικού ή νεοδυμίου.
Λίγα περισσότερα για τη χρήση μαγνητικών υλικών
Οι σύγχρονες βιομηχανίες υψηλής τεχνολογίας απαιτούν τη χρήση μαγνητών κατασκευασμένων από δομικά, συμπεριλαμβανομένων σύνθετων υλικών με καθορισμένες μαγνητικές ιδιότητες ουσιών. Τέτοια, για παράδειγμα, είναι τα μαγνητικά νανοσύνθετα σιδηρομαγνήτη-υπεραγωγού ή σιδηρομαγνήτη-παραμαγνήτου που χρησιμοποιούνται στη σπιντρονική ή μαγνητοπολυμερή - γέλες, ελαστομερή, λάτεξ, σιδηρορευστά, τα οποία χρησιμοποιούνται ευρέως.
Τα διάφορα μαγνητικά κράματα είναι επίσης εξαιρετικά σε ζήτηση. Το κράμα νεοδυμίου-σιδήρου-βορίου χαρακτηρίζεται από υψηλή αντοχή στην απομαγνήτιση και την ισχύ: οι μαγνήτες νεοδυμίου που αναφέρονται παραπάνω, που είναι οι πιο ισχυροί μόνιμοι μαγνήτες σήμερα, χρησιμοποιούνται σε μεγάλη ποικιλία βιομηχανιών, παρά την παρουσία ορισμένων μειονεκτημάτων, όπως η ευθραυστότητα . Χρησιμοποιούνται σε τομογράφους μαγνητικού συντονισμού, ανεμογεννήτριες, κατά τον καθαρισμό τεχνικών ρευστών και την ανύψωση βαρέων φορτίων.
Μεγάλο ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι προοπτικές χρήσης αντισιδηρομαγνητών σε νανοδομές χαμηλής θερμοκρασίας για την κατασκευή κυψελών μνήμης, οι οποίες καθιστούν δυνατή τη σημαντική αύξηση της πυκνότητας εγγραφής χωρίς να διαταράσσεται η κατάσταση των γειτονικών bits.
Πρέπει να υποτεθεί ότι η χρήση των μαγνητικών ιδιοτήτων ουσιών με επιθυμητά χαρακτηριστικά θα επεκτείνεται όλο και περισσότερο και θα παρέχει σοβαρές τεχνολογικές ανακαλύψεις σε διάφορους τομείς.
Υπουργείο Παιδείας και Επιστημών της Δημοκρατίας του Καζακστάν
Κρατικό Πανεπιστήμιο Kostanay που πήρε το όνομά του Αχμέτ Μπαϊτουρσίνοφ
Περίληψη με θέμα:
«Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης»
Συμπλήρωσε: μαθητής της ομάδας 08-101-31
Ειδικότητες 050718
Litvinenko R.V.
Έλεγχος: Sapa V.Yu.
Kostanay 2009-2010.
Σχέδιο.
1) Ταξινόμηση ουσιών σύμφωνα με μαγνητικές ιδιότητες.
2) Ταξινόμηση μαγνητικών υλικών.
3) Βασικές απαιτήσεις για υλικά.
4) Σιδηρομαγνήτες.
5) Διαμαγνήτες και παραμαγνήτες σε μαγνητικό πεδίο.
6) Λογοτεχνία.
Ταξινόμηση ουσιών σύμφωνα με μαγνητικές ιδιότητες
Σύμφωνα με την απόκριση σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και τη φύση της εσωτερικής μαγνητικής διάταξης, όλες οι ουσίες στη φύση μπορούν να χωριστούν σε πέντε ομάδες: διαμαγνήτες, παραμαγνήτες, σιδηρομαγνήτες, αντισιδηρομαγνήτες και σιδηρομαγνήτες. Οι αναφερόμενοι τύποι μαγνητών αντιστοιχούν σε πέντε διαφορετικούς τύπους μαγνητικής κατάστασης της ύλης: διαμαγνητισμός, παραμαγνητισμός, σιδηρομαγνητισμός, αντισιδηρομαγνητισμός και σιδηρομαγνητισμός.
Οι διαμαγνήτες είναι ουσίες στις οποίες η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι αρνητική και δεν εξαρτάται από την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Οι διαμαγνήτες περιλαμβάνουν αδρανή αέρια, υδρογόνο, άζωτο, πολλά υγρά (νερό, λάδι και τα παράγωγά του), μια σειρά από μέταλλα (χαλκός, άργυρος, χρυσός, ψευδάργυρος, υδράργυρος, γάλλιο κ.λπ.), οι περισσότεροι ημιαγωγοί (πυρίτιο, γερμάνιο, ενώσεις Α3). B 5, A 2 B 6) και οργανικές ενώσεις, κρύσταλλοι αλογονιδίων αλκαλίων, ανόργανα γυαλιά κ.λπ. Οι διαμαγνήτες είναι όλες ουσίες με ομοιοπολικό χημικό δεσμό και ουσίες σε υπεραγώγιμη κατάσταση.
Οι παραμαγνήτες περιλαμβάνουν ουσίες με θετική μαγνητική επιδεκτικότητα, ανεξάρτητη από την ισχύ ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Οι παραμαγνήτες περιλαμβάνουν οξυγόνο, μονοξείδιο του αζώτου, μέταλλα αλκαλίων και αλκαλικών γαιών, ορισμένα μέταλλα μετάπτωσης, άλατα σιδήρου, κοβάλτιο, νικέλιο και στοιχεία σπάνιων γαιών.
Οι σιδηρομαγνήτες περιλαμβάνουν ουσίες με μεγάλη θετική μαγνητική επιδεκτικότητα (έως 10 6), η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και τη θερμοκρασία.
Οι αντισιδηρομαγνήτες είναι ουσίες στις οποίες, κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, προκύπτει αυθόρμητα ένας αντιπαράλληλος προσανατολισμός των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών πανομοιότυπων ατόμων ή ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος. Όταν θερμαίνεται, ένας αντισιδηρομαγνήτης υφίσταται μια μετάβαση φάσης σε μια παραμαγνητική κατάσταση. Αντισιδηρομαγνητισμός έχει βρεθεί στο χρώμιο, το μαγγάνιο και μια σειρά από στοιχεία σπάνιων γαιών (Ce, Nd, Sm, Tm κ.λπ.). Οι τυπικοί αντισιδηρομαγνήτες είναι οι απλούστερες χημικές ενώσεις που βασίζονται σε μέταλλα της μεταβατικής ομάδας όπως οξείδια, αλογονίδια, σουλφίδια, ανθρακικά κ.λπ.
Οι σιδηρομαγνήτες είναι ουσίες των οποίων οι μαγνητικές ιδιότητες οφείλονται σε μη αντισταθμισμένο αντισιδηρομαγνητισμό. Όπως οι σιδηρομαγνήτες, έχουν υψηλή μαγνητική επιδεκτικότητα, η οποία εξαρτάται σημαντικά από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και τη θερμοκρασία. Μαζί με αυτό, οι σιδηρομαγνήτες χαρακτηρίζονται επίσης από μια σειρά σημαντικών διαφορών από τα σιδηρομαγνητικά υλικά.
Ορισμένα παραγγελθέντα κράματα μετάλλων έχουν ιδιότητες σιδηρομαγνήτων, αλλά κυρίως διάφορες ενώσεις οξειδίων, μεταξύ των οποίων το μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον παρουσιάζουν οι φερρίτες.
Ταξινόμηση μαγνητικών υλικών
Τα μαγνητικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική μηχανική χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες: σκληρό μαγνητικόΚαι μαλακό μαγνητικό. Τα υλικά ταξινομούνται σε ξεχωριστή ομάδα ειδικός σκοπός .
ΠΡΟΣ ΤΗΝ σκληρό μαγνητικόπεριλαμβάνουν υλικά με μεγάλη καταναγκαστική δύναμη N s. Επαναμαγνητίζονται μόνο σε πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών.
ΠΡΟΣ ΤΗΝ μαλακό μαγνητικόπεριλαμβάνουν υλικά με χαμηλή καταναγκαστική δύναμη και υψηλή μαγνητική διαπερατότητα. Έχουν την ικανότητα να μαγνητίζονται σε κορεσμό σε ασθενή μαγνητικά πεδία, χαρακτηρίζονται από στενό βρόχο υστέρησης και χαμηλές απώλειες επαναμαγνήτισης. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται κυρίως ως διάφορα μαγνητικά κυκλώματα: πυρήνες τσοκ, μετασχηματιστές, ηλεκτρομαγνήτες, μαγνητικά συστήματα ηλεκτρικών οργάνων μέτρησης κ.λπ.
Υπό όρους μαλακά μαγνητικά υλικά θεωρούνται υλικά στα οποία το H με< 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н с >4 kA/m. Ωστόσο, πρέπει να σημειωθεί ότι για τα καλύτερα μαλακά μαγνητικά υλικά, η δύναμη καταναγκασμού μπορεί να είναι μικρότερη από 1 A/m και για τα καλύτερα σκληρά μαγνητικά υλικά, η τιμή της υπερβαίνει τα 500 kA/m. Όσον αφορά το πεδίο εφαρμογής στην ηλεκτρονική μηχανική, μεταξύ των υλικών ειδικής χρήσης, θα πρέπει να ξεχωρίσουν τα υλικά με ορθογώνιο βρόχο υστέρησης (SHL), οι φερρίτες για συσκευές μικροκυμάτων και τα μαγνητοσυστολικά υλικά.
Σε κάθε ομάδα, η διαίρεση των μαγνητικών υλικών σε γένη και τύπους αντανακλά διαφορές στη δομή και τη χημική τους σύνθεση, λαμβάνει υπόψη τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά και ορισμένες συγκεκριμένες ιδιότητες.
Οι ιδιότητες των μαγνητικών υλικών καθορίζονται από το σχήμα της καμπύλης μαγνήτισης και τον βρόχο υστέρησης. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται για τη λήψη υψηλών τιμών μαγνητικής ροής. Το μέγεθος της μαγνητικής ροής περιορίζεται από τον μαγνητικό κορεσμό του υλικού, και ως εκ τούτου η κύρια απαίτηση για μαγνητικά υλικά στην ηλεκτρολογία και τα ηλεκτρονικά υψηλού ρεύματος είναι η επαγωγή υψηλού κορεσμού. Οι ιδιότητες των μαγνητικών υλικών εξαρτώνται από τη χημική τους σύνθεση, την καθαρότητα της πρώτης ύλης που χρησιμοποιείται και την τεχνολογία παραγωγής. Ανάλογα με την πρώτη ύλη και την τεχνολογία παραγωγής, τα μαλακά μαγνητικά υλικά χωρίζονται σε τρεις ομάδες: μονολιθικά μεταλλικά υλικά, μεταλλικά υλικά σε σκόνη (μαγνητοδιηλεκτρικά) και οξείδια μαγνητικά υλικά, που ονομάζονται εν συντομία φερρίτες.
Βασικές απαιτήσεις για υλικά
Εκτός από την υψηλή μαγνητική διαπερατότητα και τη χαμηλή δύναμη καταναγκασμού, τα μαλακά μαγνητικά υλικά θα πρέπει να έχουν υψηλή επαγωγή κορεσμού, δηλ. για να περάσει η μέγιστη μαγνητική ροή μέσω μιας δεδομένης περιοχής διατομής του μαγνητικού κυκλώματος. Η εκπλήρωση αυτής της απαίτησης καθιστά δυνατή τη μείωση των συνολικών διαστάσεων και του βάρους του μαγνητικού συστήματος.
Το μαγνητικό υλικό που χρησιμοποιείται σε εναλλασσόμενα πεδία θα πρέπει να έχει πιθανώς μικρότερες απώλειες επαναμαγνήτισης, οι οποίες αποτελούνται κυρίως από απώλειες υστέρησης και δινορρευμάτων.
Για να μειωθούν οι απώλειες δινορευμάτων στους μετασχηματιστές, επιλέγονται μαλακά μαγνητικά υλικά με αυξημένη ειδική αντίσταση. Συνήθως, τα μαγνητικά κυκλώματα συναρμολογούνται από ξεχωριστά λεπτά φύλλα που είναι απομονωμένα μεταξύ τους. Οι πυρήνες ταινίας τυλιγμένοι από λεπτή ταινία με μόνωση ενδιάμεσης περιστροφής από διηλεκτρικό βερνίκι έχουν λάβει ευρεία εφαρμογή. Η απαίτηση για υψηλή πλαστικότητα επιβάλλεται στα υλικά φύλλων και ταινιών, λόγω των οποίων διευκολύνεται η διαδικασία κατασκευής προϊόντων από αυτά.
Μια σημαντική απαίτηση για τα μαλακά μαγνητικά υλικά είναι η διασφάλιση της σταθερότητας των ιδιοτήτων τους, τόσο στο χρόνο όσο και σε σχέση με εξωτερικές επιδράσεις, όπως η θερμοκρασία και οι μηχανικές καταπονήσεις. Από όλα τα μαγνητικά χαρακτηριστικά, οι μεγαλύτερες αλλαγές κατά τη λειτουργία του υλικού υπόκεινται σε μαγνητική διαπερατότητα (ειδικά σε ασθενή πεδία) και καταναγκαστική δύναμη.
Σιδηρομαγνήτες.
Η διαίρεση των ουσιών σε δια-, παρα- και σιδηρομαγνήτες είναι σε μεγάλο βαθμό υπό όρους, επειδή οι δύο πρώτοι τύποι ουσιών διαφέρουν ως προς τις μαγνητικές ιδιότητες από το κενό κατά λιγότερο από 0,05%. Στην πράξη, όλες οι ουσίες συνήθως χωρίζονται σε σιδηρομαγνητικές (σιδηρομαγνήτες) και μη σιδηρομαγνητικές, για τις οποίες η σχετική μαγνητική διαπερατότητα m μπορεί να ληφθεί ίση με 1,0.
Οι σιδηρομαγνήτες περιλαμβάνουν σίδηρο, κοβάλτιο, νικέλιο και κράματα που βασίζονται σε αυτά. Έχουν μαγνητική διαπερατότητα που υπερβαίνει τη διαπερατότητα του κενού κατά αρκετές χιλιάδες φορές. Επομένως, όλες οι ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για τη μετατροπή της ενέργειας πρέπει να έχουν δομικά στοιχεία κατασκευασμένα από σιδηρομαγνητικό υλικό και σχεδιασμένα να μεταφέρουν μαγνητική ροή . Τέτοια στοιχεία ονομάζονται μαγνητικά κυκλώματα .
Εκτός από την υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, οι σιδηρομαγνήτες έχουν μια ισχυρή μη γραμμική εξάρτηση επαγωγής σιαπό την ένταση του μαγνητικού πεδίου H, και στην περίπτωση αντιστροφής μαγνήτισης, η σχέση μεταξύ σιΚαι Hγίνεται διφορούμενο. Λειτουργίες σι (H) έχουν ιδιαίτερη σημασία, γιατί μόνο με τη βοήθειά τους είναι δυνατή η μελέτη ηλεκτρομαγνητικών διεργασιών σε κυκλώματα που περιέχουν στοιχεία στα οποία η μαγνητική ροή διέρχεται σε ένα σιδηρομαγνητικό μέσο. Αυτές οι λειτουργίες είναι δύο τύπων: καμπύλες μαγνήτισης και βρόχους υστέρησης .
Εξετάστε τη διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης ενός σιδηρομαγνήτη. Ας υποθέσουμε ότι αρχικά ήταν εντελώς απομαγνητισμένο. Πρώτον, η επαγωγή αυξάνεται γρήγορα λόγω του γεγονότος ότι τα μαγνητικά δίπολα είναι προσανατολισμένα κατά μήκος των γραμμών πεδίου δύναμης, προσθέτοντας τη δική τους μαγνητική ροή στην εξωτερική. Στη συνέχεια, η ανάπτυξή του επιβραδύνεται καθώς ο αριθμός των μη προσανατολισμένων διπόλων μειώνεται και, τέλος, όταν σχεδόν όλα είναι προσανατολισμένα κατά μήκος του εξωτερικού πεδίου, η ανάπτυξη της επαγωγής σταματά και η λειτουργία κορεσμός (Εικ. 1).
Εάν, κατά τη διαδικασία μαγνήτισης, η ένταση του πεδίου φτάσει σε μια ορισμένη τιμή και στη συνέχεια αρχίσει να μειώνεται, τότε η μείωση της επαγωγής θα συμβεί πιο αργά από ό,τι κατά τη μαγνήτιση και η νέα καμπύλη θα διαφέρει από την αρχική. Η καμπύλη μεταβολής της επαγωγής με αυξανόμενη ένταση πεδίου για μια προηγουμένως πλήρως απομαγνητισμένη ουσία ονομάζεται αρχική καμπύλη μαγνήτισης . Στο σχ. Το 1 εμφανίζεται ως παχύρρευστη γραμμή.
