მასალის მაგნიტური თვისებები არის ფიზიკური ფენომენების კლასი, რომელიც შუამავალია ველებით. ელექტრული დენები და ელემენტარული ნაწილაკების მაგნიტური მომენტები წარმოქმნიან ველს, რომელიც მოქმედებს სხვა დენებზე. ყველაზე ნაცნობი ეფექტები წარმოიქმნება ფერომაგნიტურ მასალებში, რომლებიც ძლიერად იზიდავს მაგნიტურ ველებს და შეიძლება მუდმივად მაგნიტიზდეს, რაც თავად ქმნის დამუხტულ ველებს.
მხოლოდ რამდენიმე ნივთიერებაა ფერომაგნიტური. კონკრეტულ ნივთიერებაში ამ ფენომენის განვითარების დონის დასადგენად, არსებობს მასალების კლასიფიკაცია მაგნიტური თვისებების მიხედვით. ყველაზე გავრცელებულია რკინა, ნიკელი და კობალტი და მათი შენადნობები. პრეფიქსი ferro- ეხება რკინას, რადგან მუდმივი მაგნიტიზმი პირველად დაფიქსირდა ცარიელ რკინაში, ბუნებრივი რკინის მადნის ფორმას, რომელსაც ეწოდება მასალის მაგნიტური თვისებები, Fe3O4..
პარამაგნიტური მასალები
თუმცაფერომაგნეტიზმი პასუხისმგებელია მაგნიტიზმის ეფექტების უმეტესობაზე, რომლებიც გვხვდება ყოველდღიურ ცხოვრებაში, ყველა სხვა მასალაზე გარკვეულწილად მოქმედებს ველი, ისევე როგორც მაგნეტიზმის ზოგიერთი სხვა სახეობა. პარამაგნიტური ნივთიერებები, როგორიცაა ალუმინი და ჟანგბადი, სუსტად იზიდავს გამოყენებული მაგნიტური ველისკენ. დიამაგნიტური ნივთიერებები, როგორიცაა სპილენძი და ნახშირბადი, სუსტად მოგერიდებათ.
მიუხედავად იმისა, რომ ანტიფერომაგნიტურ მასალებს, როგორიცაა ქრომი და დაწნული სათვალეები, უფრო რთული ურთიერთობა აქვთ მაგნიტურ ველთან. მაგნიტის სიძლიერე პარამაგნიტურ, დიამაგნიტურ და ანტიფერომაგნიტურ მასალებზე, როგორც წესი, ზედმეტად სუსტია შესამჩნევად და მისი აღმოჩენა შესაძლებელია მხოლოდ ლაბორატორიული ინსტრუმენტებით, ამიტომ ეს ნივთიერებები არ შედის მაგნიტური თვისებების მქონე მასალების სიაში.
პირობები
მასალის მაგნიტური მდგომარეობა (ან ფაზა) დამოკიდებულია ტემპერატურაზე და სხვა ცვლადებზე, როგორიცაა წნევა და გამოყენებული მაგნიტური ველი. მასალას შეუძლია აჩვენოს მაგნეტიზმის ერთზე მეტი ფორმა, რადგან ეს ცვლადები იცვლება.
ისტორია
მასალის მაგნიტური თვისებები პირველად აღმოაჩინეს ძველ სამყაროში, როდესაც ადამიანებმა შენიშნეს, რომ მაგნიტებს, მინერალების ბუნებრივად მაგნიტიზებულ ნაწილებს, შეუძლიათ რკინის მიზიდვა. სიტყვა "მაგნიტი" მომდინარეობს ბერძნული ტერმინიდან Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "მაგნეზიური ქვა, ფეხის ქვა"..
ძველ საბერძნეთში, არისტოტელემ მიაწერა პირველი, რასაც შეიძლება ეწოდოს მეცნიერული დისკუსია მასალების მაგნიტური თვისებების შესახებ,ფილოსოფოსი თალეს მილეტელი, რომელიც ცხოვრობდა ჩვენს წელთაღრიცხვამდე 625 წლიდან. ე. 545 წლამდე ე. უძველესი ინდური სამედიცინო ტექსტი სუშრუტა სამჰიტა აღწერს მაგნეტიტის გამოყენებას ადამიანის სხეულში ჩასმული ისრების მოსაშორებლად.
