Magnetne lastnosti snovi. Razvrstitev snovi z magnetnimi lastnostmi

Tako ali drugače imajo vsi materiali magnetne lastnosti, saj so te lastnosti odraz strukturnih vzorcev, ki so značilni za materijo na mikro ravni. Značilnosti strukture povzročajo razlike v magnetnih lastnostih snovi, to je v naravi njihove interakcije z magnetnim poljem.

Struktura snovi in ​​magnetizem

Prvo teorijo, ki razlaga naravo magnetizma preko medsebojne povezanosti električnih in magnetnih pojavov, je ustvaril francoski fizik J.-M. Ampere v 20. letih XIX. Stoletja. V okviru te teorije je Ampere predlagal prisotnost mikroskopskih zaprtih tokov v fizičnih telesih, ki se običajno medsebojno kompenzirajo. Toda za snovi z magnetnimi lastnostmi takšni "molekularni tokovi" ustvarjajo površinski tok, zaradi česar material postane trajni magnet. Ta hipoteza ni bila potrjena, z izjemo ene zelo pomembne ideje - o mikro tokovih kot virih magnetnih polj.

Mikro tok v materiji obstaja zaradi gibanja elektronov v atomih in ustvarjanja magnetnega momenta. Poleg tega imajo elektroni svoj magnetni moment kvantne narave.

Celoten magnetni moment snovi, to je agregat elementarnih tokov v njem, glede na volumen enote, določa stanje magnetizacije makroskopskega telesa. Za večino snovi so momenti delcev usmerjeni naključno (toplotne kaotične oscilacije imajo pri tem vodilno vlogo) in magnetizacija je skoraj nič.

Obnašanje snovi v magnetnem polju

Pod vplivom zunanjega magnetnega polja vektorji magnetnih momentov delcev spreminjajo smer - telo je magnetizirano in v njem se pojavi lastno magnetno polje. Narava te spremembe in njena intenzivnost, ki določata magnetne lastnosti snovi, je posledica različnih dejavnikov:

• strukturne značilnosti elektronskih lupin v atomih in molekulah snovi;
• interatomske in medmolekularne interakcije;
• lastnosti struktur kristalne mreže (anizotropija);
• temperatura snovi;
• intenzivnost in konfiguracijo magnetnega polja in tako naprej.

Magnetizacija snovi je sorazmerna jakost magnetnega polja v njem. Njihovo razmerje je določeno s posebnim koeficientom - magnetno občutljivostjo. Pri vakuumu je nič, nekatere snovi so negativne.

Vrednost, ki označuje razmerje med magnetno indukcijo in poljsko jakostjo v snovi, se običajno imenuje magnetna prepustnost. V vakuumu se indukcija in intenzivnost ujemata in njegova prepustnost je enaka enoti. Magnetno prepustnost snovi se lahko izrazi kot relativna vrednost. To je razmerje med njegovimi absolutnimi vrednostmi za dano snov in za vakuum (slednja vrednost se upošteva kot magnetna konstanta).

Razvrstitev snovi z magnetnimi lastnostmi

Glede na vrsto obnašanja različnih trdnih materialov, tekočin, plinov v magnetnem polju, se razlikuje več skupin:

• diamagnetni;
• paramagnetni;
• ferromagneti;
• ferimagnetiki;
• antiferromagnetiki.

Glavne magnetne lastnosti snovi, ki so podlaga za razvrstitev, so magnetna občutljivost in magnetna prepustnost. Opišemo osnovne lastnosti, ki so lastne vsaki skupini.

Diamagnetiki

Zaradi nekaterih strukturnih značilnosti elektronskih oblakov atomi (ali molekule) diamagnetnih materialov nimajo magnetnega momenta. Pojavi se, ko se prikaže zunanje polje. Inducirano, inducirano polje ima nasprotno smer in rezultantno polje je nekoliko šibkejše od zunanjega. Res je, da ta razlika ne more biti pomembna.

Magnetna susceptibilnost diamagnetnih se izraža z negativnimi številkami z redom velikosti od 10 ^-4 do 10 ^-6 in ni odvisna od poljske jakosti; magnetna prepustnost je nižja od vakuumske, za enak red velikosti.

Oblikovanje neenakomernega magnetnega polja vodi do tega, da diamagnetik potiska s tega polja, saj se nagiba k premiku na območje, kjer je polje šibkejše. Učinek diamagnetnega levitiranja temelji na tej lastnosti magnetnih lastnosti snovi te skupine.