Μετά από αρκετούς (περίπου 10) κύκλους αλλαγής έντασης από θετικές σε αρνητικές μέγιστες τιμές, η εξάρτηση σι =φά (H) θα αρχίσει να επαναλαμβάνεται και θα παίρνει τη χαρακτηριστική μορφή μιας συμμετρικής κλειστής καμπύλης, που ονομάζεται βρόχος υστέρησης . Η υστέρηση είναι η υστέρηση της αλλαγής της επαγωγής από την ένταση του μαγνητικού πεδίου . Το φαινόμενο της υστέρησης είναι γενικά χαρακτηριστικό όλων των διεργασιών στις οποίες παρατηρείται εξάρτηση κάποιας ποσότητας από την τιμή μιας άλλης όχι μόνο στην τρέχουσα κατάσταση, αλλά και στην προηγούμενη κατάσταση, δηλ. σι 2 =φά (H 2 ,H 1) - πού H 2 και H 1 - αντίστοιχα, οι τρέχουσες και οι προηγούμενες τιμές τάσης.
Οι βρόχοι υστέρησης μπορούν να ληφθούν για διαφορετικές τιμές της μέγιστης ισχύος εξωτερικού πεδίου H Μ(Εικ. 2). Ο τόπος των σημείων κορυφής των συμμετρικών κύκλων υστέρησης ονομάζεται κύρια καμπύλη μαγνήτισης . Η κύρια καμπύλη μαγνήτισης πρακτικά συμπίπτει με την αρχική καμπύλη.
Συμμετρικός βρόχος υστέρησης που λαμβάνεται στη μέγιστη ένταση πεδίου H Μ(Εικ. 2), που αντιστοιχεί στον κορεσμό ενός σιδηρομαγνήτη, ονομάζεται οριακό κύκλο .
Για τον οριακό κύκλο, ορίζονται επίσης οι τιμές επαγωγής σι rστο H= 0, που ονομάζεται υπολειπόμενη επαγωγή και αξία H ντοστο σι= 0, καλείται καταναγκαστική δύναμη . Η καταναγκαστική (συγκράτηση) δύναμη δείχνει ποια δύναμη του εξωτερικού πεδίου πρέπει να εφαρμοστεί στην ουσία προκειμένου να μειωθεί η υπολειπόμενη επαγωγή στο μηδέν.
Το σχήμα και τα χαρακτηριστικά σημεία του οριακού κύκλου καθορίζουν τις ιδιότητες ενός σιδηρομαγνήτη. Οι ουσίες με μεγάλη υπολειπόμενη επαγωγή, δύναμη καταναγκασμού και εμβαδόν του βρόχου υστέρησης (καμπύλη 1 στο Σχ. 3) ονομάζονται σκληρό μαγνητικό . Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Οι ουσίες με χαμηλή υπολειμματική επαγωγή και περιοχή βρόχου υστέρησης (καμπύλη 2 στο Σχ. 3) ονομάζονται μαγνητικά μαλακό και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μαγνητικών κυκλωμάτων ηλεκτρικών συσκευών, ιδιαίτερα εκείνων που λειτουργούν με περιοδικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή.
Όταν ένας σιδηρομαγνήτης επαναμαγνητίζεται, συμβαίνει σε αυτόν μη αναστρέψιμη μετατροπή της ενέργειας σε θερμότητα.
Αφήστε το μαγνητικό πεδίο να δημιουργηθεί από την περιέλιξη μέσω της οποίας ρέει το ρεύμα Εγώ. Τότε το έργο της πηγής ισχύος της περιέλιξης, που δαπανάται σε μια στοιχειώδη αλλαγή στη μαγνητική ροή είναι ίσο με
Γραφικά, αυτό το έργο αντιπροσωπεύει την περιοχή της στοιχειώδους λωρίδας του βρόχου υστέρησης (Εικ. 4 α)).
Το συνολικό έργο για την αντιστροφή μαγνήτισης μιας μονάδας όγκου μιας ουσίας προσδιορίζεται ως ολοκλήρωμα πάνω από το περίγραμμα του βρόχου υστέρησης
Το περίγραμμα ολοκλήρωσης μπορεί να χωριστεί σε δύο τμήματα που αντιστοιχούν στην αλλαγή στην επαγωγή από - σι Μπριν σι Μκαι αλλαγή από σι Μπριν - σι Μ. Τα ολοκληρώματα σε αυτές τις περιοχές αντιστοιχούν στις σκιασμένες περιοχές στο Σχ. 4 α) και β). Σε κάθε τμήμα, μέρος του εμβαδού αντιστοιχεί στο αρνητικό έργο και αφού το αφαιρέσουμε από το θετικό μέρος, θα λάβουμε και στις δύο τομές το εμβαδόν που περιορίζεται από την καμπύλη του βρόχου υστέρησης (Εικ. 4 γ)).
Υποδηλώνει την ενέργεια ανά μονάδα όγκου ύλης που δαπανάται για αντιστροφή μαγνήτισης σε έναν πλήρη συμμετρικό κύκλο μέσω W" η =ΕΝΑ"παίρνουμε
Υπάρχει μια εμπειρική εξάρτηση για τον υπολογισμό των ειδικών απωλειών ενέργειας για την αντιστροφή της μαγνήτισης
όπου h είναι ένας συντελεστής ανάλογα με την ουσία. σι Μ- μέγιστη τιμή επαγωγής. n- εκθέτης, ανάλογα με σι Μκαι κοινώς αποδεκτό
n\u003d 1,6 σε 0,1 T< σι Μ < 1,0 Тл и n=2 στο 0<σι Μ < 0,1 Тл или 1,0 Тл <σι Μ < 1,6 Тл.
Το φαινόμενο της υστέρησης και οι απώλειες ενέργειας που συνδέονται με αυτό μπορούν να εξηγηθούν από την υπόθεση των στοιχειωδών μαγνητών. Οι στοιχειώδεις μαγνήτες στην ύλη είναι σωματίδια που έχουν μαγνητική ροπή. Αυτά μπορεί να είναι μαγνητικά πεδία ηλεκτρονίων σε τροχιά, καθώς και μαγνητικές ροπές σπιν τους. Επιπλέον, τα τελευταία παίζουν τον σημαντικότερο ρόλο στα μαγνητικά φαινόμενα.
Σε κανονική θερμοκρασία, η ουσία ενός σιδηρομαγνήτη αποτελείται από περιοχές (τομείς) που μαγνητίζονται αυθόρμητα προς μια ορισμένη κατεύθυνση, στις οποίες οι στοιχειώδεις μαγνήτες βρίσκονται σχεδόν παράλληλα μεταξύ τους και συγκρατούνται σε αυτή τη θέση από μαγνητικές δυνάμεις και δυνάμεις ηλεκτρικών αλληλεπιδράσεων.
Τα μαγνητικά πεδία μεμονωμένων περιοχών δεν ανιχνεύονται στο διάστημα, γιατί μαγνητίζονται όλα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Η ένταση της αυθόρμητης μαγνήτισης περιοχών Jεξαρτάται από τη θερμοκρασία και στο απόλυτο μηδέν ισούται με την ένταση του πλήρους κορεσμού. Η θερμική κίνηση καταστρέφει τη διατεταγμένη δομή και σε μια ορισμένη θερμοκρασία q, χαρακτηριστική μιας δεδομένης ουσίας, η διατεταγμένη διάταξη καταστρέφεται εντελώς. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται Σημείο Κιουρί . Πάνω από το σημείο Κιουρί, η ύλη έχει τις ιδιότητες ενός παραμαγνήτη.
Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου, η κατάσταση της ύλης μπορεί να αλλάξει με δύο τρόπους. Η μαγνήτιση μπορεί να αλλάξει είτε λόγω του επαναπροσανατολισμού των περιοχών είτε λόγω της μετατόπισης των ορίων τους προς την κατεύθυνση της περιοχής με μια μικρότερη συνιστώσα της μαγνήτισης, που συμπίπτει στην κατεύθυνση με το εξωτερικό πεδίο. Η μετατόπιση του ορίου τομέα είναι αναστρέψιμη μόνο μέχρι ένα ορισμένο όριο, μετά το οποίο μέρος ή όλος ο τομέας επαναπροσανατολίζεται μη αναστρέψιμα. Με έναν επαναπροσανατολισμό της περιοχής με γρήγορο άλμα, δημιουργούνται δινορεύματα, προκαλώντας απώλειες ενέργειας κατά την αντιστροφή της μαγνήτισης.
Οι μελέτες δείχνουν ότι ο δεύτερος τρόπος αλλαγής του προσανατολισμού είναι χαρακτηριστικός για το απότομο τμήμα της καμπύλης μαγνήτισης και ο πρώτος - για το τμήμα της περιοχής κορεσμού.
Αφού η ισχύς του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου μειωθεί στο μηδέν, ορισμένες από τις περιοχές διατηρούν τη νέα κατεύθυνση προτιμησιακής μαγνήτισης, η οποία εκδηλώνεται ως παραμένουσα μαγνήτιση.
Διαμαγνήτες και παραμαγνήτες σε μαγνητικό πεδίο
Οι μικροσκοπικές πυκνότητες ρεύματος σε μια μαγνητισμένη ουσία είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και ποικίλλουν πολύ ακόμη και μέσα σε ένα μόνο άτομο. Αλλά σε πολλά πρακτικά προβλήματα μια τέτοια λεπτομερής περιγραφή είναι περιττή και μας ενδιαφέρει τα μέσα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από μεγάλο αριθμό ατόμων.
Όπως έχουμε ήδη πει, οι μαγνήτες μπορούν να χωριστούν σε τρεις κύριες ομάδες: διαμαγνήτες, παραμαγνήτες και σιδηρομαγνήτες.
Διαμαγνητισμός (από τα ελληνικά. διά -ασυμφωνία και μαγνητισμός) - η ιδιότητα των ουσιών να μαγνητίζονται προς το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο.
διαμαγνήτες ονομάζονται ουσίες, των οποίων οι μαγνητικές ροπές των ατόμων απουσία εξωτερικού πεδίου είναι ίσες με μηδέν, γιατί. Οι μαγνητικές ροπές όλων των ηλεκτρονίων ενός ατόμου αντισταθμίζονται αμοιβαία(το δικό του μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από έναν διαμαγνήτη όταν μαγνητίζεται σε ένα εξωτερικό πεδίο, κ.λπ.
ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΟΥΣΙΩΝ
Ο μαγνητισμός είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα της ύλης. Από την αρχαιότητα, είναι γνωστή η ιδιότητα των μόνιμων μαγνητών να προσελκύουν σιδερένια αντικείμενα. Για πολλούς αιώνες, υπήρχε ένας θρύλος μεταξύ των πλοηγών για έναν μαγνητικό βράχο, ο οποίος υποτίθεται ότι είναι ικανός να προσελκύει σιδερένια καρφιά από ένα πλοίο που έπλεε πολύ κοντά του και να τον καταστρέψει. Ευτυχώς, ένα τόσο ισχυρό μαγνητικό πεδίο μπορεί να υπάρχει μόνο κοντά σε αστέρια νετρονίων. Η ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητισμού κατέστησε δυνατή τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητών ισχυρότερων από τις σταθερές που υπάρχουν στη φύση. Γενικά, διάφορα όργανα και συσκευές που βασίζονται στη χρήση ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων είναι τόσο ευρέως διαδεδομένα που τώρα είναι αδύνατο να φανταστεί κανείς τη ζωή χωρίς αυτά.
Ωστόσο, όχι μόνο οι μόνιμοι μαγνήτες αλληλεπιδρούν με ένα μαγνητικό πεδίο, αλλά και όλες οι άλλες ουσίες. Το μαγνητικό πεδίο, αλληλεπιδρώντας με την ύλη, αλλάζει το μέγεθός του σε σύγκριση με το κενό (εδώ και παρακάτω, όλοι οι τύποι γράφονται στο σύστημα SI):
όπου m0 είναι η μαγνητική σταθερά ίση με 4p " 10-7 H/m, m είναι η μαγνητική διαπερατότητα της ουσίας, B είναι η μαγνητική επαγωγή (σε T), H είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου (σε A/m). στις περισσότερες ουσίες, το m είναι πολύ κοντά στη μονάδα, επομένως, στη μαγνητοχημεία, όπου το κύριο αντικείμενο είναι ένα μόριο, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιηθεί η τιμή c, που ορίζεται από την εξίσωση, η οποία ονομάζεται μαγνητική επιδεκτικότητα. c μπορεί να αποδοθεί σε ένα μονάδα όγκου, μάζας ή ποσότητας ουσίας, τότε ονομάζεται, αντίστοιχα, ογκομετρική (αδιάστατη) cv, ειδική cd (σε cm3 / g) ή μοριακή cm (σε cm3 / mol) μαγνητική επιδεκτικότητα. Είναι σαφές ότι, σύμφωνα με τον τύπο (2), το κενό c είναι μηδέν. Οι ουσίες μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: αυτές που εξασθενούν το μαγνητικό πεδίο (c 0), - παραμαγνήτες (Εικ. 1) Μπορεί να φανταστεί κανείς ότι σε ένα ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο, ενεργεί μια δύναμη σε έναν διαμαγνήτη, σπρώχνοντάς τον έξω από το πεδίο, σε έναν παραμαγνήτη, αντίθετα, τραβάει μέσα. Οι μέθοδοι που αναφέρονται παρακάτω για τη μέτρηση των μαγνητικών ιδιοτήτων των ουσιών βασίζονται σε αυτό τηλεόραση. Οι διαμαγνήτες (και αυτή είναι η συντριπτική πλειοψηφία των οργανικών και υψηλομοριακών ενώσεων) και κυρίως οι παραμαγνήτες είναι τα αντικείμενα μελέτης της μαγνητοχημείας.
Ο διαμαγνητισμός είναι η πιο σημαντική ιδιότητα της ύλης, λόγω του γεγονότος ότι υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια σε γεμάτα κελύφη ηλεκτρονίων (τα οποία μπορούν να αναπαρασταθούν ως μικροί αγωγοί) αρχίζουν να προχωρούν και, όπως γνωρίζετε, οποιαδήποτε κίνηση ενός Το ηλεκτρικό φορτίο προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο, σύμφωνα με τον κανόνα Lenz, θα κατευθύνεται έτσι ώστε να μειώνει την πρόσκρουση από το εξωτερικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρονική μετάπτωση μπορεί να θεωρηθεί ως κυκλικά ρεύματα. Ο διαμαγνητισμός είναι χαρακτηριστικός όλων των ουσιών, εκτός από το ατομικό υδρογόνο, επειδή όλες οι ουσίες έχουν ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια και γεμάτα κελύφη ηλεκτρονίων.