ძველი ჩინეთი
ძველ ჩინეთში, მასალების ელექტრული და მაგნიტური თვისებების შესახებ ყველაზე ადრეული ლიტერატურული ცნობა ნაპოვნია ძვ. ნემსის მოზიდვის შესახებ ყველაზე ადრე ნახსენებია I საუკუნის ნაშრომში Lunheng (დაბალანსებული მოთხოვნები): "მაგნიტი იზიდავს ნემსს."
მე-11 საუკუნის ჩინელი მეცნიერი შენ კუო იყო პირველი ადამიანი, ვინც აღწერა - Dream Pool Essay-ში - მაგნიტური კომპასი ნემსით და რომ მან გააუმჯობესა ნავიგაციის სიზუსტე ასტრონომიული მეთოდებით. ჭეშმარიტი ჩრდილოეთის კონცეფცია. მე-12 საუკუნისთვის ჩინელები ცნობილი იყვნენ, რომ იყენებდნენ მაგნიტის კომპასს ნავიგაციისთვის. მათ მოამზადეს წამყვანი კოვზი ქვისგან ისე, რომ კოვზის სახელური ყოველთვის სამხრეთისაკენ იყო მიმართული.
შუა საუკუნეები
ალექსანდრე ნეკამი, 1187 წლისთვის, იყო პირველი ევროპაში, ვინც აღწერა კომპასი და მისი გამოყენება ნავიგაციისთვის. ამ მკვლევარმა პირველად ევროპაში საფუძვლიანად დაადგინა მაგნიტური მასალების თვისებები. 1269 წელს პიტერ პერეგინ დე მარიკურმა დაწერა Epistola de magnete, პირველი შემორჩენილი ტრაქტატი, რომელიც აღწერს მაგნიტების თვისებებს. 1282 წელს კომპასების და სპეციალური მაგნიტური თვისებების მქონე მასალების თვისებები აღწერა ალ-აშრაფმა, იემენელმა ფიზიკოსმა, ასტრონომმა და გეოგრაფმა.
რენესანსი
1600 წელს უილიამ გილბერტმა გამოაქვეყნამისი "მაგნიტური კორპუსი" და "მაგნიტური ტელურიუმი" ("მაგნიტზე და მაგნიტურ სხეულებზე და ასევე დედამიწის დიდ მაგნიტზე"). ამ ნაშრომში ის აღწერს თავის ბევრ ექსპერიმენტს დედამიწის მოდელზე, სახელად ტერელა, რომლითაც მან ჩაატარა კვლევა მაგნიტური მასალების თვისებებზე.
მისი ექსპერიმენტებიდან ის მივიდა იმ დასკვნამდე, რომ დედამიწა თავისთავად მაგნიტურია და სწორედ ამიტომ იყო მიმართული კომპასები ჩრდილოეთით (ადრე ზოგიერთს სჯეროდა, რომ ეს იყო პოლარული ვარსკვლავი (პოლარისი) ან დიდი მაგნიტური კუნძული ჩრდილოეთით. პოლუსი, რომელმაც მიიზიდა კომპასი).
ახალი დრო
ელექტროენერგიისა და სპეციალური მაგნიტური თვისებების მქონე მასალებს შორის ურთიერთობის გაგება გამოჩნდა 1819 წელს კოპენჰაგენის უნივერსიტეტის პროფესორის ჰანს კრისტიან ოერსტედის ნაშრომში, რომელმაც მავთულის მახლობლად კომპასის ნემსის შემთხვევით გადატრიალებით აღმოაჩინა, რომ ელ. დენს შეუძლია შექმნას მაგნიტური ველი. ეს საეტაპო ექსპერიმენტი ცნობილია როგორც Oersted Experiment. კიდევ რამდენიმე ექსპერიმენტი მოჰყვა ანდრე-მარი ამპერს, რომელმაც 1820 წელს აღმოაჩინა, რომ მაგნიტური ველი, რომელიც ცირკულირებს დახურულ გზაზე, დაკავშირებულია დენთან, რომელიც მიედინება ბილიკის პერიმეტრზე.
