Magnetiske egenskaber af et materiale er en klasse af fysiske fænomener medieret af felter. Elektriske strømme og magnetiske momenter af elementarpartikler genererer et felt, der virker på andre strømme. De mest velkendte effekter opstår i ferromagnetiske materialer, som tiltrækkes stærkt af magnetiske felter og kan blive permanent magnetiserede, hvilket selv skaber de ladede felter.
Kun nogle få stoffer er ferromagnetiske. For at bestemme udviklingsniveauet af dette fænomen i et bestemt stof er der en klassificering af materialer i henhold til magnetiske egenskaber. De mest almindelige er jern, nikkel og kobolt og deres legeringer. Forstavelsen ferro- henviser til jern, fordi permanent magnetisme først blev observeret i tomt jern, en form for naturlig jernmalm, der kaldes materialets magnetiske egenskaber, Fe3O4.
Paramagnetiske materialer
Selvomferromagnetisme er ansvarlig for de fleste af virkningerne af magnetisme, man støder på i hverdagen, alle andre materialer påvirkes af feltet til en vis grad, såvel som nogle andre typer magnetisme. Paramagnetiske stoffer som aluminium og oxygen er svagt tiltrukket af et påført magnetfelt. Diamagnetiske stoffer såsom kobber og kulstof afviser svagt.
Mens antiferromagnetiske materialer såsom krom og spin-briller har et mere komplekst forhold til magnetfeltet. Styrken af en magnet på paramagnetiske, diamagnetiske og antiferromagnetiske materialer er norm alt for svag til at kunne mærkes og kan kun detekteres af laboratorieinstrumenter, så disse stoffer er ikke inkluderet på listen over materialer, der har magnetiske egenskaber.
Betingelser
Den magnetiske tilstand (eller fase) af et materiale afhænger af temperatur og andre variabler såsom tryk og påført magnetfelt. Et materiale kan udvise mere end én form for magnetisme, når disse variabler ændres.
Historie
Et materiales magnetiske egenskaber blev først opdaget i den antikke verden, da folk bemærkede, at magneter, naturligt magnetiserede stykker af mineraler, kunne tiltrække jern. Ordet "magnet" kommer fra det græske udtryk Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesisk sten, fodsten".
I det antikke Grækenland tilskrev Aristoteles den første af, hvad man kan kalde en videnskabelig diskussion om materialers magnetiske egenskaber,filosof Thales af Milet, der levede fra 625 f. Kr. e. før 545 f. Kr e. Den gamle indiske medicinske tekst Sushruta Samhita beskriver brugen af magnetit til at fjerne pile indlejret i den menneskelige krop.
Det gamle Kina
I det gamle Kina findes den tidligste litterære henvisning til materialers elektriske og magnetiske egenskaber i en bog fra det 4. århundrede f. Kr. opkaldt efter dens forfatter, The Sage of the Valley of Ghosts. Den tidligste omtale af nåletiltrækning er i værket fra det 1. århundrede, Lunheng (Balanced Requests): "Magneten tiltrækker nålen."
Den kinesiske videnskabsmand fra det 11. århundrede, Shen Kuo, var den første person til at beskrive - i Dream Pool Essay - et magnetisk kompas med en nål, og at det forbedrede nøjagtigheden af navigation gennem astronomiske metoder. begrebet ægte nord. I det 12. århundrede var kineserne kendt for at bruge magnetkompasset til navigation. De lavede styreskeen af sten, så skeens skaft altid peger mod syd.
middelalder
Alexander Neckam var i 1187 den første i Europa til at beskrive kompasset og dets brug til navigation. Denne forsker etablerede for første gang i Europa grundigt magnetiske materialers egenskaber. I 1269 skrev Peter Peregrine de Maricourt Epistola de magnete, den første overlevende afhandling, der beskriver magneters egenskaber. I 1282 blev egenskaberne af kompasser og materialer med særlige magnetiske egenskaber beskrevet af al-Ashraf, en yemenitisk fysiker, astronom og geograf.
Renaissance
I 1600 udgav William Gilberthans "Magnetic Corpus" og "Magnetic Tellurium" ("On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet"). I dette papir beskriver han mange af sine eksperimenter med sin modeljord, kaldet terrellaen, hvormed han forskede i magnetiske materialers egenskaber.