Ο παραμαγνητισμός προκαλείται από ασύζευκτα ηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται έτσι επειδή η δική τους μαγνητική ροπή (σπιν) δεν εξισορροπείται από τίποτα (αντίστοιχα, τα σπιν των ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και αντισταθμίζουν το ένα το άλλο). Σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι περιστροφές τείνουν να ευθυγραμμίζονται προς την κατεύθυνση του πεδίου, ενισχύοντάς το, αν και αυτή η σειρά διαταράσσεται από τη χαοτική θερμική κίνηση. Επομένως, είναι σαφές ότι η παραμαγνητική επιδεκτικότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία - όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή των cm. Στην απλούστερη περίπτωση, αυτό εκφράζεται με μια σχέση που ονομάζεται νόμος Curie: όπου C είναι η σταθερά Curie, ή ο νόμος Curie-Weiss, όπου q είναι η διόρθωση Weiss. Αυτός ο τύπος μαγνητικής επιδεκτικότητας ονομάζεται επίσης προσανατολιστικός παραμαγνητισμός, καθώς η αιτία του είναι ο προσανατολισμός των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Οι μαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο μπορούν να περιγραφούν με δύο τρόπους. Στην πρώτη μέθοδο, θεωρείται ότι η ίδια (σπιν) μαγνητική ροπή του ηλεκτρονίου δεν επηρεάζει την τροχιακή ροπή (λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα) ή το αντίστροφο. Πιο συγκεκριμένα, μια τέτοια αμοιβαία επιρροή υπάρχει πάντα (αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς), αλλά για τα ιόντα 3d είναι μικρή και οι μαγνητικές ιδιότητες μπορούν να περιγραφούν με επαρκή ακρίβεια από δύο κβαντικούς αριθμούς L (τροχιακό) και S (σπιν). Για βαρύτερα άτομα, μια τέτοια προσέγγιση γίνεται απαράδεκτη και εισάγεται ένας ακόμη κβαντικός αριθμός της συνολικής μαγνητικής ροπής J, ο οποίος μπορεί να πάρει τιμές από | L+S | πριν | L-S | . Ο Van Vleck εξέτασε τις ενεργειακές συνεισφορές των τροχιακών ανάλογα με την επίδραση του μαγνητικού πεδίου (σύμφωνα με τη θεωρία της κβαντομηχανικής διαταραχής, μπορούν να επεκταθούν σε μια σειρά και να συνοψιστούν): όπου H είναι η ισχύς του μαγνητικού πεδίου και, κατά συνέπεια, E ( 0) είναι η συνεισφορά ανεξάρτητη από το εξωτερικό πεδίο, E (1) είναι η συνεισφορά ευθέως ανάλογη με το πεδίο, και ούτω καθεξής. Αποδείχθηκε ότι η ενέργεια μηδενικής τάξης καθορίζεται από την αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς, η οποία είναι σημαντική στην περιγραφή των χημικών δεσμών:
όπου l είναι η σταθερά αλληλεπίδρασης σπιν-τροχιάς. Η ενέργεια πρώτης τάξης (της αλληλεπίδρασης της μαγνητικής ροπής ενός μη ζευγαρωμένου ηλεκτρονίου (m = gbS) με το μαγνητικό πεδίο H) είναι ίση με
όπου g είναι ο παράγοντας Lande, συνήθως ίσος με δύο για τις περισσότερες ενώσεις, b είναι το μαγνητόνιο Bohr, ίσο με 9,27" 10-19 erg / Oe (υπενθυμίζουμε ότι η ενέργεια των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων είναι το κλιμακωτό γινόμενο των διανυσμάτων των μαγνητικών ροπών m και Η). Ε ( 2) - η ενεργειακή συνεισφορά, η οποία θα πρέπει να θεωρείται δεδομένη, καθώς εξαρτάται από τα λεπτά χαρακτηριστικά της ηλεκτρονικής δομής και είναι δύσκολο να εξηγηθεί από την άποψη της κλασικής φυσικής. Θα πρέπει να πληρώσετε προσοχή στη μικρότητα της ενέργειας μαγνητικής αλληλεπίδρασης (για θερμοκρασίες δωματίου και μαγνητικά πεδία, κοινά στα εργαστήρια, η ενέργεια των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων είναι τρεις έως τέσσερις τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων).
Μετά από μαθηματικούς μετασχηματισμούς, η έκφραση για τη μακροσκοπική μαγνητική επιδεκτικότητα, λαμβάνοντας υπόψη την κατανομή Boltzmann του συνόλου των μαγνητικών ροπών σε ενεργειακά επίπεδα, παίρνει τη μορφή (η παράγωγή της παρουσιάζεται, για παράδειγμα, στο )
Αυτή είναι η εξίσωση Van Vleck - η κύρια στη μαγνητοχημεία, η οποία συσχετίζει τις μαγνητικές ιδιότητες με τη δομή των μορίων. Εδώ το NA είναι ο αριθμός του Avogadro, το k είναι η σταθερά του Boltzmann. Έχουμε ήδη συναντήσει κάποιες ακραίες περιπτώσεις του παραπάνω. Αν = 0, και μπορεί να αγνοηθεί, τότε λαμβάνουμε ως αποτέλεσμα τον νόμο Κιουρί (βλ. εξίσωση (3)), αλλά σε πιο αυστηρή μορφή.
Μπορεί να φανεί ότι ο νόμος Κιουρί αντανακλά τον λεγόμενο καθαρό μαγνητισμό σπιν, ο οποίος είναι χαρακτηριστικός των περισσότερων παραμαγνητικών ενώσεων, όπως τα άλατα του χαλκού, του σιδήρου, του νικελίου και άλλων μετάλλων μετάπτωσης. Αν = 0 και @ kT, τότε η εξίσωση Van Vleck είναι πολύ απλοποιημένη: όπου Na είναι ο ανεξάρτητος από τη θερμοκρασία παραμαγνητισμός (Van Vleck). Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, ο παραμαγνητισμός του Van Vleck είναι ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο και είναι ανεξήγητο από τη σκοπιά της κλασικής φυσικής. Μπορεί να αναπαρασταθεί ως ένα μείγμα διεγερμένων ενεργειακών επιπέδων στη βασική κατάσταση του μορίου.
Δεν είναι λίγες οι ουσίες που όταν χαμηλώνει η θερμοκρασία συμπεριφέρονται πρώτα σαν παραμαγνήτες και μετά, όταν επιτευχθεί μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, οι μαγνητικές τους ιδιότητες αλλάζουν δραματικά. Το πιο διάσημο παράδειγμα είναι οι σιδηρομαγνήτες και η ουσία από την οποία πήραν το όνομά τους, ο σίδηρος, του οποίου οι ατομικές μαγνητικές ροπές κάτω από τη θερμοκρασία Curie (στην περίπτωση αυτή ίση με TC = 770 ° C) ευθυγραμμίζονται προς την ίδια κατεύθυνση, προκαλώντας αυθόρμητη μαγνήτιση. Ωστόσο, η μακροσκοπική μαγνήτιση δεν συμβαίνει απουσία πεδίου, καθώς το δείγμα χωρίζεται αυθόρμητα σε περιοχές μεγέθους περίπου 1 μm, που ονομάζονται περιοχές, εντός των οποίων οι στοιχειώδεις μαγνητικές ροπές κατευθύνονται με τον ίδιο τρόπο, αλλά οι μαγνητισμοί διαφορετικών περιοχών προσανατολίζονται τυχαία και, κατά μέσο όρο, αντισταθμίζουν το ένα το άλλο. Οι δυνάμεις που προκαλούν μια σιδηρομαγνητική μετάβαση μπορούν να εξηγηθούν μόνο χρησιμοποιώντας τους νόμους της κβαντικής μηχανικής.
Οι αντισιδηρομαγνήτες χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι οι μαγνητικές ροπές σπιν στη θερμοκρασία αντισιδηρομαγνητικής μετάπτωσης (Θερμοκρασία Néel TN) ταξινομούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται. Η μέγιστη τιμή της μαγνητικής επιδεκτικότητας επιτυγχάνεται στο TN, πάνω από το οποίο το c μειώνεται σύμφωνα με το νόμο Curie-Weiss, κάτω - λόγω των λεγόμενων αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής. Οι αντισιδηρομαγνήτες είναι, για παράδειγμα, το MnO και το KNiF3.
Εάν η αντιστάθμιση των μαγνητικών ροπών είναι ατελής, τότε τέτοιες ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνήτες, για παράδειγμα Fe2O3 και FeCr2O4. Οι τρεις τελευταίες κατηγορίες ενώσεων (Πίνακας 1) είναι στερεές και μελετώνται κυρίως από φυσικούς. Τις τελευταίες δεκαετίες, φυσικοί και χημικοί έχουν δημιουργήσει νέα μαγνητικά υλικά, περισσότερες λεπτομέρειες για τις ιδιότητες των οποίων μπορείτε να βρείτε στο.
Σε ένα μόριο που περιέχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, τα υπόλοιπα (ζευγοποιημένα) ηλεκτρόνια αποδυναμώνουν το μαγνητικό πεδίο, αλλά η συμβολή καθενός από αυτά είναι δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερη. Ωστόσο, εάν θέλουμε να μετρήσουμε με μεγάλη ακρίβεια τις μαγνητικές ιδιότητες των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, τότε πρέπει να εισαγάγουμε τις λεγόμενες διαμαγνητικές διορθώσεις, ειδικά για μεγάλα οργανικά μόρια, όπου μπορούν να φτάσουν σε δεκάδες τοις εκατό. Οι διαμαγνητικές ευαισθησίες των ατόμων σε ένα μόριο προστίθενται μεταξύ τους σύμφωνα με τον κανόνα της προσθετικότητας Pascal-Langevin. Για να γίνει αυτό, οι διαμαγνητικές ευαισθησίες των ατόμων κάθε τύπου πολλαπλασιάζονται με τον αριθμό τέτοιων ατόμων στο μόριο και στη συνέχεια εισάγονται ιδιοσυστατικές διορθώσεις για δομικά χαρακτηριστικά (διπλοί και τριπλοί δεσμοί, αρωματικοί δακτύλιοι κ.λπ.). Ας στραφούμε στην εξέταση του τρόπου με τον οποίο μελετώνται πειραματικά οι μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών.
ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΤΗΣ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΕΠΙΘΕΤΟΤΗΤΑΣ
Οι κύριες πειραματικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της μαγνητικής επιδεκτικότητας δημιουργήθηκαν τον περασμένο αιώνα. Σύμφωνα με τη μέθοδο Gouy (Εικ. 2, α), η μεταβολή του βάρους του δείγματος σε ένα μαγνητικό πεδίο μετριέται σε σύγκριση με την απουσία του, η οποία είναι ίση με όπου Dmg = F είναι η δύναμη που ασκεί η ουσία στην κλίση του μαγνητικού πεδίου , c είναι η μετρούμενη μαγνητική επιδεκτικότητα της ουσίας, c0 - μαγνητική επιδεκτικότητα του μέσου (αέρας), S είναι η περιοχή διατομής του δείγματος, Hmax και Hmin είναι οι μέγιστες και ελάχιστες εντάσεις του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.
Σύμφωνα με τη μέθοδο Faraday (Εικ. 2, β), μετράται η δύναμη που ασκεί το δείγμα σε ένα ανομοιογενές μαγνητικό πεδίο:
Το δείγμα επιλέγεται μικρό έτσι ώστε τα H0dH / dz να παραμένουν σταθερά μέσα σε αυτό και η μέγιστη τιμή της παραμέτρου επιτυγχάνεται επιλέγοντας ένα ειδικό προφίλ των άκρων του μαγνήτη. Η κύρια διαφορά μεταξύ της μεθόδου Gouy και της μεθόδου Faraday είναι ότι στην πρώτη περίπτωση, η ανομοιογένεια διατηρείται κατά μήκος του (εκτεταμένου) δείγματος και στη δεύτερη, κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου.
Η μέθοδος Quincke (Εικ. 2, γ) χρησιμοποιείται μόνο για υγρά και διαλύματα. Μετρά τη μεταβολή του ύψους μιας στήλης υγρού σε ένα τριχοειδές υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου.
Σε αυτή την περίπτωση, για τα διαμαγνητικά υγρά, το ύψος της στήλης μειώνεται, για τα παραμαγνητικά υγρά αυξάνεται.
Η μέθοδος ιξωδόμετρου μετρά το χρόνο ροής του ρευστού μέσα από μια μικρή οπή με το μαγνητικό πεδίο ενεργοποιημένο (tH) και απενεργοποιημένο (t0). Ο χρόνος εκροής των παραμαγνητικών υγρών σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι αισθητά μικρότερος από ό,τι απουσία πεδίου και αντίστροφα για τα διαμαγνητικά υγρά. Η διαφορά μεταξύ των δύο χρόνων ροής καθορίζεται από τη μαγνητική επιδεκτικότητα και η τιμή της σταθεράς βαθμονόμησης k προσδιορίζεται με τη μέτρηση ενός υγρού με γνωστή μαγνητική επιδεκτικότητα. Η μαζική μαγνητική ευαισθησία ορισμένων κοινών διαλυτών δίνονται παρακάτω.
Η μαγνητική ευαισθησία μπορεί επίσης να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο NMR. Μπορείτε να διαβάσετε για τα φυσικά θεμέλια της μεθόδου NMR στο. Περιοριζόμαστε σε αυτό που σημειώνουμε: η τιμή της χημικής μετατόπισης του σήματος NMR στη γενική περίπτωση καθορίζεται όχι μόνο από τη σταθερά διαλογής, η οποία είναι ένα μέτρο της πυκνότητας ηλεκτρονίων στον υπό μελέτη πυρήνα, αλλά και από τη μαγνητική ευαισθησία του δείγματος. Για ένα δείγμα με τη μορφή ορθογώνιου παραλληλεπίπεδου, η χημική μετατόπιση καθορίζεται επίσης από τον προσανατολισμό του δείγματος σε μαγνητικό πεδίο, όπου οι σταθερές βαθμονόμησης Α και Β προσδιορίζονται με τη μέτρηση δύο υγρών με γνωστή μαγνητική επιδεκτικότητα (συνήθως νερό και ακετόνη). Αυτή η μέθοδος αναπτύχθηκε στο Τμήμα Ανόργανης Χημείας του Πανεπιστημίου του Καζάν και είναι η μόνη που επιτρέπει στο όργανο να βαθμονομείται σύμφωνα με διαμαγνητικά πρότυπα και στη συνέχεια να γίνονται μετρήσεις και με παραμαγνητικά δείγματα. Η μαγνητική ευαισθησία πολλών ουσιών έχει μετρηθεί με αυτόν τον τρόπο. Τι επέτρεψαν να μάθουν για τη δομή τους;
Η λαμβανόμενη τιμή της μαγνητικής επιδεκτικότητας για τους παραμαγνήτες προσδιορίζεται από τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων (συγκρίνετε με το (9) για ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο)
Με αυτόν τον τρόπο, μπορεί να προσδιοριστεί ο κβαντικός αριθμός spin S, και επομένως ο αριθμός των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων. Πρέπει να σημειωθεί ότι στις πραγματικές ενώσεις ο παράγοντας g μεταβάλλεται κάπως από την τιμή "καθαρά σπιν", η οποία, όπως σημειώθηκε παραπάνω, ισούται με δύο.
Οι τιμές cm των παραμαγνητικών ουσιών είναι μικρές και δεν είναι πολύ βολικές για την εξήγηση της δομής των ενώσεων. Επομένως, η παραμαγνητική επιδεκτικότητα χαρακτηρίζεται συχνότερα από την αποτελεσματική μαγνητική ροπή meff, η οποία καθορίζεται από την εξίσωση.
Στη συνέχεια, σε θερμοκρασία 298 K, η τιμή "καθαρά spin" για ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο είναι ms = 1,73 μαγνητόνια Bohr (mB), για δύο - 3,46 mB, κ.ο.κ. (Πίνακας 2). Η συμβολή άλλων παραγόντων, κυρίως της αλληλεπίδρασης σπιν-τροχιάς, αντανακλάται στην τιμή του παράγοντα g και οδηγεί στο γεγονός ότι το meff διαφέρει από το ms.
Η γνώση του αριθμού των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων βοηθά στην κατανόηση ορισμένων από τα χαρακτηριστικά της τοποθέτησης στοιχείων στον Περιοδικό Πίνακα του Δ.Ι. Μεντελέεφ. Έτσι, τα κελύφη ηλεκτρονίων, γεμάτα πλήρως ή ακριβώς τα μισά, έχουν αυξημένη σταθερότητα. Με την αύξηση της σχετικής ατομικής μάζας, το συναντάμε πρώτα με το χρώμιο. Συγκρίνετε τις ηλεκτρονικές διαμορφώσεις στη βασική κατάσταση: Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, το επόμενο χρώμιο δεν είναι 3d 44s 2, αλλά 3d 54s 1, το πιο σταθερό μισογεμάτο κέλυφος είναι υπογραμμισμένο:
Και αυτό διαπιστώθηκε ακριβώς με τη μέτρηση της μαγνητικής επιδεκτικότητας, όταν διαπιστώθηκε ότι το άτομο του χρωμίου περιέχει έξι ασύζευκτα ηλεκτρόνια και όχι τέσσερα. Είναι αλήθεια ότι για αυτό ήταν απαραίτητο να πραγματοποιηθούν μάλλον λεπτές μετρήσεις σε μεμονωμένα άτομα στην αέρια φάση, καθώς οι μαγνητικές ιδιότητες των αγωγών δεν σχετίζονται με τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων (επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους στα μέταλλα δεν συνδέονται με ορισμένα άτομα, αλλά κινούνται τυχαία σε όλο τον κρύσταλλο), αλλά καθορίζονται κβαντικοί νόμοι (ο λεγόμενος διαμαγνητισμός Fermi και παραμαγνητισμός Landau). Ταυτόχρονα, για παράδειγμα, η σειρά με την οποία γεμίζονται τα τροχιακά 5d και 4f στη σειρά λανθανιδών δεν αλλάζει τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων· επομένως, οι σωστές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις καθορίστηκαν μόνο στη δεκαετία του 1960 με κβαντομηχανικούς υπολογισμούς (το Οι διαμορφώσεις 5d1 και 4f δεν μπορούν να διακριθούν από τις μαγνητικές μετρήσεις). 1). Ωστόσο, οι μαγνητοχημικές μελέτες καθιστούν δυνατό τον καθορισμό της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης, όπως πιθανότατα έχει ήδη παρατηρήσει ο προσεκτικός αναγνώστης, των ενώσεων μετάλλων μετάπτωσης, που αποτελούν τη βάση της χημείας των ενώσεων συντονισμού (σύνθετων).