კარლ ფრიდრიხ გაუსი მაგნეტიზმის შესწავლით იყო დაკავებული. ჟან-ბატისტ ბიომ და ფელიქს სავარტმა 1820 წელს გამოიტანეს ბიო-სავარტის კანონი, რომელიც იძლევა სასურველ განტოლებას. მაიკლ ფარადეი, რომელმაც 1831 წელს აღმოაჩინა, რომ დროში ცვალებადი მაგნიტური ნაკადი მავთულის მარყუჟში იწვევდა ძაბვას. და სხვა მეცნიერებმა აღმოაჩინეს შემდგომი კავშირი მაგნიტიზმსა და ელექტროენერგიას შორის.
XX საუკუნე და ჩვენიდრო
ჯეიმს კლერკმა მაქსველმა სინთეზირა და გააფართოვა მაქსველის განტოლებების ეს გაგება ელექტრომაგნიტიზმის სფეროში ელექტროენერგიის, მაგნეტიზმისა და ოპტიკის გაერთიანებით. 1905 წელს აინშტაინმა გამოიყენა ეს კანონები თავისი სპეციალური ფარდობითობის თეორიის მოტივაციისთვის და მოითხოვა, რომ კანონები მართებული ყოფილიყო ყველა ინერციულ საცნობარო სისტემაში.
ელექტრომაგნეტიზმი განაგრძობდა განვითარებას 21-ე საუკუნეში, ჩართული იყო ლიანდაგის თეორიის უფრო ფუნდამენტურ თეორიებში, კვანტურ ელექტროდინამიკაში, ელექტროსუსტ თეორიაში და ბოლოს სტანდარტულ მოდელში. დღესდღეობით, მეცნიერები უკვე სწავლობენ ნანოსტრუქტურული მასალების მაგნიტურ თვისებებს. მაგრამ ყველაზე დიდი და საოცარი აღმოჩენები ამ სფეროში ალბათ ჯერ კიდევ წინ გველოდება.
არსი
მასალების მაგნიტური თვისებები ძირითადად განპირობებულია მათი ატომების ორბიტალური ელექტრონების მაგნიტური მომენტებით. ატომის ბირთვების მაგნიტური მომენტები, როგორც წესი, ათასობითჯერ უფრო მცირეა, ვიდრე ელექტრონების, და, შესაბამისად, ისინი უმნიშვნელოა მასალების დამაგნიტიზაციის კონტექსტში. ბირთვული მაგნიტური მომენტები მაინც ძალიან მნიშვნელოვანია სხვა კონტექსტში, განსაკუთრებით ბირთვული მაგნიტურ-რეზონანსული (NMR) და მაგნიტურ-რეზონანსული გამოსახულების (MRI).
ჩვეულებრივ, მასალაში ელექტრონების დიდი რაოდენობა განლაგებულია ისე, რომ მათი მაგნიტური მომენტები (ორბიტალურიც და შიდაც) გაუქმებულია. გარკვეულწილად, ეს გამოწვეულია იმით, რომ ელექტრონები წყვილებში აერთიანებენ საპირისპირო შინაგან მაგნიტურ მომენტებს პაულის პრინციპის შედეგად (იხ. ელექტრონების კონფიგურაცია) და აერთიანებენ შევსებულ ქვეშელებს ნულოვანი წმინდა ორბიტალური მოძრაობით.
Bორივე შემთხვევაში, ელექტრონები უპირატესად იყენებენ სქემებს, რომლებშიც თითოეული ელექტრონის მაგნიტური მომენტი გაუქმებულია მეორე ელექტრონის საპირისპირო მომენტით. უფრო მეტიც, მაშინაც კი, როდესაც ელექტრონების კონფიგურაცია ისეთია, რომ არის დაუწყვილებელი ელექტრონები და/ან შეუვსებელი ქვეშელური, ხშირად ხდება, რომ მყარ სხეულში სხვადასხვა ელექტრონები ხელს უწყობენ მაგნიტურ მომენტებს, რომლებიც მიმართულია სხვადასხვა, შემთხვევითი მიმართულებით, ასე რომ, მასალა არ იქნება მაგნიტური.
ზოგჯერ, სპონტანურად ან გამოყენებული გარე მაგნიტური ველის გამო, ელექტრონების თითოეული მაგნიტური მომენტი საშუალოდ რიგდება. სწორ მასალას შეუძლია შექმნას ძლიერი წმინდა მაგნიტური ველი.
