Магнетне особине супстанци. Класификација супстанци помоћу магнетних својстава

На овај или онај начин, сви материјали имају магнетна својства, јер су та својства одраз структуралних образаца својствених материји на микро нивоу. Карактеристике структуре узрокују разлике у магнетним својствима супстанци, тј. У природи њихове интеракције са магнетним пољем.

Структура материје и магнетизам

Прву теорију која објашњава природу магнетизма кроз међудјеловање електричних и магнетских појава створила је француска физичарка Ј.-М. Ампере 20-тих година КСИКС века. У оквиру те теорије, Ампере је сугерисао присуство микроскопских затворених струја у физичким телима, које се обично компензују. Али за супстанце са магнетним својствима, такве "молекуларне струје" стварају површинску струју, као резултат тога материјал постаје перманентни магнет. Ова хипотеза није потврђена, са изузетком једне веома важне идеје - о микро струјама као изворима магнетних поља.

Микрокуре у материји постоје због кретања електрона у атомима и стварања магнетног момента. Поред тога, електрони имају свој магнетни момент квантне природе.

Укупни магнетни моменат супстанце, односно агрегата елементарних струја у њој, у односу на јединичну запремину, одређује стање магнетизације макроскопског тела. За већину супстанци, моменти честица су оријентисани случајно (термичка каотична осцилација игра главну улогу у томе), а магнетизација је скоро нула.

Понашање супстанце у магнетном пољу

Под дејством спољашњег магнетног поља вектори магнетних момената честица мењају правац - тело је магнетизовано и у њему се појављује сопствено магнетно поље. Природа ове промене и њен интензитет, који одређују магнетна својства супстанци, последица су различитих фактора:

• структурне карактеристике електронских љуски у атомима и молекулима материје;
• интератомске и интермолекуларне интеракције;
• карактеристике структуре кристалне решетке (анизотропија);
• температура супстанце;
• интензитет и конфигурација магнетног поља и тако даље.

Магнетизација супстанце је пропорционална јачина магнетног поља у њему. Њихов однос је одређен посебним коефицијентом - магнетном осетљивошћу. У вакууму је нула, неке супстанце су негативне.

Вредност која карактерише однос магнетне индукције и јачине поља у супстанци се обично назива магнетна пермеабилност. У вакууму се индукција и интензитет поклапају, а његова пропусност је једнака јединству. Магнетска пермеабилност неке супстанце може се изразити као релативна вредност. То је однос његових апсолутних вредности за дату супстанцу и за вакуум (последња вредност се узима као магнетна константа).

Класификација супстанци помоћу магнетних својстава

Према типу понашања разних чврстих материјала, течности, гасова у магнетном пољу, издваја се неколико група:

• диамагнетиц;
• парамагнетиц;
• ферромагнетс;
• ферримагнетицс;
• антиферромагнетици.

Главне магнетне карактеристике супстанце на којој се заснива класификација су магнетна сусцептибилност и магнетска пермеабилност. Описујемо основне особине својствене свакој групи.

Диамагнетицс

Због неких структурних особина електронских облака, атоми (или молекули) диамагнетских материјала немају магнетни момент. Појављује се када се појави вањско поље. Индуцирано, индуковано поље има супротан смер, а резултујуће поље је нешто слабије од спољашњег. Истина, ова разлика не може бити значајна.

Магнетска сусцептибилност диамагнетика изражена је негативним бројевима реда величине од 10 ^-4 до 10 ^-6 и не зависи од јачине поља; Магнетска пермеабилност је нижа од вакуума, истим редом величине.

Наметање неједнаког магнетног поља доводи до чињенице да се ово поље избацује из диамагнетика, јер тежи да се помери у област где је поље слабије. Утицај дијамагнетног левитирања заснива се на овој карактеристици магнетних својстава супстанци ове групе.