Οι ενώσεις συντονισμού σχηματίζονται, κατά κανόνα, λόγω ενός δεσμού δότη-δέκτη, δηλαδή μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων συνδέτη καταλαμβάνουν κενές θέσεις στα τροχιακά του κεντρικού ατόμου. Σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων και η μαγνητική ροπή των ιόντων συμπλοκοποίησης παραμένουν τα ίδια όπως για ένα ελεύθερο ιόν στην αέρια φάση. Αυτό ισχύει για υδάτινα σύμπλοκα μετάλλων μετάπτωσης, για παράδειγμα, σίδηρο(II) (Εικ. 3). Ωστόσο, υπάρχουν επίσης μαγνητικά ανώμαλα σύμπλοκα των οποίων η μαγνητική ροπή είναι μικρότερη από αυτή ενός αερίου ιόντος. Η ηλεκτρονική τους δομή μπορεί να εξηγηθεί στο πλαίσιο της μεθόδου του δεσμού σθένους ως εξής. Πολλές πολύπλοκες ενώσεις έχουν αριθμό συντονισμού έξι. Έξι συνδέτες βρίσκονται συμμετρικά στις κορυφές του οκταέδρου. Για να ληφθούν έξι υβριδικά τροχιακά, έξι τροχιακά σθένους του κεντρικού ατόμου πρέπει να συμμετέχουν στο σχηματισμό τους: αυτή η ανακατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων ονομάζεται υβριδισμός sp3d 2 (συγκρίνετε με τον υβριδισμό sp3 του ατόμου άνθρακα στα αλκάνια, όπου τέσσερις δεσμοί κατευθύνονται σε οι κορυφές του τετραέδρου). Σημειώστε ότι τα d-τροχιακά με τον ίδιο σειριακό αριθμό με τα s, τα τροχιακά p συμμετέχουν στον σχηματισμό υβριδικών τροχιακών. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τα εσωτερικά d-τροχιακά που βρίσκονται χαμηλότερα σε ενέργεια καταλαμβάνονται από τα εγγενή ηλεκτρόνια του μεταλλικού ιόντος. Προκειμένου να καταλάβουν τα τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας, οι συνδέτες πρέπει να αναγκάσουν τα ηλεκτρόνια του μεταλλικού ιόντος να ζευγαρώσουν και να απελευθερώσουν τα εσωτερικά d-τροχιακά για τον λεγόμενο υβριδισμό d 2sp 3. Αυτό μπορεί να γίνει μόνο με ισχυρούς συνδέτες πεδίου που σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς με το μεταλλικό ιόν, για παράδειγμα, ιόντα κυανιδίου σε σύμπλοκο εξακυανοφερρικό (II) (βλ. Εικ. 3).
Αντίστοιχα, ο πρώτος τύπος συμπλεγμάτων, που έχει υψηλή μαγνητική ροπή, ονομάζεται σύμπλοκο εξωτερικού τροχιακού και ο δεύτερος τύπος, με μειωμένη μαγνητική ροπή, ονομάζεται ενδοτροχιακό σύμπλεγμα. Αυτή η διαφορά, η οποία οδηγεί σε αλλαγή στον αριθμό των ασύζευκτων ηλεκτρονίων στο σύμπλοκο, οδηγεί σε αλλαγή στις μαγνητικές ροπές των συμπλεγμάτων εξωτερικής και εσωτερικής τροχιάς, αντίστοιχα, και προκαλείται από την ενεργειακή ανισότητα του αντίστοιχου d- τροχιακά (συνήθως ονομάζεται ενέργεια διάσπασης στο πεδίο του συνδέτη και συμβολίζεται με D ή 10Dq).
Σύμφωνα με την ικανότητα σχηματισμού ενδοκογχικών συμπλεγμάτων (από την άποψη της τιμής D), όλοι οι συνδέτες μπορούν να διαταχθούν σε μια σειρά, η οποία ονομάζεται φασματοχημική σειρά προσδεμάτων:
CN->NO2->SO32->NH3>NCS->H3O>
>OH->F->Cl->Br->I-
Πήρε το όνομά του επειδή το χρώμα του συμπλόκου εξαρτάται από τη θέση του συνδέτη σε αυτή τη σειρά, και αυτό δείχνει τη σχέση μεταξύ των οπτικών και μαγνητικών ιδιοτήτων των ενώσεων συντονισμού.
Έτσι, μετρώντας τη μαγνητική επιδεκτικότητα, μπορεί κανείς εύκολα να κρίνει τον βαθμό οξείδωσης και τη γεωμετρία της πρώτης σφαίρας συντονισμού στο σύμπλεγμα. Τα δεδομένα σχετικά με τη μαγνητική επιδεκτικότητα ενός αριθμού ιόντων μετάλλων μετάπτωσης και λανθανιδών δίνονται στον Πίνακα. 2. Μπορεί να φανεί ότι οι μαγνητικές ιδιότητες των ιόντων 3d στις περισσότερες περιπτώσεις συμφωνούν με καθαρά τιμές spin ms, και για να εξηγηθούν οι μαγνητικές ιδιότητες των λανθανιδών, απαιτείται ένα πιο περίπλοκο μοντέλο με τη χρήση του κβαντικού αριθμού J που αναφέρθηκε παραπάνω.
Είναι γνωστό ότι οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις που είναι σημαντικές στην πράξη συμβαίνουν σε διαλύματα και σε αυτές ανήκουν και οι αντιδράσεις σχηματισμού πολύπλοκων· επομένως, στην επόμενη ενότητα, θα εξετάσουμε τις μαγνητικές ιδιότητες των διαλυμάτων στα οποία οι ενώσεις μετάλλων μεταπτώσεως πραγματοποιούνται με τη μορφή των συμπλεγμάτων.
ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΕΥΠΙΣΤΑΤΟΤΗΤΑ ΤΩΝ ΔΙΑΛΥΜΑΤΩΝ
Κατά τη μετάβαση από ένα στερεό σε ένα διάλυμα, θα πρέπει να ληφθούν υπόψη οι μαγνητικές επιδεκτικότητες του διαλύτη και όλων των διαλυμένων ουσιών. Σε αυτήν την περίπτωση, ο απλούστερος τρόπος για να ληφθεί αυτό υπόψη θα είναι η άθροιση των συνεισφορών όλων των συστατικών του διαλύματος σύμφωνα με τον κανόνα της προσθετικότητας. Η αρχή της προσθετικότητας είναι μια από τις θεμελιώδεις αρχές στην επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων. Κατά καιρούς, αποτυγχάνει ακόμη και οι πειραματιστές, γιατί είναι δύσκολο για το ανθρώπινο μυαλό να φανταστεί κάποιον άλλο μηχανισμό για την αλληλεπίδραση διαφόρων παραγόντων, εκτός από την απλή πρόσθεσή τους. Οποιεσδήποτε αποκλίσεις από αυτό συνδέονται συχνότερα με το γεγονός ότι εκπληρώνεται η ίδια η αρχή της προσθετικότητας και τα συστατικά του διαλύματος αλλάζουν τις ιδιότητές τους. Ως εκ τούτου, θεωρείται ότι η μαγνητική επιδεκτικότητα του διαλύματος είναι ίση με το άθροισμα των μαγνητικής επιδεκτικότητας των επιμέρους συστατικών, λαμβάνοντας υπόψη τη συγκέντρωση όπου ci είναι η συγκέντρωση (σε mol/l), cmi είναι η μοριακή μαγνητική επιδεκτικότητα του το i-ο συστατικό του διαλύματος, ο συντελεστής 1/1000 χρησιμοποιείται για τη μετατροπή σε μοριακή συγκέντρωση. Στην περίπτωση αυτή, η άθροιση πραγματοποιείται σε όλες τις διαλυμένες ουσίες και τον διαλύτη. Μπορεί να φανεί ότι οι συνεισφορές παραμαγνητικών και διαμαγνητικών ουσιών στη μετρούμενη μαγνητική επιδεκτικότητα είναι αντίθετες σε πρόσημο και μπορούν να διαχωριστούν
cv(meas) = cv(ζεύγος) - cv(dia).
Κατά τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων της ίδιας ουσίας σε διαφορετικούς διαλύτες (Πίνακας 3), μπορεί να φανεί ότι μπορούν να εξαρτηθούν σημαντικά από τη φύση του διαλύτη. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την είσοδο μορίων διαλύτη στην πρώτη σφαίρα συντονισμού και την αντίστοιχη αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή του συμπλόκου, τις ενέργειες των d-τροχιακών (D) και άλλες ιδιότητες του συμπλόκου διαλυτώματος. Έτσι, η μαγνητοχημεία καθιστά επίσης δυνατή τη μελέτη της διαλυτότητας, δηλαδή της αλληλεπίδρασης μιας διαλυμένης ουσίας με έναν διαλύτη.
Στα διαλύματα, ο προσδιορισμός των cm και meff των ενώσεων συντονισμού καθιστά δυνατό, όπως φαίνεται από το παραπάνω θεωρητικό υλικό, τον προσδιορισμό μιας σειράς δομικών παραμέτρων (l, S, D), γεγονός που καθιστά πολύτιμες τις μαγνητοχημικές μελέτες. Διαφορετικά σύμπλοκα του ίδιου μεταλλικού ιόντος μπορεί να διαφέρουν αισθητά ως προς το μέγεθος της ενεργού μαγνητικής ροπής. Χρησιμοποιώντας το χαλκό(II) ως παράδειγμα, μπορεί να φανεί ότι η αποτελεσματική μαγνητική ροπή αυξάνεται κατά τον σχηματισμό συμπλόκου και όταν σχηματίζεται ένα διμερές σύμπλοκο, μειώνεται λόγω της αντισιδηρομαγνητικής αλληλεπίδρασης μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων ιόντων χαλκού(II). Οι μαγνητικές ιδιότητες των σύνθετων ενώσεων χαλκού(II) δίνονται παρακάτω. (Κατά τη σύνταξη των τύπων, χρησιμοποιούνται οι συντομογραφίες για τους υποκαταστάτες που χρησιμοποιούνται στη χημεία συντονισμού: acac - ακετυλακετόνη CH3COCH3COCH3, H4Tart - τρυγικό οξύ HOOC(CHOH)2COOH.)
Λίγα λόγια για το «μαγνητικό» νερό, πιο συγκεκριμένα για τα υδατικά διαλύματα (γιατί ακόμα και το απεσταγμένο νερό περιέχει ακαθαρσίες, όπως διαλυμένο οξυγόνο, και είναι παραμαγνητικό). Αυτό το θέμα, φυσικά, απαιτεί ξεχωριστή εξέταση· θα το αγγίξουμε μόνο σε σχέση με τη μαγνητοχημεία. Εάν το μαγνητικό πεδίο επηρεάζει τις ιδιότητες του διαλύματος και πολλά πειραματικά γεγονότα (μετρήσεις πυκνότητας, ιξώδους, ηλεκτρικής αγωγιμότητας, συγκέντρωση πρωτονίων, μαγνητική επιδεκτικότητα) δείχνουν ότι αυτό συμβαίνει, τότε θα πρέπει να αναγνωριστεί ότι η ενέργεια αλληλεπίδρασης των επιμέρους συστατικών του διαλύματος και ενός συνόλου μορίων νερού είναι αρκετά υψηλό, τότε είναι συγκρίσιμο ή υπερβαίνει την ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων στο διάλυμα, η οποία υπολογίζει τον μέσο όρο κάθε επίδρασης στο διάλυμα. Θυμηθείτε ότι η ενέργεια της μαγνητικής αλληλεπίδρασης ενός σωματιδίου (μορίου) είναι μικρή σε σύγκριση με την ενέργεια της θερμικής κίνησης. Μια τέτοια αλληλεπίδραση είναι δυνατή εάν δεχθούμε ότι σε νερό και υδατικά διαλύματα, λόγω της συνεργατικής φύσης των δεσμών υδρογόνου, πραγματοποιούνται μεγάλα δομικά σύνολα μορίων νερού που μοιάζουν με πάγο, τα οποία μπορούν να ενισχυθούν ή να καταστραφούν υπό την επίδραση διαλυμένων ουσιών. Η ενέργεια σχηματισμού τέτοιων "συνόλων" είναι προφανώς συγκρίσιμη με την ενέργεια της θερμικής κίνησης και υπό μαγνητική επίδραση, η λύση μπορεί να τη θυμηθεί και να αποκτήσει νέες ιδιότητες, αλλά η κίνηση Brown ή η αύξηση της θερμοκρασίας εξαλείφει αυτή τη "μνήμη" για κάποιο χρονικό διάστημα. .
Σημειώστε ότι ρυθμίζοντας με ακρίβεια τις συγκεντρώσεις των παραμαγνητικών ουσιών σε ένα διαμαγνητικό διαλύτη, είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένα μη μαγνητικό υγρό, δηλαδή ένα στο οποίο η μέση μαγνητική επιδεκτικότητα είναι μηδέν ή στο οποίο τα μαγνητικά πεδία διαδίδονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο. στο κενό. Αυτή η ενδιαφέρουσα ιδιότητα δεν έχει βρει ακόμη εφαρμογή στην τεχνολογία.
3.5 Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης
3.5.1 Μαγνητικά. Μαγνητικές ιδιότητες ουσιών
Στο προηγούμενο κεφάλαιο, θεωρήθηκε ότι τα καλώδια που μεταφέρουν ρεύματα που δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο βρίσκονται στο κενό. Εάν τα καλώδια μεταφοράς ρεύματος βρίσκονται σε οποιοδήποτε περιβάλλον, το μαγνητικό πεδίο αλλάζει. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οποιαδήποτε ουσία είναι μαγνήτης, δηλαδή είναι ικανή να αποκτήσει μαγνητική ροπή (να μαγνητιστεί) υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Μια μαγνητισμένη ουσία δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο ΣΕ " , το οποίο υπερτίθεται στο πεδίο που προκαλείται από το ρεύμα ΣΕ 0 . Και τα δύο πεδία αθροίζονται στο πεδίο που προκύπτει
|
ΣΕ = ΣΕ 0 + ΣΕ " |
Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Ampère, ο οποίος διαπίστωσε ότι η προσθήκη ενός πυρήνα σιδήρου σε μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα ισοδυναμεί με αύξηση του αριθμού των στροφών του αμπέρ αυτού του σωληνοειδούς. Στη συνέχεια, διαπιστώθηκε ότι η επαγωγή ΣΕ το μαγνητικό πεδίο σε μια ουσία μπορεί να είναι και μεγαλύτερο και μικρότερο από την επαγωγή σι 0 το ίδιο πεδίο στο κενό. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε ουσία, σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό, έχει τις δικές της μαγνητικές ιδιότητες. ΣΕ ".
Οι ουσίες που μπορούν να αλλάξουν τις παραμέτρους ενός μαγνητικού πεδίου ονομάζονται μαγνήτες. Για να χαρακτηριστούν οι μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών, η ποσότητα μ = σι/ σι 0 , που ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητααυτή την ουσία. Σύμφωνα με την τιμή της μαγνητικής διαπερατότητας, όλοι οι μαγνήτες χωρίζονται σε τρεις ομάδες.
α) Εφόσον το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο στον διαμαγνήτη κατευθύνεται ενάντια στο εξωτερικό πεδίο, ο συντελεστής επαγωγής του προκύπτοντος πεδίου στον διαμαγνήτη είναι μικρότερος από το μέτρο επαγωγής πεδίου στο κενό, δηλ. ΣΕ<ΣΕ 0 . Να γιατί ουσίες που έχουν μ<. μεγάλο, που ονομάζεται διαμαγνήτες. Αυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, τα στοιχεία Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, αδρανή αέρια και άλλες ουσίες. Μαγνητική διαπερατότητα μ Το diamagnet είναι ανεξάρτητο από την επαγωγή ΣΕ 0 εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
β) Οι παραμαγνητικές ουσίες αποτελούνται από άτομα στα οποία δεν αντισταθμίζονται οι τροχιακές μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων. Επομένως, τα άτομα ενός διαμαγνήτη έχουν μη μηδενικές μαγνητικές ροπές. Ωστόσο, ελλείψει εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, η θερμική κίνηση των ατόμων οδηγεί σε μια χαοτική διάταξη των μαγνητικών ροπών τους, με αποτέλεσμα οποιοσδήποτε όγκος ενός παραμαγνήτη στο σύνολό του να μην έχει μαγνητική ροπή.