მასალის მაგნიტური ქცევა დამოკიდებულია მის სტრუქტურაზე, კერძოდ მის ელექტრონულ კონფიგურაციაზე, ზემოთ მოყვანილი მიზეზების გამო და ასევე ტემპერატურაზე. მაღალ ტემპერატურაზე, შემთხვევითი თერმული მოძრაობა ართულებს ელექტრონების გასწორებას.
დიამაგნეტიზმი
დიამაგნეტიზმი გვხვდება ყველა მასალაში და არის მასალის ტენდენცია, წინააღმდეგობა გაუწიოს გამოყენებულ მაგნიტურ ველს და, შესაბამისად, მოიგერიოს მაგნიტური ველი. ამასთან, პარამაგნიტური თვისებების მქონე მასალაში (ანუ გარე მაგნიტური ველის გაძლიერების ტენდენციით) დომინირებს პარამაგნიტური ქცევა. ამრიგად, მიუხედავად უნივერსალური მოვლენისა, დიამაგნიტური ქცევა შეინიშნება მხოლოდ წმინდა დიამაგნიტურ მასალაში. დიამაგნიტურ მასალაში არ არის დაუწყვილებელი ელექტრონები, ამიტომ ელექტრონების შინაგანი მაგნიტური მომენტები ვერ ქმნიანნებისმიერი მოცულობის ეფექტი.
გთხოვთ გაითვალისწინოთ, რომ ეს აღწერილობა განკუთვნილია მხოლოდ ევრისტიკის სახით. ბორ-ვან ლეუვენის თეორემა აჩვენებს, რომ კლასიკური ფიზიკის მიხედვით დიამაგნეტიზმი შეუძლებელია და რომ სწორი გაგება მოითხოვს კვანტურ მექანიკურ აღწერას.
გაითვალისწინეთ, რომ ყველა მასალა გადის ამ ორბიტალურ პასუხს. თუმცა, პარამაგნიტურ და ფერომაგნიტურ ნივთიერებებში, დიამაგნიტური ეფექტი თრგუნავს ბევრად უფრო ძლიერი ეფექტებით, რომლებიც გამოწვეულია დაუწყვილებელი ელექტრონებით.
პარამაგნიტურ მასალაში არის დაუწყვილებელი ელექტრონები; ანუ ატომური ან მოლეკულური ორბიტალები ზუსტად ერთი ელექტრონით. მიუხედავად იმისა, რომ პაულის გამორიცხვის პრინციპი მოითხოვს დაწყვილებულ ელექტრონებს ჰქონდეთ საკუთარი ("სპინი") მაგნიტური მომენტები მიმართული საპირისპირო მიმართულებით, რაც იწვევს მათი მაგნიტური ველების გაუქმებას, დაუწყვილებელ ელექტრონს შეუძლია თავისი მაგნიტური მომენტის გასწორება ორივე მიმართულებით. როდესაც გამოიყენება გარე ველი, ეს მომენტები მიდრეკილია გასწორდეს იმავე მიმართულებით, როგორც გამოყენებული ველი, რაც აძლიერებს მას.
ფერომაგნიტები
ფერომაგნიტს, როგორც პარამაგნიტურ ნივთიერებას, აქვს დაუწყვილებელი ელექტრონები. თუმცა, გარდა იმისა, რომ ელექტრონების შინაგანი მაგნიტური მომენტი იყოს გამოყენებული ველის პარალელურად, ამ მასალებში ასევე არსებობს ტენდენცია, რომ ეს მაგნიტური მომენტები ერთმანეთის პარალელურად ორიენტირდნენ, რათა შეინარჩუნონ შემცირებული მდგომარეობა. ენერგია. ამრიგად, გამოყენებული ველის არარსებობის შემთხვევაშიც კიმასალაში ელექტრონების მაგნიტური მომენტები სპონტანურად სწორდება ერთმანეთის პარალელურად.
თითოეულ ფერომაგნიტურ ნივთიერებას აქვს თავისი ინდივიდუალური ტემპერატურა, რომელსაც ეწოდება Curie ტემპერატურა ან Curie წერტილი, რომლის ზემოთაც ის კარგავს ფერომაგნიტურ თვისებებს. ეს იმიტომ ხდება, რომ თერმული მიდრეკილება უწესრიგობისკენ აჭარბებს ენერგიის შემცირებას ფერომაგნიტური რიგის გამო.