Fra sine eksperimenter kom han til den konklusion, at Jorden selv er magnetisk, og at det er grunden til, at kompasserne pegede mod nord (tidligere troede nogle, at det var polstjernen (Polaris) eller en stor magnetisk ø i nord Pæl der tiltrak kompasset).
Ny tid
Forståelse af forholdet mellem elektricitet og materialer med specielle magnetiske egenskaber dukkede op i 1819 i værket af Hans Christian Ørsted, en professor ved Københavns Universitet, der ved et uheld opdagede at rykke i en kompasnål nær en ledning, at en elektrisk strøm kan skabe et magnetfelt. Dette skelsættende eksperiment er kendt som Oersted-eksperimentet. Der fulgte adskillige andre eksperimenter med André-Marie Ampère, som opdagede i 1820, at et magnetfelt, der cirkulerede i en lukket bane, var relateret til en strøm, der flyder rundt om banens omkreds.
Carl Friedrich Gauss var engageret i studiet af magnetisme. Jean-Baptiste Biot og Felix Savart i 1820 kom med Biot-Savart-loven, som giver den ønskede ligning. Michael Faraday, som opdagede i 1831, at en tidsvarierende magnetisk flux gennem en ledningsløkke forårsagede en spænding. Og andre videnskabsmænd har fundet yderligere forbindelser mellem magnetisme og elektricitet.
XX århundrede og vorestid
James Clerk Maxwell syntetiserede og udvidede denne forståelse af Maxwells ligninger ved at forene elektricitet, magnetisme og optik inden for elektromagnetisme. I 1905 brugte Einstein disse love til at motivere sin specielle relativitetsteori ved at kræve, at lovene gælder i alle inertielle referencerammer.
Elektromagnetisme er fortsat med at udvikle sig ind i det 21. århundrede og er blevet indarbejdet i de mere fundamentale teorier om gauge-teori, kvanteelektrodynamik, den elektrosvage teori og endelig standardmodellen. I dag studerer forskere allerede de magnetiske egenskaber af nanostrukturerede materialer med magt og hoved. Men de største og mest fantastiske opdagelser på dette område er sandsynligvis stadig foran os.
Essence
De magnetiske egenskaber af materialer skyldes hovedsageligt de magnetiske momenter i deres atomers orbitale elektroner. De magnetiske momenter af atomkerner er norm alt tusindvis af gange mindre end elektronernes, og derfor er de ubetydelige i forbindelse med magnetisering af materialer. Kernemagnetiske momenter er ikke desto mindre meget vigtige i andre sammenhænge, især i kernemagnetisk resonans (NMR) og magnetisk resonansbilleddannelse (MRI).
Sædvanligvis er det enorme antal elektroner i et materiale arrangeret på en sådan måde, at deres magnetiske momenter (både orbitale og interne) annulleres. Til en vis grad skyldes dette, at elektroner kombineres i par med modsatte iboende magnetiske momenter som et resultat af Pauli-princippet (se Elektronkonfiguration) og kombineres til fyldte underskaller med nul nettoomløbsbevægelse.
BI begge tilfælde bruger elektronerne overvejende kredsløb, hvor det magnetiske moment af hver elektron udlignes af det modsatte moment af den anden elektron. Desuden, selv når elektronkonfigurationen er sådan, at der er uparrede elektroner og/eller ufyldte underskaller, er det ofte tilfældet, at forskellige elektroner i et fast stof vil bidrage med magnetiske momenter, der peger i forskellige, tilfældige retninger, så materialet ikke bliver magnetisk.
Nogle gange, enten spontant eller på grund af et påført eksternt magnetfelt, vil hver af elektronernes magnetiske momenter i gennemsnit være på linje. Det rigtige materiale kan så skabe et stærkt nettomagnetisk felt.
Et materiales magnetiske opførsel afhænger af dets struktur, især af dets elektroniske konfiguration, af ovennævnte årsager, og også af temperaturen. Ved høje temperaturer gør tilfældig termisk bevægelse det vanskeligt for elektroner at justere.