Όταν ένας παραμαγνήτης εισάγεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα άτομα του σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό (ανάλογα με την επαγωγή αυτού του πεδίου) είναι διατεταγμένα έτσι ώστε οι μαγνητικές ροπές τους να προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα εσωτερικό μαγνητικό πεδίο στον παραμαγνήτη, η επαγωγή του οποίου B συμπίπτει κατά κατεύθυνση με την επαγωγή Bn του εξωτερικού πεδίου. Άρα το μέτρο επαγωγής ΣΕτο μαγνητικό πεδίο που προκύπτει στον παραμαγνήτη είναι μεγαλύτερο από το μέτρο επαγωγής ΣΕ 0 πεδία στο κενό, δηλ. Β>Β 0 . Να γιατί παραμαγνήτεςονομάζονται ουσίες στις οποίες μ>1. Αυτά περιλαμβάνουν, ειδικότερα, Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, οξυγόνο και πολλά άλλα στοιχεία, καθώς και διαλύματα ορισμένων αλάτων. Μαγνητική διαπερατότητα μ οι παραμαγνήτες, όπως και οι διαμαγνήτες, δεν εξαρτώνται από την επαγωγή ΣΕ 0 εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.
Πρέπει να σημειωθεί ότι η τιμή μ για τους δια- και τους παραμαγνήτες, διαφέρει από τη μονάδα πολύ λίγο, μόνο κατά μια τιμή της τάξης των 10 -5 - 10 -6, επομένως, οι δια- και οι παραμαγνήτες ταξινομούνται ως ασθενώς μαγνητικές ουσίες.
γ) Σε αντίθεση με τους δια- και τους παραμαγνήτες, στους οποίους οι μαγνητικές ιδιότητες καθορίζονται από τις τροχιακές μαγνητικές ροπές των ατομικών ηλεκτρονίων, οι μαγνητικές ιδιότητες των σιδηρομαγνητών οφείλονται στις μαγνητικές ροπές σπιν των ηλεκτρονίων. Οι σιδηρομαγνητικές ουσίες (που έχουν πάντα κρυσταλλική δομή) αποτελούνται από άτομα στα οποία δεν έχουν όλα τα ηλεκτρόνια αμοιβαία ακυρωμένες μαγνητικές ροπές σπιν.
Σε έναν σιδηρομαγνήτη, υπάρχουν περιοχές αυθόρμητων (αυθόρμητος ) μαγνητίσεις, που ονομάζονται τομείς. (Το μέγεθος των περιοχών είναι περίπου 10 -4 - 10 -7 m.) Σε κάθε τομέα, οι μαγνητικές ροπές σπιν των ατομικών ηλεκτρονίων έχουν τον ίδιο προσανατολισμό, με αποτέλεσμα η περιοχή να μαγνητίζεται σε κατάσταση κορεσμού. Εφόσον, απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, οι μαγνητικές ροπές των περιοχών είναι τυχαία προσανατολισμένες, ένα σιδηρομαγνητικό δείγμα υπό τέτοιες συνθήκες γενικά δεν μαγνητίζεται.
Υπό τη δράση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, οι μαγνητικές ροπές των περιοχών προσανατολίζονται κατά την κατεύθυνση αυτού του πεδίου. Ως αποτέλεσμα, ένα ισχυρό εσωτερικό μαγνητικό πεδίο προκύπτει σε έναν σιδηρομαγνήτη με μαγνητική επαγωγή ΣΕ", που συμπίπτει κατά διεύθυνση με τη μαγνητική επαγωγή του εξωτερικού πεδίου ΣΕ 0 . Άρα το μέτρο επαγωγής ΣΕτο μαγνητικό πεδίο που προκύπτει σε έναν σιδηρομαγνήτη είναι πολύ μεγαλύτερο, το πεδίο στο κενό, δηλ. ΒΒ 0 . Όταν όλες οι μαγνητικές ροπές των περιοχών υπό τη δράση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου είναι προσανατολισμένες κατά μήκος του πεδίου, εμφανίζεται κορεσμός του σιδηρομαγνητικού δείγματος.
Με την επίτευξη συγκεκριμένων σημείων θερμοκρασίας για κάθε ουσία, που ονομάζεται παραπάνω σημείο Κιουρί, η δομή του τομέα καταστρέφεται και ο σιδηρομαγνήτης χάνει τις εγγενείς ιδιότητές του.
Έτσι ονομάζονται ουσίες στις οποίες μ»1 σιδηρομαγνήτες. Αυτά περιλαμβάνουν τα στοιχεία Fe, Co, Ni, Gd και πολλά κράματα. Σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ένα σιδηρομαγνητικό δείγμα συμπεριφέρεται σαν παραμαγνήτης. Ωστόσο, η μαγνητική διαπερατότητα μ ενός σιδηρομαγνήτη εξαρτάται από την ένταση Hεξωτερικό μαγνητικό πεδίο και ποικίλλει σε αρκετά μεγάλο εύρος, με αποτέλεσμα η εξάρτηση Β =φά(H) είναι μη γραμμικό . Οι τιμές του μ για ορισμένα κράματα φτάνουν τις δεκάδες χιλιάδες. Ως εκ τούτου, οι σιδηρομαγνήτες ταξινομούνται ως εξαιρετικά μαγνητικές ουσίες.
Για κάθε σιδηρομαγνήτη, υπάρχει μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται Σημείο Κιουρί, όταν θερμαίνεται πάνω από την οποία η δεδομένη ουσία χάνει τις σιδηρομαγνητικές της ιδιότητες και μετατρέπεται σε παραμαγνήτη. Για παράδειγμα, για το Fe, το σημείο Curie είναι 1043 K και για το Ni είναι 631 K.
Για να εξηγήσει τη διαδικασία μαγνήτισης των σωμάτων, ο Ampère πρότεινε ότι κυκλικά ρεύματα (μοριακά ρεύματα) κυκλοφορούν στα μόρια της ύλης. Κάθε τέτοιο ρεύμα έχει μια μαγνητική ροπή και δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο. Ελλείψει εξωτερικού πεδίου, τα μοριακά ρεύματα προσανατολίζονται τυχαία, με αποτέλεσμα το προκύπτον πεδίο που οφείλεται σε αυτά να μηδενίζεται. Λόγω του τυχαίου προσανατολισμού των μαγνητικών ροπών μεμονωμένων μορίων, η συνολική μαγνητική ροπή του σώματος είναι επίσης ίση με μηδέν. Κάτω από τη δράση του πεδίου, οι μαγνητικές ροπές των μορίων αποκτούν έναν κυρίαρχο προσανατολισμό προς μία κατεύθυνση, με αποτέλεσμα ο μαγνήτης να μαγνητίζεται - η συνολική μαγνητική του ροπή γίνεται διαφορετική από το μηδέν. Τα μαγνητικά πεδία των μεμονωμένων μοριακών ρευμάτων σε αυτή την περίπτωση δεν αντισταθμίζουν πλέον το ένα το άλλο και δημιουργείται ένα πεδίο ΣΕ". Η μαγνήτιση ενός μαγνήτη χαρακτηρίζεται φυσικά από τη μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου. Αυτή η τιμή ονομάζεται μαγνήτισηκαι συμβολίζεται με το γράμμα J. Η μαγνήτιση συνήθως δεν συνδέεται με τη μαγνητική επαγωγή, αλλά με την ένταση του πεδίου. Υποτίθεται ότι σε κάθε σημείο
Σε αντίθεση με τη διηλεκτρική επιδεκτικότητα, η οποία μπορεί να έχει μόνο θετικές τιμές (πόλωση Rσε ένα ισότροπο διηλεκτρικό κατευθύνεται πάντα κατά μήκος του πεδίου μι), μαγνητική επιδεκτικότητα χ είναι και θετικό και αρνητικό. Επομένως, η μαγνητική διαπερατότητα μ μπορεί να είναι είτε μεγαλύτερη είτε μικρότερη από την ενότητα.
Η μαγνήτιση των ασθενώς μαγνητικών ουσιών ποικίλλει γραμμικά ανάλογα με την ένταση του πεδίου. Η μαγνήτιση των σιδηρομαγνητών h, εξαρτάται από Hμε περίπλοκο τρόπο. Στο σχήμα - 3,39 dan καμπύλη μαγνήτισηςένας σιδηρομαγνήτης του οποίου η μαγνητική ροπή ήταν αρχικά μηδέν. Ήδη σε πεδία της τάξης αρκετών όστερων (~100 A/m), η μαγνήτιση J φτάνει σε κορεσμό. Η κύρια καμπύλη μαγνήτισης στο διάγραμμα Β - Ηφαίνεται στο σχ. 59,2 (καμπύλη 0-1). Μόλις φτάσει στον κορεσμό ΣΕσυνεχίζει να αυξάνεται από Hσύμφωνα με έναν γραμμικό νόμο. Αν φέρουμε τη μαγνήτιση σε κορεσμό (σημείο 1 στο σχήμα - 3.40) και στη συνέχεια μειώστε την ένταση του μαγνητικού πεδίου και μετά την επαγωγή ΣΕδεν ακολουθεί την αρχική καμπύλη 0-1, a αλλάζει ανάλογα με την καμπύλη 1-2. Ως αποτέλεσμα, όταν η ισχύς του εξωτερικού πεδίου γίνει ίση με μηδέν (σημείο 2), η μαγνήτιση δεν εξαφανίζεται και χαρακτηρίζεται από την τιμή ΣΕ r , η οποία ονομάζεται υπολειπόμενη επαγωγή. Ο μαγνητισμός είναι σημαντικός J rπου ονομάζεται παραμένουσα μαγνήτιση.
|
|
|
|
Εικόνα - 3.39 |
Σχέδιο - 3,40 |
Επαγωγή ΣΕεξαφανίζεται μόνο υπό την επίδραση του γηπέδου H Με , έχοντας κατεύθυνση αντίθετη από το πεδίο που προκάλεσε τη μαγνήτιση. ένταση H Με που ονομάζεται καταναγκαστική δύναμη.
Η ύπαρξη υπολειπόμενης μαγνήτισης καθιστά δυνατή την κατασκευή μόνιμων μαγνητών, δηλαδή σωμάτων που, χωρίς να ξοδεύουν ενέργεια για τη διατήρηση μακροσκοπικών ρευμάτων, έχουν μαγνητική ροπή και δημιουργούν μαγνητικό πεδίο στο περιβάλλον τους. Ένας μόνιμος μαγνήτης διατηρεί τις ιδιότητές του όσο καλύτερα, τόσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη καταναγκασμού του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένος.
Όταν ένα εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο ενεργεί σε έναν σιδηρομαγνήτη, η επαγωγή αλλάζει σύμφωνα με την καμπύλη / - 2 -3-4-5-1 (Εικόνα - 3.40), το οποίο καλείται βρόχος υστέρησης(Ένας παρόμοιος βρόχος λαμβάνεται στο διάγραμμα J- H). Εάν οι μέγιστες τιμές Hείναι τέτοια που η μαγνήτιση φτάνει σε κορεσμό, προκύπτει ο λεγόμενος βρόχος μέγιστης υστέρησης (ένας στερεός βρόχος στο σχήμα είναι 3,40). Αν σε τιμές πλάτους Hδεν επιτυγχάνεται κορεσμός, λαμβάνεται ένας βρόχος, που ονομάζεται μερικός βρόχος (στιγμένος βρόχος στο σχήμα). Υπάρχει ένας άπειρος αριθμός ιδιωτικών κύκλων, όλοι βρίσκονται μέσα στον βρόχο μέγιστης υστέρησης. Η υστέρηση οδηγεί στο γεγονός ότι η μαγνήτιση ενός σιδηρομαγνήτη δεν είναι συνάρτηση μίας τιμής H,εξαρτιόταν σε μεγάλο βαθμό από την προϊστορία του δείγματος - σε ποια πεδία βρισκόταν πριν.
Λόγω της ασάφειας της εξάρτησης ΣΕαπό HΗ έννοια της μαγνητικής διαπερατότητας ισχύει μόνο για την κύρια καμπύλη μαγνήτισης. Μαγνητική διαπερατότητα σιδηρομαγνητών μ , επομένως, η μαγνητική επιδεκτικότητα χ είναι συνάρτηση της έντασης του πεδίου. Στο σχήμα - 3.41 ,ΕΝΑφαίνεται η κύρια καμπύλη μαγνήτισης. (σχεδιάζουμε μια ευθεία γραμμή από την αρχή των συντεταγμένων που διέρχονται από ένα αυθαίρετο σημείο της καμπύλης. Η εφαπτομένη της γωνίας κλίσης: η ευθεία είναι ανάλογη του λόγου V/N, t.ε. μαγνητική διαπερατότητα μ, για την αντίστοιχη τιμή τάσης Ν.Με αύξηση Hαπό το μηδέν η γωνία κλίσης (και ως εκ τούτου μ ) πρώτα αυξάνεται. Στο σημείο 2 φτάνει στο μέγιστο (άμεσο ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕεφάπτεται στην καμπύλη) και μετά μειώνεται. Στο σχήμα - 3.41, σιΔίνεται γράφημα εξάρτησης μ από Ν.Μπορεί να φανεί από το σχήμα ότι η μέγιστη τιμή διαπερατότητας επιτυγχάνεται κάπως νωρίτερα από τον κορεσμό. Με απεριόριστη αύξηση Hδιαπερατά ασυμπτωτικά προσεγγίζει την ενότητα. Αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι / στην έκφραση μ = 1 - J/ H δεν μπορεί να υπερβαίνει το 1.
|
|
|
Εικόνα - 3.41 |
Ποσότητες ΣΕ r (ή J r ), Ν Με Και μ είναι τα κύρια χαρακτηριστικά ενός σιδηρομαγνήτη. Αν η καταναγκαστική δύναμη H Με έχει μια μεγάλη ονομάζεται η τιμή ενός σιδηρομαγνήτη σκληρός. Διαθέτει ευρύ βρόχο υστέρησης. σιδηρομαγνήτης με μικρό H Με (και, κατά συνέπεια, ένας στενός βρόχος υστέρησης) ονομάζεται μαλακός. Ανάλογα με το σκοπό, λαμβάνονται σιδηρομαγνήτες με ένα ή άλλο χαρακτηριστικό. Έτσι, για μόνιμους μαγνήτες, χρησιμοποίησε σκληρούς σιδηρομαγνήτες και μαλακούς για πυρήνες μετασχηματιστών. Η παρουσία του σημείου Κιουρί στους σιδηρομαγνήτες μπορεί να γίνει κατανοητή, δεδομένου ότι τα άτομα συμμετέχουν στη θερμική κίνηση: όσο η θερμοκρασία είναι χαμηλή, τα άτομα διατηρούν τον παράλληλο προσανατολισμό των μαγνητικών ροπών τους εντός των περιοχών. Αλλά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται και η θερμική κίνηση Όταν μια ουσία φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για μια δεδομένη ουσία, η θερμική κίνηση καταστρέφει αυτόν τον προσανατολισμό - η περιοχή εξαφανίζεται. Επιπλέον, ο σιδηρομαγνήτης συμπεριφέρεται σαν παραμαγνήτης.
Τα θεμέλια της θεωρίας του σιδηρομαγνητισμού δημιουργήθηκαν από τους Ya. I. Frenkel και W. Heisenberg το 1928. Στην εποχή μας, οι μαγνήτες και οι μαγνητικές τους ιδιότητες χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιστήμη και την τεχνολογία.
ΜΑΓΝΗΤΕΣ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΟΥΣΙΑΣ
Οι απλούστερες εκδηλώσεις του μαγνητισμού είναι γνωστές εδώ και πολύ καιρό και είναι γνωστές στους περισσότερους από εμάς. Ωστόσο, μόλις σχετικά πρόσφατα κατέστη δυνατό να εξηγηθούν αυτά τα φαινομενικά απλά φαινόμενα με βάση τις θεμελιώδεις αρχές της φυσικής. Υπάρχουν δύο διαφορετικοί τύποι μαγνητών. Μερικοί είναι οι λεγόμενοι μόνιμοι μαγνήτες, κατασκευασμένοι από «σκληρά μαγνητικά» υλικά. Οι μαγνητικές τους ιδιότητες δεν σχετίζονται με τη χρήση εξωτερικών πηγών ή ρευμάτων. Ένας άλλος τύπος περιλαμβάνει τους λεγόμενους ηλεκτρομαγνήτες με πυρήνα από «μαλακό μαγνητικό» σίδηρο. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από αυτά οφείλονται κυρίως στο γεγονός ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από το σύρμα της περιέλιξης που καλύπτει τον πυρήνα.