ფერომაგნეტიზმი გვხვდება მხოლოდ რამდენიმე ნივთიერებაში; გავრცელებულია რკინა, ნიკელი, კობალტი, მათი შენადნობები და ზოგიერთი იშვიათი დედამიწის შენადნობები.
ატომების მაგნიტური მომენტები ფერომაგნიტურ მასალაში იწვევს მათ ქცევას, როგორც პატარა მუდმივი მაგნიტები. ისინი ერთმანეთს ერწყმის და გაერთიანდებიან მეტ-ნაკლებად ერთგვაროვანი განლაგების მცირე რეგიონებში, რომელსაც ეწოდება მაგნიტური დომენები ან ვაისის დომენები. მაგნიტური დომენების დაკვირვება შესაძლებელია მაგნიტური ძალის მიკროსკოპის გამოყენებით მაგნიტური დომენის საზღვრების გამოსავლენად, რომლებიც თეთრ ხაზებს წააგავს ესკიზში. არსებობს მრავალი სამეცნიერო ექსპერიმენტი, რომელსაც შეუძლია ფიზიკურად აჩვენოს მაგნიტური ველები.
დომენების როლი
როდესაც დომენი შეიცავს ძალიან ბევრ მოლეკულას, ის ხდება არასტაბილური და იშლება ორ დომენად, რომლებიც გასწორებულია საპირისპირო მიმართულებით, რათა ერთმანეთთან უფრო სტაბილურად დარჩეს, როგორც ნაჩვენებია მარჯვნივ.
როდესაც ექვემდებარება მაგნიტურ ველს, დომენის საზღვრები მოძრაობს ისე, რომ მაგნიტურად გასწორებული დომენები იზრდება და დომინირებს სტრუქტურაზე (წერტილებიანი ყვითელი არე), როგორც ნაჩვენებია მარცხნივ. როდესაც მაგნიტიზებული ველი ამოღებულია, დომენები შეიძლება არ დაბრუნდეს არამაგნიტიზებულ მდგომარეობაში. ეს იწვევსრადგან ფერომაგნიტური მასალა მაგნიტიზებულია და ქმნის მუდმივ მაგნიტს.
როდესაც მაგნიტიზაცია საკმარისად ძლიერი იყო ისე, რომ დომინანტური დომენი გადაფარავდა ყველა დანარჩენს, რამაც გამოიწვია მხოლოდ ერთი ცალკეული დომენის ფორმირება, მასალა მაგნიტურად გაჯერებული იყო. როდესაც მაგნიტიზებული ფერომაგნიტური მასალა თბება კურიის წერტილის ტემპერატურამდე, მოლეკულები ირევა იქამდე, სადაც მაგნიტური დომენები კარგავენ ორგანიზაციას და მათ მიერ გამოწვეულ მაგნიტურ თვისებებს წყვეტენ. როდესაც მასალა გაცივდება, ეს დომენის განლაგების სტრუქტურა სპონტანურად ბრუნდება, დაახლოებით იმის ანალოგიურად, თუ როგორ შეიძლება სითხე გაიყინოს კრისტალურ მყარად.
ანტიფერომაგნიტიკა
ანტიფერომაგნიტში, ფერომაგნიტისგან განსხვავებით, მეზობელი ვალენტური ელექტრონების შინაგანი მაგნიტური მომენტები მიმართულია საპირისპირო მიმართულებით. როდესაც ყველა ატომი განლაგებულია ნივთიერებაში ისე, რომ თითოეული მეზობელი იყოს ანტიპარალელური, ნივთიერება ანტიფერომაგნიტურია. ანტიფერომაგნიტებს აქვთ ნულის წმინდა მაგნიტური მომენტი, რაც ნიშნავს რომ ისინი არ ქმნიან ველს.
ანტიფერომაგნიტები უფრო იშვიათია, ვიდრე სხვა ტიპის ქცევა და ყველაზე ხშირად შეინიშნება დაბალ ტემპერატურაზე. სხვადასხვა ტემპერატურაზე ანტიფერომაგნიტები ავლენენ დიამაგნიტურ და ფერომაგნიტურ თვისებებს.