Диамагнетни представљају велику групу супстанци. Укључује метале као што су бакар, цинк, злато, сребро, бизмут. Такође укључује силицијум, германијум, фосфор, азот, водоник, инертне гасове. Од комплексних супстанци - вода, многе соли, органска једињења. Идеални диамагнети су суправодичи. Њихова магнетна пермеабилност је нула. Поље унутар суперпроводника не може да продре.

Парамагнетицс

Супстанце које припадају овој групи карактерише позитивна магнетна сусцептибилност (веома ниска, реда 10 ^-5 - 10 ^-6 ). Оне су магнетизиране паралелно вектору примењеног поља, тј. Увучене су у њега, али је интеракција парамагнетског са њим веома слаба, као у диамагнетском. Њихова магнетна пермеабилност је близу вриједности пропусности вакуума, само мало надмашује.

У одсуству спољашњег поља, парамагнетски материјали, по правилу, не поседују магнетизацију: њихови атоми имају своје магнетне моменте, али су насумично оријентисани због топлотних осцилација. На ниским температурама, парамагнетски материјали могу имати своју малу магнетизацију, која је јако овисна о вањским утјецајима. Међутим, утицај топлотног кретања је превелик, због чега елементарни магнетни моменти парамагнетских материјала никада нису постављени тачно у правцу поља. То је разлог њихове ниске магнетне сусцептибилности.

Силе интератомских и интермолекуларних интеракција такође играју значајну улогу, или доприносе или, напротив, одупиру уређењу елементарних магнетних момената. То узрокује широк спектар магнетних својстава супстанце парамагнетских материјала.

Ова група супстанци укључује многе метале, као што су волфрам, алуминијум, манган, натријум, магнезијум. Парамагнетски су кисеоник, соли гвожђа, неки оксиди.

Ферромагнетици

Постоји мала група супстанци које, због специфичности структуре, имају веома велика магнетна својства. Први метал у којем су откривени ови квалитети је жељезо, а захваљујући њему ова група добила је назив феромагнетик.

Структуру феромагнета карактерише присуство посебних структура - домена. То су области где се магнетизација спонтано формира. Због специфичности интератомских и интермолекуларних интеракција, ферромагнети успостављају енергетски најповољнији распоред атомских и електронских магнетних момената. Они стичу паралелни правац у такозваним правцима лаке магнетизације. Међутим, читав волумен, на пример, кристала гвожђа не може стећи једносмерну спонтану магнетизацију - то би повећало укупну енергију система. Због тога је систем подељен на секције, чија се спонтана магнетизација у феромагнетном телу међусобно компензира. Овако се формирају домени.

Магнетска сусцептибилност феромагнета је изузетно висока, може бити од неколико десетина до стотина хиљада, иу великој мери зависи од јачине спољашњег поља. Разлог за то је да се оријентација домена у правцу поља такође испостави да је енергетски повољна. Смјер вектора магнетизације дијела домена нужно ће се подударати с вектором јакости поља, а њихова енергија ће бити најмања. Таква подручја расту и истовремено се смањују непрофитабилни оријентисани домени. Магнетизација се повећава и магнетна индукција се повећава. Процес је неравномеран, а граф повезаности индукције са интензитетом спољашњег поља назива се крива магнетизације феромагнетне супстанце.

Када се температура подигне до одређене граничне вредности, која се назива Цуриеова тачка, доменска структура је поремећена због повећаног топлотног кретања. Под овим условима, феромагнетик показује парамагнетска својства.

Поред гвожђа и челика, феромагнетна својства су својствена кобалту и никлу, неким легурама и метали ретке земље.