Μαγνητικοί πόλοι και μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνητικές ιδιότητες ενός μαγνήτη ράβδου είναι πιο αισθητές κοντά στα άκρα του. Εάν ένας τέτοιος μαγνήτης αιωρείται από το μεσαίο τμήμα έτσι ώστε να μπορεί να περιστρέφεται ελεύθερα σε οριζόντιο επίπεδο, τότε θα πάρει μια θέση που αντιστοιχεί περίπου στην κατεύθυνση από βορρά προς νότο. Το άκρο της ράβδου που δείχνει βόρεια ονομάζεται βόρειος πόλος και το αντίθετο άκρο ονομάζεται νότιος πόλος. Οι αντίθετοι πόλοι δύο μαγνητών έλκονται μεταξύ τους, ενώ σαν πόλοι απωθούνται μεταξύ τους. Εάν μια ράβδος μη μαγνητισμένου σιδήρου πλησιάσει έναν από τους πόλους ενός μαγνήτη, ο τελευταίος θα μαγνητιστεί προσωρινά. Σε αυτήν την περίπτωση, ο πόλος της μαγνητισμένης ράβδου που βρίσκεται πιο κοντά στον πόλο του μαγνήτη θα είναι απέναντι στο όνομα και ο μακρινός πόλος θα είναι με το ίδιο όνομα. Η έλξη μεταξύ του πόλου του μαγνήτη και του αντίθετου πόλου που προκαλείται από αυτόν στη ράβδο εξηγεί τη δράση του μαγνήτη. Μερικά υλικά (όπως ο χάλυβας) γίνονται αδύναμοι μόνιμοι μαγνήτες αφού βρίσκονται κοντά σε μόνιμο μαγνήτη ή ηλεκτρομαγνήτη. Μια χαλύβδινη ράβδος μπορεί να μαγνητιστεί περνώντας απλώς το άκρο ενός μόνιμου μαγνήτη στο άκρο της. Έτσι, ο μαγνήτης έλκει άλλους μαγνήτες και αντικείμενα από μαγνητικά υλικά χωρίς να έρχεται σε επαφή μαζί τους. Μια τέτοια ενέργεια σε απόσταση εξηγείται από την ύπαρξη ενός μαγνητικού πεδίου στο χώρο γύρω από τον μαγνήτη. Κάποια ιδέα για την ένταση και την κατεύθυνση αυτού του μαγνητικού πεδίου μπορεί να ληφθεί ρίχνοντας ρινίσματα σιδήρου σε ένα φύλλο χαρτονιού ή γυαλιού τοποθετημένο σε μαγνήτη. Το πριονίδι θα παραταχθεί σε αλυσίδες προς την κατεύθυνση του χωραφιού και η πυκνότητα των γραμμών πριονιδιού θα αντιστοιχεί στην ένταση αυτού του πεδίου. (Είναι παχύτερα στα άκρα του μαγνήτη, όπου η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι μεγαλύτερη.) Ο M. Faraday (1791-1867) εισήγαγε την έννοια των κλειστών γραμμών επαγωγής για μαγνήτες. Οι γραμμές επαγωγής εξέρχονται από τον μαγνήτη στο βόρειο πόλο του στον περιβάλλοντα χώρο, εισέρχονται στον μαγνήτη στο νότιο πόλο και περνούν μέσα στο υλικό του μαγνήτη από τον νότιο πόλο πίσω στον βορρά, σχηματίζοντας έναν κλειστό βρόχο. Ο συνολικός αριθμός των γραμμών επαγωγής που εξέρχονται από έναν μαγνήτη ονομάζεται μαγνητική ροή. Η πυκνότητα μαγνητικής ροής, ή μαγνητική επαγωγή (Β), είναι ίση με τον αριθμό των γραμμών επαγωγής που διέρχονται κατά μήκος της κανονικής μέσα από μια στοιχειώδη περιοχή μεγέθους μονάδας. Η μαγνητική επαγωγή καθορίζει τη δύναμη με την οποία ένα μαγνητικό πεδίο δρα σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα που βρίσκεται σε αυτό. Εάν ο αγωγός από τον οποίο διέρχεται το ρεύμα I βρίσκεται κάθετα στις γραμμές επαγωγής, τότε, σύμφωνα με το νόμο του Ampère, η δύναμη F που ασκεί στον αγωγό είναι κάθετη τόσο στο πεδίο όσο και στον αγωγό και είναι ανάλογη της μαγνητικής επαγωγής, ένταση ρεύματος και το μήκος του αγωγού. Έτσι, για τη μαγνητική επαγωγή Β, μπορούμε να γράψουμε την έκφραση
Όπου F είναι η δύναμη σε newton, I είναι το ρεύμα σε αμπέρ, l το μήκος σε μέτρα. Η μονάδα μαγνητικής επαγωγής είναι ο Τέσλα (Τ)
(βλ. επίσης ΗΛΕΚΤΡΙΚΟ ΕΝΕΡΓΕΙΑ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΣΜΟΣ).
Γαλβανόμετρο.Το γαλβανόμετρο είναι μια ευαίσθητη συσκευή για τη μέτρηση ασθενών ρευμάτων. Το γαλβανόμετρο χρησιμοποιεί τη ροπή που δημιουργείται από την αλληλεπίδραση ενός μόνιμου μαγνήτη σε σχήμα πετάλου με ένα μικρό πηνίο μεταφοράς ρεύματος (αδύναμο ηλεκτρομαγνήτη) που αιωρείται στο κενό μεταξύ των πόλων του μαγνήτη. Η ροπή, και ως εκ τούτου η εκτροπή του πηνίου, είναι ανάλογη με το ρεύμα και τη συνολική μαγνητική επαγωγή στο διάκενο αέρα, έτσι ώστε η κλίμακα του οργάνου να είναι σχεδόν γραμμική με μικρές παραμορφώσεις του πηνίου. Μαγνητική δύναμη και ένταση μαγνητικού πεδίου. Στη συνέχεια, θα πρέπει να εισαχθεί μια ακόμη ποσότητα που να χαρακτηρίζει τη μαγνητική επίδραση του ηλεκτρικού ρεύματος. Ας υποθέσουμε ότι το ρεύμα διέρχεται από το σύρμα ενός μακριού πηνίου, μέσα στο οποίο βρίσκεται το μαγνητιζόμενο υλικό. Η δύναμη μαγνήτισης είναι το γινόμενο του ηλεκτρικού ρεύματος στο πηνίο και του αριθμού των στροφών του (αυτή η δύναμη μετριέται σε αμπέρ, αφού ο αριθμός των στροφών είναι αδιάστατη ποσότητα). Η ένταση του μαγνητικού πεδίου H είναι ίση με τη δύναμη μαγνήτισης ανά μονάδα μήκους του πηνίου. Έτσι, η τιμή του Η μετριέται σε αμπέρ ανά μέτρο. καθορίζει τη μαγνήτιση που αποκτά το υλικό μέσα στο πηνίο. Στο κενό, η μαγνητική επαγωγή B είναι ανάλογη με την ένταση του μαγνητικού πεδίου H:
Όπου m0 - λεγόμενο. μαγνητική σταθερά, η οποία έχει καθολική τιμή 4pCh10-7 H/m. Σε πολλά υλικά, η τιμή του Β είναι περίπου ανάλογη του Η. Ωστόσο, στα σιδηρομαγνητικά υλικά, η σχέση μεταξύ Β και Η είναι κάπως πιο περίπλοκη (που θα συζητηθεί παρακάτω). Στο σχ. 1 δείχνει έναν απλό ηλεκτρομαγνήτη που έχει σχεδιαστεί για να συλλαμβάνει φορτία. Η πηγή ενέργειας είναι μια μπαταρία DC. Το σχήμα δείχνει επίσης τις γραμμές δύναμης του πεδίου ενός ηλεκτρομαγνήτη, οι οποίες μπορούν να ανιχνευθούν με τη συνήθη μέθοδο ρινισμάτων σιδήρου.
Μεγάλοι ηλεκτρομαγνήτες με πυρήνες σιδήρου και πολύ μεγάλο αριθμό στροφών αμπέρ, που λειτουργούν σε συνεχή λειτουργία, έχουν μεγάλη μαγνητιστική δύναμη. Δημιουργούν μαγνητική επαγωγή έως 6 Τ στο διάκενο μεταξύ των πόλων. αυτή η επαγωγή περιορίζεται μόνο από μηχανικές καταπονήσεις, θέρμανση των πηνίων και μαγνητικό κορεσμό του πυρήνα. Ένας αριθμός γιγάντιων ηλεκτρομαγνητών (χωρίς πυρήνα) με υδρόψυξη, καθώς και εγκαταστάσεις για τη δημιουργία παλμικών μαγνητικών πεδίων, σχεδιάστηκαν από τον P.L. Kapitsa (1894-1984) στο Cambridge και στο Ινστιτούτο Φυσικών Προβλημάτων της Ακαδημίας Επιστημών και Επιστημών της ΕΣΣΔ. F. Τεχνολογικό Ινστιτούτο Μασαχουσέτης. Σε τέτοιους μαγνήτες ήταν δυνατό να επιτευχθεί επαγωγή έως και 50 T. Ένας σχετικά μικρός ηλεκτρομαγνήτης, που παράγει πεδία έως 6,2 Τ, καταναλώνει ηλεκτρική ισχύ 15 kW και ψύχεται από υγρό υδρογόνο, αναπτύχθηκε στο Εθνικό Εργαστήριο Λοσάλαμου. Παρόμοια πεδία λαμβάνονται σε κρυογονικές θερμοκρασίες.
Η μαγνητική διαπερατότητα και ο ρόλος της στον μαγνητισμό.Η μαγνητική διαπερατότητα m είναι μια τιμή που χαρακτηρίζει τις μαγνητικές ιδιότητες του υλικού. Τα σιδηρομαγνητικά μέταλλα Fe, Ni, Co και τα κράματά τους έχουν πολύ υψηλές μέγιστες διαπερατότητες - από 5000 (για Fe) έως 800.000 (για supermalloy). Σε τέτοια υλικά, σε σχετικά χαμηλές εντάσεις πεδίου H, συμβαίνουν μεγάλες επαγωγές Β, αλλά η σχέση μεταξύ αυτών των ποσοτήτων είναι, γενικά μιλώντας, μη γραμμική λόγω των φαινομένων κορεσμού και υστέρησης, τα οποία συζητούνται παρακάτω. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έλκονται έντονα από τους μαγνήτες. Χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες σε θερμοκρασίες πάνω από το σημείο Κιουρί (770°C για τον Fe, 358°C για το Ni, 1120°C για το Co) και συμπεριφέρονται σαν παραμαγνήτες, για τους οποίους η επαγωγή Β είναι ανάλογη με αυτήν μέχρι πολύ υψηλές τιμές της ισχύος H - ακριβώς όπως στο κενό. Πολλά στοιχεία και ενώσεις είναι παραμαγνητικά σε όλες τις θερμοκρασίες. Οι παραμαγνητικές ουσίες χαρακτηρίζονται από το ότι μαγνητίζονται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Εάν αυτό το πεδίο είναι απενεργοποιημένο, οι παραμαγνήτες επιστρέφουν στη μη μαγνητισμένη κατάσταση. Η μαγνήτιση στους σιδηρομαγνήτες διατηρείται ακόμα και μετά την απενεργοποίηση του εξωτερικού πεδίου. Στο σχ. Το σχήμα 2 δείχνει έναν τυπικό βρόχο υστέρησης για ένα μαγνητικά σκληρό (μεγάλες απώλειες) σιδηρομαγνητικό υλικό. Χαρακτηρίζει τη διφορούμενη εξάρτηση της μαγνήτισης ενός μαγνητικά διατεταγμένου υλικού από την ισχύ του μαγνητιστικού πεδίου. Με αύξηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου από το αρχικό (μηδενικό) σημείο (1), η μαγνήτιση προχωρά κατά μήκος της διακεκομμένης γραμμής 1-2 και η τιμή του m αλλάζει σημαντικά καθώς αυξάνεται η μαγνήτιση του δείγματος. Στο σημείο 2, επιτυγχάνεται κορεσμός, δηλ. με περαιτέρω αύξηση της έντασης, η μαγνήτιση δεν αυξάνεται πλέον. Εάν τώρα μειώσουμε σταδιακά την τιμή του H στο μηδέν, τότε η καμπύλη B(H) δεν ακολουθεί πλέον την προηγούμενη διαδρομή, αλλά διέρχεται από το σημείο 3, αποκαλύπτοντας, σαν να λέμε, τη «μνήμη» του υλικού για την «προηγούμενη ιστορία », εξ ου και η ονομασία «υστέρηση». Προφανώς, σε αυτή την περίπτωση, διατηρείται κάποια υπολειπόμενη μαγνήτιση (τμήμα 1-3). Μετά την αλλαγή της κατεύθυνσης του μαγνητιστικού πεδίου προς την αντίθετη καμπύλη Β (Η) περνά το σημείο 4 και το τμήμα (1)-(4) αντιστοιχεί στη δύναμη καταναγκασμού που εμποδίζει τον απομαγνητισμό. Μια περαιτέρω αύξηση των τιμών (-H) οδηγεί την καμπύλη υστέρησης στο τρίτο τεταρτημόριο - ενότητα 4-5. Η επακόλουθη μείωση της τιμής του (-H) στο μηδέν και στη συνέχεια μια αύξηση των θετικών τιμών του H θα κλείσει τον βρόχο υστέρησης μέσω των σημείων 6, 7 και 2.
Τα μαγνητικά σκληρά υλικά χαρακτηρίζονται από έναν ευρύ βρόχο υστέρησης που καλύπτει μια σημαντική περιοχή στο διάγραμμα και επομένως αντιστοιχεί σε μεγάλες τιμές υπολειπόμενης μαγνήτισης (μαγνητική επαγωγή) και δύναμη καταναγκασμού. Ένας στενός βρόχος υστέρησης (Εικ. 3) είναι χαρακτηριστικός μαλακών μαγνητικών υλικών όπως ο μαλακός χάλυβας και τα ειδικά κράματα με υψηλή μαγνητική διαπερατότητα. Τέτοια κράματα δημιουργήθηκαν για να μειωθούν οι απώλειες ενέργειας λόγω υστέρησης. Τα περισσότερα από αυτά τα ειδικά κράματα, όπως και οι φερρίτες, έχουν υψηλή ηλεκτρική αντίσταση, η οποία μειώνει όχι μόνο τις μαγνητικές απώλειες, αλλά και τις ηλεκτρικές απώλειες λόγω των δινορευμάτων.
Τα μαγνητικά υλικά με υψηλή διαπερατότητα παράγονται με ανόπτηση, η οποία πραγματοποιείται σε θερμοκρασία περίπου 1000 ° C, ακολουθούμενη από σκλήρυνση (σταδιακή ψύξη) σε θερμοκρασία δωματίου. Σε αυτή την περίπτωση, η προκαταρκτική μηχανική και θερμική επεξεργασία, καθώς και η απουσία ακαθαρσιών στο δείγμα, είναι πολύ σημαντικές. Για πυρήνες μετασχηματιστών στις αρχές του 20ου αιώνα. Αναπτύχθηκαν χάλυβες πυριτίου, η τιμή των m των οποίων αυξήθηκε με την αύξηση της περιεκτικότητας σε πυρίτιο. Μεταξύ 1915 και 1920, εμφανίστηκαν μόνιμα κράματα (κράματα Ni με Fe) με το χαρακτηριστικό στενό και σχεδόν ορθογώνιο βρόχο υστέρησης. Τα υπερνικά (50% Ni, 50% Fe) και τα μεταλλικά (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) κράματα χαρακτηρίζονται από ιδιαίτερα υψηλές τιμές μαγνητικής διαπερατότητας m σε χαμηλές τιμές H, ενώ στο perminvar (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) η τιμή του m είναι πρακτικά σταθερή σε ένα ευρύ φάσμα αλλαγών στην ένταση του πεδίου. Μεταξύ των σύγχρονων μαγνητικών υλικών, πρέπει να αναφερθεί το supermalloy - ένα κράμα με την υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα (περιέχει 79% Ni, 15% Fe και 5% Mo).