ზოგიერთ მასალაში მეზობელ ელექტრონებს ურჩევნიათ მიმართონ საპირისპირო მიმართულებით, მაგრამ არ არსებობს გეომეტრიული განლაგება, რომელშიც მეზობლების ყოველი წყვილი სწორხაზოვანია. სპინი მინა ჰქვია დაარის გეომეტრიული იმედგაცრუების მაგალითი.
ფერომაგნიტური მასალების მაგნიტური თვისებები
ფერომაგნეტიზმის მსგავსად, ფერომაგნიტები ინარჩუნებენ მაგნიტიზაციას ველის არარსებობის შემთხვევაში. თუმცა, ანტიფერომაგნიტების მსგავსად, ელექტრონის სპინების მიმდებარე წყვილი მიმართულია საპირისპირო მიმართულებით. ეს ორი თვისება არ ეწინააღმდეგება ერთმანეთს, რადგან ოპტიმალური გეომეტრიული განლაგებისას, მაგნიტური მომენტი ელექტრონების ქვექსელიდან, რომელიც მიმართულია იმავე მიმართულებით, უფრო დიდია, ვიდრე საპირისპირო მიმართულებით მიმართული ქველატისგან.
ფერიტების უმეტესობა ფერიმაგნიტურია. ფერომაგნიტური მასალების მაგნიტური თვისებები დღეს უდაოდ ითვლება. პირველი აღმოჩენილი მაგნიტური ნივთიერება, მაგნეტიტი, არის ფერიტი და თავდაპირველად ითვლებოდა, რომ ეს იყო ფერომაგნიტი. თუმცა, ლუის ნილმა ეს უარყო ფერმაგნეტიზმის აღმოჩენით.
როდესაც ფერომაგნიტი ან ფერომაგნიტი საკმარისად პატარაა, ის მოქმედებს როგორც ერთი მაგნიტური ტრიალი, რომელიც ექვემდებარება ბრაუნის მოძრაობას. მისი რეაქცია მაგნიტურ ველზე თვისობრივად მსგავსია პარამაგნიტის რეაქციასთან, მაგრამ ბევრად მეტი.
ელექტრომაგნიტები
ელექტრომაგნიტი არის მაგნიტი, რომელშიც მაგნიტური ველი იქმნება ელექტრული დენით. დენის გამორთვისას მაგნიტური ველი ქრება. ელექტრომაგნიტები, როგორც წესი, შედგება მავთულის დიდი რაოდენობით მჭიდროდ დაშორებული ბრუნებისგან, რომლებიც ქმნიან მაგნიტურ ველს. მავთულის ხვეულები ხშირად იჭრება ფერომაგნიტური ან ფერომაგნიტური მასალისგან დამზადებული მაგნიტური ბირთვის გარშემო.მასალა, როგორიცაა რკინა; მაგნიტური ბირთვი კონცენტრირებს მაგნიტურ ნაკადს და ქმნის უფრო ძლიერ მაგნიტს.
ელექტრომაგნიტის მთავარი უპირატესობა მუდმივ მაგნიტთან შედარებით არის ის, რომ მაგნიტური ველი შეიძლება სწრაფად შეიცვალოს გრაგნილში ელექტრული დენის რაოდენობის კონტროლით. თუმცა, მუდმივი მაგნიტისაგან განსხვავებით, რომელიც არ საჭიროებს ენერგიას, ელექტრომაგნიტი საჭიროებს დენის უწყვეტ მიწოდებას მაგნიტური ველის შესანარჩუნებლად.
ელექტრომაგნიტები ფართოდ გამოიყენება როგორც სხვა ელექტრო მოწყობილობების კომპონენტები, როგორიცაა ძრავები, გენერატორები, რელეები, სოლენოიდები, დინამიკები, მყარი დისკები, MRI აპარატები, სამეცნიერო ინსტრუმენტები და მაგნიტური განცალკევების მოწყობილობა. ელექტრომაგნიტები ასევე გამოიყენება ინდუსტრიაში მძიმე რკინის საგნების დასაჭერად და გადასაადგილებლად, როგორიცაა ლითონის ჯართი და ფოლადი. ელექტრომაგნიტიზმი აღმოაჩინეს 1820 წელს. ამავე დროს გამოქვეყნდა მასალების პირველი კლასიფიკაცია მაგნიტური თვისებების მიხედვით.