Diamagnetni predstavljajo obsežno skupino snovi. Vključuje kovine, kot so baker, cink, zlato, srebro, bizmut. Vključuje tudi silicij, germanij, fosfor, dušik, vodik, inertne pline. Od kompleksnih snovi - voda, veliko soli, organske spojine. Idealni diamagneti so superprevodniki. Njihova magnetna prepustnost je nič. Polje v superprevodniku ne more prodreti.

Paramagnetiki

Za snovi, ki spadajo v to skupino, je značilna pozitivna magnetna susceptibilnost (zelo nizka, reda 10 ^-5 - 10 ^-6 ). Magnetizirani so vzporedno z vektorjem uporabljenega polja, to pomeni, da so v njej vlečeni, toda interakcija paramagnetnega z njim je zelo šibka, kot v diamagnetnem. Njihova magnetna prepustnost je blizu vrednosti vakuumske prepustnosti, le malo jo presega.

V odsotnosti zunanjega polja paramagnetni materiali praviloma nimajo magnetizacije: njihovi atomi imajo svoje magnetne momente, vendar so zaradi toplotnih nihanj naključno usmerjeni. Pri nizkih temperaturah imajo lahko paramagnetni materiali svojo majhno magnetizacijo, ki je močno odvisna od zunanjih vplivov. Vendar je vpliv toplotnega gibanja prevelik, zaradi česar se elementarni magnetni momenti paramagnetnih materialov nikoli ne postavijo natančno v smeri polja. To je razlog za njihovo nizko magnetno občutljivost.

Pomembno vlogo igrajo tudi sile medatomskih in medmolekularnih interakcij, ki prispevajo ali nasprotujejo urejanju elementarnih magnetnih momentov. To povzroča široko paleto magnetnih lastnosti snovi paramagnetnih materialov.

Ta skupina snovi vključuje veliko kovin, kot so volfram, aluminij, mangan, natrij, magnezij. Paramagnetni so kisik, železne soli, nekateri oksidi.

Ferromagnetiki

Obstaja majhna skupina snovi, ki imajo zaradi posebnosti strukture zelo velike magnetne lastnosti. Prvo kovino, v kateri so bile odkrite te lastnosti, je bilo železo, in zahvaljujoč mu je bila ta skupina dobila ime feromagnetizma.

Za strukturo ferromagnetov je značilna prisotnost posebnih struktur - domen. To so področja, kjer se magnetizacija spontano oblikuje. Zaradi posebnosti medatomskih in medmolekularnih interakcij, ferromagneti vzpostavljajo najbolj energijsko ugodno razporeditev atomskih in elektronskih magnetnih momentov. Vzpostavijo vzporedno smer v tako imenovanih smereh lahke magnetizacije. Vendar pa celoten volumen, na primer železnega kristala, ne more pridobiti enosmerne spontane magnetizacije - to bi povečalo celotno energijo sistema. Zato je sistem razdeljen na odseke, katerih spontana magnetizacija, ki se v feromagnetnem telesu medsebojno kompenzira. Tako se oblikujejo domene.

Magnetna susceptibilnost ferromagnetov je izjemno visoka, lahko je od nekaj deset do več sto tisoč in je v veliki meri odvisna od moči zunanjega polja. Razlog za to je, da je usmeritev domen v smeri polja tudi energetsko ugodna. Smer vektorja magnetizacije dela domen bo nujno sovpadala z vektorjem poljske jakosti, njihova energija pa bo najmanjša. Takšna območja rastejo, hkrati pa se zmanjšujejo nedonosna usmerjena področja. Magnetizacija se poveča in magnetna indukcija se poveča. Proces je neenakomeren, graf povezave indukcije z intenzivnostjo zunanjega polja pa se imenuje magnetna krivulja feromagnetne snovi.

Ko se temperatura dvigne na določeno mejno vrednost, imenovano Curiejeva točka, se domena struktura zaradi povečanega toplotnega gibanja moti. V teh pogojih ima feromagnet paramagnetne lastnosti.

Poleg železa in jekla so feromagnetne lastnosti del kobalta in niklja, nekaterih zlitin in redke zemeljske kovine.