Θεωρίες μαγνητισμού.Για πρώτη φορά, η ιδέα ότι τα μαγνητικά φαινόμενα μειώνονται τελικά σε ηλεκτρικά προέκυψε από τον Ampère το 1825, όταν εξέφρασε την ιδέα των κλειστών εσωτερικών μικρορευμάτων που κυκλοφορούν σε κάθε άτομο ενός μαγνήτη. Ωστόσο, χωρίς καμία πειραματική επιβεβαίωση της παρουσίας τέτοιων ρευμάτων στην ύλη (το ηλεκτρόνιο ανακαλύφθηκε από τον J. Thomson μόλις το 1897 και η περιγραφή της δομής του ατόμου δόθηκε από τους Rutherford και Bohr το 1913), αυτή η θεωρία «εξασθενεί ". Το 1852, ο W. Weber πρότεινε ότι κάθε άτομο μιας μαγνητικής ουσίας είναι ένας μικροσκοπικός μαγνήτης ή ένα μαγνητικό δίπολο, έτσι ώστε η πλήρης μαγνήτιση μιας ουσίας επιτυγχάνεται όταν όλοι οι μεμονωμένοι ατομικοί μαγνήτες παρατάσσονται σε μια συγκεκριμένη σειρά (Εικ. 4β ). Ο Weber πίστευε ότι η μοριακή ή ατομική «τριβή» βοηθά αυτούς τους στοιχειώδεις μαγνήτες να διατηρήσουν την τάξη τους παρά την ενοχλητική επίδραση των θερμικών δονήσεων. Η θεωρία του ήταν σε θέση να εξηγήσει τη μαγνήτιση των σωμάτων κατά την επαφή με έναν μαγνήτη, καθώς και την απομαγνήτισή τους κατά την πρόσκρουση ή τη θέρμανση. Τέλος, εξηγήθηκε και ο «πολλαπλασιασμός» των μαγνητών όταν μια μαγνητισμένη βελόνα ή μαγνητική ράβδος κόπηκε σε κομμάτια. Και όμως αυτή η θεωρία δεν εξηγούσε ούτε την προέλευση των ίδιων των στοιχειωδών μαγνητών, ούτε τα φαινόμενα κορεσμού και υστέρησης. Η θεωρία του Weber βελτιώθηκε το 1890 από τον J. Eving, ο οποίος αντικατέστησε την υπόθεσή του για την ατομική τριβή με την ιδέα των διατομικών περιοριστικών δυνάμεων που βοηθούν στη διατήρηση της τάξης των στοιχειωδών διπόλων που συνθέτουν έναν μόνιμο μαγνήτη.
Η προσέγγιση του προβλήματος, που προτάθηκε κάποτε από τον Ampère, έλαβε μια δεύτερη ζωή το 1905, όταν ο P. Langevin εξήγησε τη συμπεριφορά των παραμαγνητικών υλικών αποδίδοντας σε κάθε άτομο ένα εσωτερικό μη αντισταθμισμένο ρεύμα ηλεκτρονίων. Σύμφωνα με τον Langevin, αυτά τα ρεύματα σχηματίζουν μικροσκοπικούς μαγνήτες, που προσανατολίζονται τυχαία όταν το εξωτερικό πεδίο απουσιάζει, αλλά αποκτούν έναν διατεταγμένο προσανατολισμό μετά την εφαρμογή του. Στην περίπτωση αυτή, η προσέγγιση στην πλήρη σειρά αντιστοιχεί στον κορεσμό της μαγνήτισης. Επιπλέον, ο Langevin εισήγαγε την έννοια της μαγνητικής ροπής, η οποία για έναν ατομικό μαγνήτη ισούται με το γινόμενο του «μαγνητικού φορτίου» του πόλου και της απόστασης μεταξύ των πόλων. Έτσι, ο ασθενής μαγνητισμός των παραμαγνητικών υλικών οφείλεται στη συνολική μαγνητική ροπή που δημιουργείται από μη αντισταθμισμένα ρεύματα ηλεκτρονίων. Το 1907, ο P. Weiss εισήγαγε την έννοια του "domain", η οποία έγινε σημαντική συνεισφορά στη σύγχρονη θεωρία του μαγνητισμού. Ο Weiss φαντάστηκε τους τομείς ως μικρές «αποικίες» ατόμων, μέσα στις οποίες οι μαγνητικές ροπές όλων των ατόμων, για κάποιο λόγο, αναγκάζονται να διατηρήσουν τον ίδιο προσανατολισμό, έτσι ώστε κάθε τομέας να μαγνητίζεται σε κορεσμό. Ένας ξεχωριστός τομέας μπορεί να έχει γραμμικές διαστάσεις της τάξης των 0,01 mm και, κατά συνέπεια, όγκο της τάξης των 10-6 mm3. Οι περιοχές χωρίζονται από τα λεγόμενα τοιχώματα Bloch, το πάχος των οποίων δεν υπερβαίνει τις 1000 ατομικές διαστάσεις. Ο "τοίχος" και δύο αντίθετα προσανατολισμένοι τομείς φαίνονται σχηματικά στο Σχ. 5. Τέτοια τοιχώματα είναι «στρώματα μετάβασης» στα οποία αλλάζει η κατεύθυνση της μαγνήτισης της περιοχής.
Στη γενική περίπτωση, τρία τμήματα μπορούν να διακριθούν στην αρχική καμπύλη μαγνήτισης (Εικ. 6). Στην αρχική τομή, ο τοίχος, υπό τη δράση ενός εξωτερικού πεδίου, κινείται μέσα στο πάχος της ουσίας μέχρι να συναντήσει ένα ελάττωμα κρυσταλλικού πλέγματος, το οποίο τον σταματά. Αυξάνοντας την ένταση του πεδίου, ο τοίχος μπορεί να αναγκαστεί να μετακινηθεί περαιτέρω στο μεσαίο τμήμα μεταξύ των διακεκομμένων γραμμών. Εάν μετά από αυτό η ένταση του πεδίου μειωθεί ξανά στο μηδέν, τότε τα τοιχώματα δεν θα επιστρέψουν πλέον στην αρχική τους θέση, έτσι ώστε το δείγμα να παραμείνει μερικώς μαγνητισμένο. Αυτό εξηγεί την υστέρηση του μαγνήτη. Στο τέλος της καμπύλης, η διαδικασία τελειώνει με τον κορεσμό της μαγνήτισης του δείγματος λόγω της σειράς της μαγνήτισης εντός των τελευταίων διαταραγμένων περιοχών. Αυτή η διαδικασία είναι σχεδόν πλήρως αναστρέψιμη. Η μαγνητική σκληρότητα παρουσιάζεται από εκείνα τα υλικά στα οποία το ατομικό πλέγμα περιέχει πολλά ελαττώματα που εμποδίζουν την κίνηση των τοίχων μεταξύ τομέων. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με μηχανική και θερμική επεξεργασία, για παράδειγμα με συμπίεση και στη συνέχεια πυροσυσσωμάτωση του κονιοποιημένου υλικού. Στα κράματα alnico και τα ανάλογα τους, το ίδιο αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με τη σύντηξη μετάλλων σε μια πολύπλοκη δομή.
Εκτός από τα παραμαγνητικά και τα σιδηρομαγνητικά υλικά, υπάρχουν υλικά με τις λεγόμενες αντισιδηρομαγνητικές και σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Η διαφορά μεταξύ αυτών των τύπων μαγνητισμού απεικονίζεται στο Σχ. 7. Με βάση την έννοια των περιοχών, ο παραμαγνητισμός μπορεί να θεωρηθεί ως φαινόμενο που οφείλεται στην παρουσία στο υλικό μικρών ομάδων μαγνητικών διπόλων, στα οποία μεμονωμένα δίπολα αλληλεπιδρούν πολύ ασθενώς μεταξύ τους (ή δεν αλληλεπιδρούν καθόλου) και επομένως , απουσία εξωτερικού πεδίου, παίρνουν μόνο τυχαίους προσανατολισμούς (Εικ. 7α). Στα σιδηρομαγνητικά υλικά, μέσα σε κάθε τομέα, υπάρχει μια ισχυρή αλληλεπίδραση μεταξύ μεμονωμένων διπόλων, που οδηγεί στη διατεταγμένη παράλληλη ευθυγράμμισή τους (Εικ. 7β). Στα αντισιδηρομαγνητικά υλικά, αντίθετα, η αλληλεπίδραση μεταξύ μεμονωμένων διπόλων οδηγεί στην αντιπαράλληλη διατεταγμένη ευθυγράμμισή τους, έτσι ώστε η συνολική μαγνητική ροπή κάθε τομέα να είναι μηδέν (Εικ. 7γ). Τέλος, στα σιδηρομαγνητικά υλικά (για παράδειγμα, οι φερρίτες) υπάρχει παράλληλη και αντιπαράλληλη διάταξη (Εικ. 7δ), με αποτέλεσμα αδύναμο μαγνητισμό.
Υπάρχουν δύο πειστικές πειραματικές επιβεβαιώσεις για την ύπαρξη τομέων. Το πρώτο από αυτά είναι το λεγόμενο φαινόμενο Barkhausen, το δεύτερο είναι η μέθοδος της σκόνης. Το 1919, ο G. Barkhausen διαπίστωσε ότι όταν ένα εξωτερικό πεδίο εφαρμόζεται σε ένα δείγμα σιδηρομαγνητικού υλικού, η μαγνήτισή του αλλάζει σε μικρά διακριτά τμήματα. Από τη σκοπιά της θεωρίας του τομέα, αυτό δεν είναι τίποτα άλλο από μια άλμα-όπως πρόοδος του τοίχου μεταξύ τομέων, που συναντά μεμονωμένα ελαττώματα που τον εμποδίζουν στο δρόμο του. Αυτό το φαινόμενο συνήθως ανιχνεύεται χρησιμοποιώντας ένα πηνίο στο οποίο τοποθετείται μια σιδηρομαγνητική ράβδος ή σύρμα. Εάν ένας ισχυρός μαγνήτης φέρεται εναλλάξ στο δείγμα και αφαιρείται από αυτό, το δείγμα θα μαγνητιστεί και θα επαναμαγνητιστεί. Αλλαγές που μοιάζουν με άλματα στη μαγνήτιση του δείγματος αλλάζουν τη μαγνητική ροή μέσω του πηνίου και διεγείρεται ένα ρεύμα επαγωγής σε αυτό. Η τάση που προκύπτει σε αυτή την περίπτωση στο πηνίο ενισχύεται και τροφοδοτείται στην είσοδο ενός ζευγαριού ακουστικών. Τα κλικ που γίνονται αντιληπτά μέσω των ακουστικών υποδεικνύουν μια απότομη αλλαγή στη μαγνήτιση. Για να αποκαλυφθεί η δομή πεδίου ενός μαγνήτη με τη μέθοδο των μορφών σκόνης, μια σταγόνα ενός κολλοειδούς εναιωρήματος μιας σιδηρομαγνητικής σκόνης (συνήθως Fe3O4) εφαρμόζεται σε μια καλά γυαλισμένη επιφάνεια ενός μαγνητισμένου υλικού. Τα σωματίδια σκόνης εγκαθίστανται κυρίως σε σημεία μέγιστης ανομοιογένειας του μαγνητικού πεδίου - στα όρια των περιοχών. Μια τέτοια δομή μπορεί να μελετηθεί κάτω από ένα μικροσκόπιο. Έχει επίσης προταθεί μια μέθοδος που βασίζεται στη διέλευση πολωμένου φωτός μέσα από ένα διαφανές σιδηρομαγνητικό υλικό. Η αρχική θεωρία του Weiss για τον μαγνητισμό στα κύρια χαρακτηριστικά της έχει διατηρήσει τη σημασία της μέχρι σήμερα, ωστόσο, έχοντας λάβει μια ενημερωμένη ερμηνεία βασισμένη στην έννοια των μη αντισταθμιζόμενων σπιν ηλεκτρονίων ως παράγοντα που καθορίζει τον ατομικό μαγνητισμό. Η υπόθεση της ύπαρξης μιας εγγενούς ροπής ενός ηλεκτρονίου προτάθηκε το 1926 από τους S. Goudsmit και J. Uhlenbeck, και επί του παρόντος είναι τα ηλεκτρόνια ως φορείς σπιν που θεωρούνται ως «στοιχειώδεις μαγνήτες». Για να διευκρινιστεί αυτή η έννοια, θεωρήστε (Εικ. 8) ένα ελεύθερο άτομο σιδήρου - ένα τυπικό σιδηρομαγνητικό υλικό. Τα δύο κελύφη του (K και L), που βρίσκονται πιο κοντά στον πυρήνα, είναι γεμάτα με ηλεκτρόνια, με δύο στο πρώτο από αυτά και οκτώ στο δεύτερο. Στο κέλυφος Κ, το σπιν ενός από τα ηλεκτρόνια είναι θετικό και του άλλου αρνητικό. Στο L-κέλυφος (ακριβέστερα, στα δύο υποκέλυφά του), τέσσερα από τα οκτώ ηλεκτρόνια έχουν θετικά σπιν, και τα άλλα τέσσερα έχουν αρνητικά σπιν. Και στις δύο περιπτώσεις, τα σπιν των ηλεκτρονίων μέσα στο ίδιο κέλυφος ακυρώνονται εντελώς, έτσι ώστε η συνολική μαγνητική ροπή να μηδενίζεται. Στο Μ-κέλυφος, η κατάσταση είναι διαφορετική, λόγω των έξι ηλεκτρονίων στο τρίτο υποκέλυφος, πέντε ηλεκτρόνια έχουν σπιν προς τη μία κατεύθυνση και μόνο το έκτο στην άλλη. Ως αποτέλεσμα, παραμένουν τέσσερα μη αντισταθμισμένα σπιν, τα οποία καθορίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες του ατόμου του σιδήρου. (Υπάρχουν μόνο δύο ηλεκτρόνια σθένους στο εξωτερικό κέλυφος N, τα οποία δεν συμβάλλουν στον μαγνητισμό του ατόμου του σιδήρου.) Ο μαγνητισμός άλλων σιδηρομαγνητών, όπως το νικέλιο και το κοβάλτιο, εξηγείται με παρόμοιο τρόπο. Δεδομένου ότι τα γειτονικά άτομα σε ένα δείγμα σιδήρου αλληλεπιδρούν έντονα μεταξύ τους και τα ηλεκτρόνια τους είναι μερικώς συλλογικοποιημένα, αυτή η εξήγηση θα πρέπει να θεωρηθεί μόνο ως ένα περιγραφικό, αλλά πολύ απλοποιημένο, σχήμα της πραγματικής κατάστασης.
Η θεωρία του ατομικού μαγνητισμού, που βασίζεται στο σπιν των ηλεκτρονίων, υποστηρίζεται από δύο ενδιαφέροντα γυρομαγνητικά πειράματα, το ένα από τα οποία πραγματοποιήθηκε από τους A. Einstein και W. de Haas και το άλλο από τον S. Barnett. Στο πρώτο από αυτά τα πειράματα, ένας κύλινδρος σιδηρομαγνητικού υλικού αιωρήθηκε όπως φαίνεται στο Σχ. 9. Αν περάσει ρεύμα από το σύρμα περιέλιξης, τότε ο κύλινδρος περιστρέφεται γύρω από τον άξονά του. Όταν η κατεύθυνση του ρεύματος (και επομένως το μαγνητικό πεδίο) αλλάζει, στρέφεται προς την αντίθετη κατεύθυνση. Και στις δύο περιπτώσεις, η περιστροφή του κυλίνδρου οφείλεται στη σειρά των σπιν των ηλεκτρονίων. Στο πείραμα του Barnett, αντίθετα, ένας αιωρούμενος κύλινδρος, που φέρεται απότομα σε κατάσταση περιστροφής, μαγνητίζεται απουσία μαγνητικού πεδίου. Αυτό το φαινόμενο εξηγείται από το γεγονός ότι κατά την περιστροφή του μαγνήτη δημιουργείται μια γυροσκοπική ροπή, η οποία τείνει να περιστρέφει τις ροπές σπιν προς την κατεύθυνση του δικού της άξονα περιστροφής.