Ферримагнетици и антиферромагнети

Структура домена је такође карактеристична за два типа магнетних материјала, али магнетни моменти у њима су оријентисани антипаралелно. То су групе као што су:

• Антиферромагнетици. Магнетни моменти домена у овим супстанцама су једнаки у нумеричкој вредности и међусобно компензовани. Из тог разлога, магнетна својства материјала антиферромагнета се одликују екстремно ниском магнетном осетљивошћу. У спољашњем пољу, они се манифестују као веома слаби парамагнетици. Изнад граничне температуре, назване Нееловом тачком, таква супстанца постаје обичан парамагнетски. Антиферромагнети су хром, манган, неки ретки земни метали, актиниди. Неке антиферомагнетне легуре имају две Неел тачке. Када је температура испод доњег прага, материјал постаје феромагнетски.
• Ферримагнетицс. За супстанце ове класе магнитуде магнетних момента различитих структурних јединица нису једнаке, због чега се не појављује њихова узајамна компензација. Њихова магнетна сусцептибилност зависи од температуре и интензитета магнетизирајућег поља. Феримагнетици укључују ферите, који укључују оксид гвожђа.

Концепт хистерезе. Трајни магнетизам

Феромагнетски и ферримагнетни материјали имају својство резидуалне магнетизације. Ово својство је резултат феномена хистерезе - лаг. Његова суштина се састоји у заостајању промене магнетизације материјала од промене у спољашњем пољу. Ако се при достизању засићења јакост поља смањи, магнетизација се неће мијењати у складу са кривуљом магнетизације, већ на благији начин, јер значајан дио домена остаје оријентисан према вектору поља. Због овог феномена постоје стални магнети.

Дегауссинг се дешава када поље мења правац, када достигне одређену вредност, назива се присилна (ретардирајућа) сила. Што је већа његова вриједност, то је твар боље задржала преосталу магнетизацију. Затварање петље хистерезе јавља се са следећом променом напетости у правцу и величини.

Магнетна тврдоћа и мекоћа

Феномен хистерезе увелико утиче на магнетна својства материјала. Супстанце у којима је петља на графу хистерезе проширена, захтевајући значајну силу за демагнетизацију, називају се магнетски тврдим материјалима са уском петљом, која се много лакше демагнетизују - магнетски мека.

У наизменичним пољима, магнетна хистереза ​​је посебно светла. Увек је праћено топлотом. Поред тога, у измјеничном магнетном пољу у магнетном пољу јављају се вртложне индукцијске струје које емитирају посебно велику количину топлине.

Многи ферромагнети и феримагнети се користе у опреми која ради на наизменичној струји (на пример, језгре електромагнета) и током рада се ремагнетизују. Да би се смањили губици енергије због хистерезе и динамичких губитака вртложних струја, у таквој опреми се користе магнетна опрема као што је чисто гвожђе, ферити, електрични челици и легуре (на пример пермаллои). Постоје и други начини за смањење губитака енергије.

Тврде чврсте материје, насупрот томе, користе се у опреми која ради на сталном магнетном пољу. Они задржавају своју преосталу магнетизацију много дуже, али их је теже магнетизирати до засићења. Многи од њих су тренутно композити различитих типова, на пример, метал-керамички или неодимијумски магнети.

Мало више о употреби магнетних материјала.

Модерне високотехнолошке индустрије захтијевају употребу магнета произведених од структурних материјала, укључујући композитне материјале са специфицираним магнетним својствима твари. То су, на пример, магнетни нанокомпозити феромагнета-суперпроводника или феромагнетик-парамагнет који се користе у спинтроникама, или магнетополимери - гелови, еластомери, латекси, феррофлуиди, који се широко користе.

Различите магнетне легуре су такође изузетно тражене. Неодимијум-гвожђе-бор легура се одликује високом отпорношћу на демагнетизацију и снагу: горе поменути неодимијумски магнети, који су данас најмоћнији стални магнети, користе се у разним индустријама, упркос присутности неких недостатака, као што је крхкост. Користе се у магнетном резонантном апарату, ветрогенераторима, при чишћењу техничких течности и подизању тешких терета.

Веома интересантне су перспективе за употребу антиферромагнета у нискотемпературним наноструктурама за производњу ћелија меморије, које могу значајно повећати густоћу снимања без ометања стања суседних битова.

Мора се претпоставити да ће се примена магнетних својстава супстанци са датим карактеристикама све више ширити и омогућити озбиљна технолошка открића у различитим пољима.