Ferrimagnetiki in antiferromagneti

Domenska struktura je značilna tudi za dve vrsti magnetnih materialov, magnetni momenti v njih pa so usmerjeni v antiparalelno. To so skupine, kot so:

• Antiferromagnetiki. Magnetni momenti domen v teh snoveh so enaki številčni vrednosti in se medsebojno kompenzirajo. Zaradi tega so za magnetne lastnosti materialov antiferomagnetov značilna izredno nizka magnetna susceptibilnost. V zunanjem polju se manifestirajo kot zelo šibki paramagnetiki. Nad temperaturo praga, imenovano točka Neel, taka snov postane navaden paramagnetni. Antiferromagneti so krom, mangan, nekatere redke zemeljske kovine, aktinidi. Nekatere antiferomagnetne zlitine imajo dve Neel točki. Ko je temperatura pod spodnjim pragom, postane material feromagnetni.
• Ferrimagnetics. Za snovi tega razreda magnitude magnetnih momentov različnih strukturnih enot niso enake, zaradi česar se ne pojavlja njihova medsebojna kompenzacija. Njihova magnetna susceptibilnost je odvisna od temperature in intenzivnosti magnetizacijskega polja. Ferimagnetiki vključujejo ferite, ki vključujejo železov oksid.

Koncept histereze. Trajni magnetizem

Feromagnetni in ferimagnetni materiali imajo lastnost preostale magnetizacije. Ta lastnost je posledica pojava histereze - lag. Njegovo bistvo je v zaostajanju spremembe magnetizacije materiala iz spremembe zunanjega polja. Če se pri doseganju nasičenosti poljska jakost zmanjša, se magnetizacija ne bo spremenila v skladu z magnetizacijsko krivuljo, ampak na bolj nežen način, saj ostaja pomemben del domen usmerjen glede na vektor polja. Zaradi tega pojava obstajajo trajni magneti.

Razmikanje se pojavi, ko polje spremeni smer, ko doseže določeno vrednost, ki se imenuje prisilna sila. Večja kot je njegova vrednost, boljša je snov, ki zadrži preostalo magnetizacijo. Zaprtje histerezne zanke se pojavi z naslednjo spremembo napetosti v smeri in velikosti.

Magnetna trdota in mehkoba

Pojav histereze močno vpliva na magnetne lastnosti materialov. Snovi, pri katerih se poveča zanka na grafikonu histereze, ki zahteva znatno prisilno silo za demagnetizacijo, se imenujejo magnetno trdni materiali z ozko zanko, ki jih je veliko lažje demagnetizirati - magnetno mehko.

V izmeničnih poljih je magnetna histereza zelo svetla. Vedno ga spremlja toplota. Poleg tega se v izmeničnem magnetnem polju v magnetnem polju pojavijo vrtinčni indukcijski tokovi, ki oddajajo posebno veliko količino toplote.

Številni feromagneti in ferimagneti se uporabljajo v opremi, ki deluje na izmenični tok (npr. Jedra elektromagneta) in se med delovanjem ponovno magnetizirajo. Da bi zmanjšali izgube energije zaradi histereze in dinamičnih izgub na vrtinčne tokove, se v takšni opremi uporablja magnetna oprema, kot je čiste železo, feriti, električna jekla in zlitine (npr. Permalloy). Obstajajo tudi drugi načini za zmanjšanje izgube energije.

Trde trdne snovi, nasprotno, se uporabljajo v opremi, ki deluje na konstantnem magnetnem polju. Ohranijo preostalo magnetizacijo precej dlje, vendar jih je težje magnetizirati do nasičenja. Mnogi od njih so trenutno kompoziti različnih vrst, na primer kovinsko-keramični ali neodimski magneti.

Malo več o uporabi magnetnih materialov.

Sodobne visokotehnološke industrije zahtevajo uporabo magnetov, izdelanih iz strukturnih materialov, vključno s kompozitnimi materiali z določenimi magnetnimi lastnostmi snovi. To so na primer magnetni nanokompoziti feromagnetnega superprevodnika ali feromagnetni paramagnet, ki se uporablja v spintroniki, ali magnetopolimeri - geli, elastomeri, lateksi, ferrofluidi, ki se pogosto uporabljajo.

Različne magnetne zlitine so prav tako zelo zahtevne. Neodim-železo-borovo zlitino odlikuje visoka odpornost na razmagnetenje in moč: zgoraj omenjeni neodimski magneti, ki so danes najmočnejši stalni magneti, se uporabljajo v najrazličnejših panogah, kljub nekaterim pomanjkljivostim, kot je krhkost. Uporabljajo se v magnetnih resonančnih aparatih, vetrnih turbinah, pri čiščenju tehničnih tekočin in dvigovanju težkih bremen.

Zelo zanimive so možnosti uporabe antiferromagnetov v nizko temperaturnih nanostrukturah za izdelavo spominskih celic, ki lahko znatno povečajo gostoto snemanja, ne da bi pri tem motili stanje sosednjih bitov.

Predvidevati je treba, da se bo uporaba magnetnih lastnosti snovi z danimi lastnostmi vse bolj razširila in zagotovila resne tehnološke preboje na različnih področjih.