Για μια πληρέστερη εξήγηση της φύσης και της προέλευσης των δυνάμεων μικρής εμβέλειας που διατάσσουν γειτονικούς ατομικούς μαγνήτες και εξουδετερώνουν το διαταραγμένο αποτέλεσμα της θερμικής κίνησης, θα πρέπει να στραφούμε στην κβαντομηχανική. Μια κβαντομηχανική εξήγηση της φύσης αυτών των δυνάμεων προτάθηκε το 1928 από τον W. Heisenberg, ο οποίος υπέθεσε την ύπαρξη αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής μεταξύ γειτονικών ατόμων. Αργότερα, οι G. Bethe και J. Slater έδειξαν ότι οι δυνάμεις ανταλλαγής αυξάνονται σημαντικά με τη μείωση της απόστασης μεταξύ των ατόμων, αλλά αφού φτάσουν σε μια ορισμένη ελάχιστη διατομική απόσταση, πέφτουν στο μηδέν.
ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΗΣ ΟΥΣΙΑΣ
Μία από τις πρώτες εκτεταμένες και συστηματικές μελέτες των μαγνητικών ιδιοτήτων της ύλης έγινε από τον P. Curie. Βρήκε ότι σύμφωνα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, όλες οι ουσίες μπορούν να χωριστούν σε τρεις κατηγορίες. Το πρώτο περιλαμβάνει ουσίες με έντονες μαγνητικές ιδιότητες, παρόμοιες με αυτές του σιδήρου. Τέτοιες ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνητικές. Το μαγνητικό τους πεδίο είναι αισθητό σε σημαντικές αποστάσεις (βλ. παραπάνω). Οι ουσίες που ονομάζονται παραμαγνητικές εμπίπτουν στη δεύτερη κατηγορία. Οι μαγνητικές τους ιδιότητες είναι γενικά παρόμοιες με εκείνες των σιδηρομαγνητικών υλικών, αλλά πολύ πιο αδύναμες. Για παράδειγμα, η δύναμη έλξης στους πόλους ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη μπορεί να τραβήξει ένα σιδερένιο σφυρί από τα χέρια σας και για να ανιχνεύσετε την έλξη μιας παραμαγνητικής ουσίας στον ίδιο μαγνήτη, κατά κανόνα χρειάζονται πολύ ευαίσθητες αναλυτικές ισορροπίες . Η τελευταία, τρίτη κατηγορία περιλαμβάνει τις λεγόμενες διαμαγνητικές ουσίες. Απωθούνται από ηλεκτρομαγνήτη, δηλ. η δύναμη που ασκεί στους διαμαγνήτες κατευθύνεται αντίθετα από αυτή που ασκεί στους σιδηρο- και παραμαγνήτες.
Μέτρηση μαγνητικών ιδιοτήτων.Στη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων, οι μετρήσεις δύο τύπων είναι πιο σημαντικές. Το πρώτο από αυτά είναι η μέτρηση της δύναμης που ασκείται στο δείγμα κοντά στον μαγνήτη. Έτσι προσδιορίζεται η μαγνήτιση του δείγματος. Η δεύτερη ομάδα περιλαμβάνει μετρήσεις «συντονιζόμενων» συχνοτήτων που σχετίζονται με τη μαγνήτιση της ύλης. Τα άτομα είναι μικροσκοπικά «γυροσκόπια» και βρίσκονται σε προεξοχή μαγνητικού πεδίου (όπως μια κανονική περιστρεφόμενη κορυφή υπό την επίδραση μιας ροπής που δημιουργείται από τη βαρύτητα) σε μια συχνότητα που μπορεί να μετρηθεί. Επιπλέον, μια δύναμη δρα σε ελεύθερα φορτισμένα σωματίδια που κινούνται σε ορθή γωνία προς τις γραμμές μαγνητικής επαγωγής, καθώς και στο ρεύμα ηλεκτρονίων σε έναν αγωγό. Αναγκάζει το σωματίδιο να κινείται σε μια κυκλική τροχιά της οποίας η ακτίνα δίνεται από το R = mv/eB, όπου m είναι η μάζα του σωματιδίου, v είναι η ταχύτητά του, e είναι το φορτίο του και B είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου. Η συχνότητα μιας τέτοιας κυκλικής κίνησης είναι ίση με
όπου το f μετριέται σε hertz, το e είναι σε κουλόμπ, το m είναι σε κιλά, το B είναι σε teslas. Αυτή η συχνότητα χαρακτηρίζει την κίνηση των φορτισμένων σωματιδίων σε μια ουσία σε ένα μαγνητικό πεδίο. Και οι δύο τύποι κίνησης (μετάπτωση και κίνηση σε κυκλικές τροχιές) μπορούν να διεγερθούν με εναλλασσόμενα πεδία με συχνότητες συντονισμού ίσες με τις «φυσικές» συχνότητες που χαρακτηρίζουν ένα δεδομένο υλικό. Στην πρώτη περίπτωση, ο συντονισμός ονομάζεται μαγνητικός και στη δεύτερη - κυκλοτρόνιο (ενόψει της ομοιότητας με την κυκλική κίνηση ενός υποατομικού σωματιδίου σε ένα κυκλοτρόνιο). Μιλώντας για τις μαγνητικές ιδιότητες των ατόμων, είναι απαραίτητο να δοθεί ιδιαίτερη προσοχή στη γωνιακή τους ορμή. Το μαγνητικό πεδίο δρα σε ένα περιστρεφόμενο ατομικό δίπολο, προσπαθώντας να το περιστρέψει και να το βάλει παράλληλα με το πεδίο. Αντίθετα, το άτομο αρχίζει να προχωρά γύρω από την κατεύθυνση του πεδίου (Εικ. 10) με συχνότητα που εξαρτάται από τη διπολική ροπή και την ισχύ του εφαρμοζόμενου πεδίου.
Η μετάπτωση των ατόμων δεν μπορεί να παρατηρηθεί άμεσα, αφού όλα τα άτομα του δείγματος προχωρούν σε διαφορετική φάση. Εάν, ωστόσο, εφαρμοστεί ένα μικρό εναλλασσόμενο πεδίο που κατευθύνεται κάθετα στο πεδίο σταθερής τάξης, τότε δημιουργείται μια ορισμένη σχέση φάσης μεταξύ των ατόμων που προηγούνται και η συνολική μαγνητική ροπή τους αρχίζει να προχωρά με συχνότητα ίση με τη συχνότητα της μετάπτωσης ενός μεμονωμένου μαγνητικές στιγμές. Η γωνιακή ταχύτητα μετάπτωσης έχει μεγάλη σημασία. Κατά κανόνα, αυτή η τιμή είναι της τάξης των 1010 Hz/T για τη μαγνήτιση που σχετίζεται με τα ηλεκτρόνια και της τάξης των 107 Hz/T για τη μαγνήτιση που σχετίζεται με θετικά φορτία στους πυρήνες των ατόμων. Ένα σχηματικό διάγραμμα της εγκατάστασης για παρατήρηση πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού (NMR) φαίνεται στο Σχ. 11. Η υπό μελέτη ουσία εισάγεται σε ένα ομοιόμορφο σταθερό πεδίο μεταξύ των πόλων. Εάν ένα πεδίο ραδιοσυχνοτήτων διεγείρεται στη συνέχεια με ένα μικρό πηνίο γύρω από τον δοκιμαστικό σωλήνα, μπορεί να επιτευχθεί συντονισμός σε μια ορισμένη συχνότητα, ίση με τη συχνότητα μετάπτωσης όλων των πυρηνικών «γυροσκόπιων» του δείγματος. Οι μετρήσεις είναι παρόμοιες με τον συντονισμό ενός ραδιοφωνικού δέκτη στη συχνότητα ενός συγκεκριμένου σταθμού.
Οι μέθοδοι μαγνητικού συντονισμού καθιστούν δυνατή τη μελέτη όχι μόνο των μαγνητικών ιδιοτήτων συγκεκριμένων ατόμων και πυρήνων, αλλά και των ιδιοτήτων του περιβάλλοντος τους. Το θέμα είναι ότι τα μαγνητικά πεδία στα στερεά και τα μόρια είναι ανομοιογενή, αφού παραμορφώνονται από ατομικά φορτία και οι λεπτομέρειες της πορείας της πειραματικής καμπύλης συντονισμού καθορίζονται από το τοπικό πεδίο στην περιοχή όπου βρίσκεται ο προηγούμενος πυρήνας. Αυτό καθιστά δυνατή τη μελέτη των χαρακτηριστικών της δομής ενός συγκεκριμένου δείγματος με μεθόδους συντονισμού.
Υπολογισμός μαγνητικών ιδιοτήτων.Η μαγνητική επαγωγή του γήινου πεδίου είναι 0,5 * 10 -4 Τ, ενώ το πεδίο μεταξύ των πόλων ενός ισχυρού ηλεκτρομαγνήτη είναι της τάξης των 2 Τ ή περισσότερο. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από οποιαδήποτε διαμόρφωση ρευμάτων μπορεί να υπολογιστεί χρησιμοποιώντας τον τύπο Biot - Savart - Laplace για τη μαγνητική επαγωγή του πεδίου που δημιουργείται από το στοιχείο ρεύματος. Ο υπολογισμός του πεδίου που δημιουργείται από περιγράμματα διαφόρων σχημάτων και κυλινδρικών πηνίων είναι σε πολλές περιπτώσεις πολύ περίπλοκος. Παρακάτω υπάρχουν τύποι για έναν αριθμό απλών περιπτώσεων. Η μαγνητική επαγωγή (σε teslas) του πεδίου που δημιουργείται από ένα μακρύ ευθύ καλώδιο με ρεύμα I (αμπέρ), σε απόσταση r (μέτρα) από το καλώδιο είναι
Η επαγωγή στο κέντρο ενός κυκλικού βρόχου ακτίνας R με ρεύμα I είναι (στις ίδιες μονάδες):
Ένα σφιχτά τυλιγμένο πηνίο σύρματος χωρίς πυρήνα σιδήρου ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα. Η μαγνητική επαγωγή που δημιουργείται από μια μακρά ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα με τον αριθμό των στροφών N σε ένα σημείο αρκετά απομακρυσμένο από τα άκρα του είναι ίση με
Εδώ, NI/L είναι ο αριθμός των αμπέρ (στροφές αμπέρ) ανά μονάδα μήκους της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας. Σε όλες τις περιπτώσεις, το μαγνητικό πεδίο του ρεύματος κατευθύνεται κάθετα σε αυτό το ρεύμα και η δύναμη που ασκεί το ρεύμα στο μαγνητικό πεδίο είναι κάθετη τόσο στο ρεύμα όσο και στο μαγνητικό πεδίο. Το πεδίο μιας μαγνητισμένης σιδερένιας ράβδου είναι παρόμοιο με το εξωτερικό πεδίο μιας μακράς ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας με τον αριθμό των στροφών αμπέρ ανά μονάδα μήκους που αντιστοιχεί στο ρεύμα στα άτομα στην επιφάνεια της μαγνητισμένης ράβδου, καθώς τα ρεύματα μέσα στη ράβδο ακυρώνουν το καθένα άλλο έξω (Εικ. 12). Με το όνομα Ampere, ένα τέτοιο επιφανειακό ρεύμα ονομάζεται Ampère. Η ένταση του μαγνητικού πεδίου Ha, που δημιουργείται από το ρεύμα Ampere, είναι ίση με τη μαγνητική ροπή του μοναδιαίου όγκου της ράβδου M.
Εάν εισαχθεί μια σιδερένια ράβδος στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, τότε εκτός από το γεγονός ότι το ρεύμα της ηλεκτρομαγνητικής βαλβίδας δημιουργεί μαγνητικό πεδίο Η, η διάταξη των ατομικών διπόλων στο μαγνητισμένο υλικό της ράβδου δημιουργεί μαγνήτιση M. Στην περίπτωση αυτή, η συνολική μαγνητική ροή καθορίζεται από το άθροισμα του πραγματικού και του ρεύματος Ampere, έτσι ώστε B = m0(H + Ha), ή B = m0(H + M). Ο λόγος M/H ονομάζεται μαγνητική επιδεκτικότητα και συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα c. Το c είναι μια αδιάστατη ποσότητα που χαρακτηρίζει την ικανότητα ενός υλικού να μαγνητίζεται σε μαγνητικό πεδίο.
Η τιμή B/H που χαρακτηρίζει τις μαγνητικές ιδιότητες
Το υλικό ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητα και συμβολίζεται με ma, όπου ma = m0m, όπου ma είναι η απόλυτη και m είναι η σχετική διαπερατότητα, m = 1 + c. Στις σιδηρομαγνητικές ουσίες, η τιμή του c μπορεί να έχει πολύ μεγάλες τιμές - έως και 10 4-10 6. Η τιμή του c για τα παραμαγνητικά υλικά είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από το μηδέν και για τα διαμαγνητικά υλικά είναι ελαφρώς μικρότερη. Μόνο στο κενό και σε πολύ ασθενή πεδία τα μεγέθη c και m είναι σταθερά και ανεξάρτητα από το εξωτερικό πεδίο. Η εξάρτηση της επαγωγής Β από το Η είναι συνήθως μη γραμμική και οι γραφικές παραστάσεις της, οι λεγόμενες. Οι καμπύλες μαγνήτισης για διαφορετικά υλικά και ακόμη και σε διαφορετικές θερμοκρασίες μπορεί να διαφέρουν σημαντικά (παραδείγματα τέτοιων καμπυλών φαίνονται στα Σχ. 2 και 3). Οι μαγνητικές ιδιότητες της ύλης είναι πολύ περίπλοκες και για την πλήρη κατανόηση της δομής τους απαιτείται ενδελεχής ανάλυση της δομής των ατόμων, των αλληλεπιδράσεων τους στα μόρια, των συγκρούσεων στα αέρια και της αμοιβαίας επιρροής τους σε στερεά και υγρά. οι μαγνητικές ιδιότητες των υγρών εξακολουθούν να είναι οι λιγότερο μελετημένες. - πεδία με ισχύ Н?0,5=1,0 ME (το όριο είναι υπό όρους). Η χαμηλότερη τιμή του S. m. p. αντιστοιχεί στο μέγ. η τιμή του σταθερού πεδίου = 500 kOe, στο οποίο μπορείτε να προσπελάσετε με σύγχρονα. τεχνική, άνω πεδίο 1 ΜΕ, ακόμη και βραχυπρόθεσμα. κρούση στο κέρατο ...... Φυσική Εγκυκλοπαίδεια
Κλάδος της φυσικής που μελετά τη δομή και τις ιδιότητες των στερεών. Επιστημονικά δεδομένα για τη μικροδομή των στερεών και για τις φυσικές και χημικές ιδιότητες των συστατικών τους ατόμων είναι απαραίτητα για την ανάπτυξη νέων υλικών και τεχνικών συσκευών. Η φυσικη ... ... Εγκυκλοπαίδεια Collier
Κλάδος φυσικής που καλύπτει γνώσεις στατικού ηλεκτρισμού, ηλεκτρικών ρευμάτων και μαγνητικών φαινομένων. ΗΛΕΚΤΡΟΣΤΑΤΙΚΗ Η ηλεκτροστατική ασχολείται με φαινόμενα που σχετίζονται με ηλεκτρικά φορτία ηρεμίας. Η παρουσία δυνάμεων που δρουν μεταξύ ... ... Εγκυκλοπαίδεια Collier
- (από την αρχαία ελληνική φυσική φύση). Οι αρχαίοι ονόμαζαν φυσική κάθε μελέτη του γύρω κόσμου και των φυσικών φαινομένων. Αυτή η κατανόηση του όρου φυσική διατηρήθηκε μέχρι τα τέλη του 17ου αιώνα. Αργότερα, εμφανίστηκαν μια σειρά από ειδικούς κλάδους: η χημεία, η οποία μελετά τις ιδιότητες του ... ... Εγκυκλοπαίδεια Collier
Ο όρος ροπή σε σχέση με άτομα και ατομικούς πυρήνες μπορεί να σημαίνει τα εξής: 1) ροπή σπιν, ή σπιν, 2) μαγνητική διπολική ροπή, 3) ηλεκτρική τετραπολική ροπή, 4) άλλες ηλεκτρικές και μαγνητικές ροπές. ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ… … Εγκυκλοπαίδεια Collier
Ηλεκτρικό ανάλογο σιδηρομαγνητισμού. Ακριβώς όπως στις σιδηρομαγνητικές ουσίες, όταν τοποθετούνται σε μαγνητικό πεδίο, εμφανίζεται υπολειπόμενη μαγνητική πόλωση (στιγμή), στα σιδηροηλεκτρικά διηλεκτρικά που τοποθετούνται σε ηλεκτρικό πεδίο, ... ... Εγκυκλοπαίδεια Collier
Χρησιμοποιούμε cookies για την καλύτερη παρουσίαση του ιστότοπού μας. Συνεχίζοντας να χρησιμοποιείτε αυτόν τον ιστότοπο, συμφωνείτε με αυτό. Εντάξει