Diamagnetisme
Diamagnetisme findes i alle materialer og er et materiales tendens til at modstå et påført magnetfelt og derfor frastøde magnetfeltet. Men i et materiale med paramagnetiske egenskaber (det vil sige med en tendens til at forstærke et eksternt magnetfelt) dominerer den paramagnetiske adfærd. På trods af den universelle forekomst observeres diamagnetisk adfærd således kun i et rent diamagnetisk materiale. Der er ingen uparrede elektroner i et diamagnetisk materiale, så elektronernes iboende magnetiske momenter kan ikke skabeenhver volumeneffekt.
Bemærk venligst, at denne beskrivelse kun er tænkt som en heuristik. Bohr-Van Leeuwen-sætningen viser, at diamagnetisme er umulig ifølge klassisk fysik, og at en korrekt forståelse kræver en kvantemekanisk beskrivelse.
Bemærk, at alt materiale gennemgår dette orbitale svar. Men i paramagnetiske og ferromagnetiske stoffer undertrykkes den diamagnetiske effekt af meget stærkere effekter forårsaget af uparrede elektroner.
Der er uparrede elektroner i et paramagnetisk materiale; det vil sige atomare eller molekylære orbitaler med præcis én elektron i sig. Mens Pauli udelukkelsesprincippet kræver, at parrede elektroner har deres egne ("spin") magnetiske momenter, der peger i modsatte retninger, hvilket får deres magnetiske felter til at udligne, kan en uparret elektron justere sit magnetiske moment i begge retninger. Når et eksternt felt anvendes, vil disse momenter have en tendens til at flugte i samme retning som det anvendte felt, hvilket forstærker det.
Ferromagnets
En ferromagnet, som et paramagnetisk stof, har uparrede elektroner. Men ud over tendensen af elektronernes iboende magnetiske moment til at være parallel med det påførte felt, er der i disse materialer også en tendens til, at disse magnetiske momenter orienterer sig parallelt med hinanden for at opretholde en tilstand af reduceret energi. Således også i mangel af et anvendt feltde magnetiske momenter af elektronerne i materialet justeres spontant parallelt med hinanden.
Hvert ferromagnetiske stof har sin egen individuelle temperatur, kaldet Curie-temperaturen eller Curie-punktet, over hvilket det mister sine ferromagnetiske egenskaber. Dette skyldes, at den termiske tendens til uorden overvælder reduktionen i energi på grund af ferromagnetisk orden.
Ferromagnetisme forekommer kun i nogle få stoffer; jern, nikkel, kobolt, deres legeringer og nogle sjældne jordarters legeringer er almindelige.
De magnetiske momenter af atomer i et ferromagnetisk materiale får dem til at opføre sig som små permanente magneter. De klæber sammen og kombineres i små områder med mere eller mindre ensartet justering kaldet magnetiske domæner eller Weiss-domæner. Magnetiske domæner kan observeres ved hjælp af et magnetisk kraftmikroskop for at afsløre magnetiske domænegrænser, der ligner hvide linjer i en skitse. Der er mange videnskabelige eksperimenter, der fysisk kan vise magnetiske felter.
Rolle for domæner
Når et domæne indeholder for mange molekyler, bliver det ustabilt og opdeles i to domæner, der er justeret i modsatte retninger for at klæbe mere stabilt sammen, som vist til højre.
Når de udsættes for et magnetfelt, flytter domænegrænserne sig, så magnetisk justerede domæner vokser og dominerer strukturen (stiplet gult område), som vist til venstre. Når magnetiseringsfeltet fjernes, vender domænerne muligvis ikke tilbage til en ikke-magnetiseret tilstand. Dette fører tilfordi det ferromagnetiske materiale er magnetiseret og danner en permanent magnet.
Når magnetiseringen var stærk nok, så det dominerende domæne overlappede alle de andre, hvilket førte til dannelsen af kun ét separat domæne, var materialet magnetisk mættet. Når et magnetiseret ferromagnetisk materiale opvarmes til Curie-punkttemperaturen, blandes molekylerne til det punkt, hvor de magnetiske domæner mister organisering, og de magnetiske egenskaber, de forårsager, ophører. Når materialet er afkølet, vender denne domænejusteringsstruktur spontant tilbage, nogenlunde analogt med hvordan en væske kan fryse til et krystallinsk fast stof.
Antiferromagnetics
I en antiferromagnet, i modsætning til en ferromagnet, har de iboende magnetiske momenter af tilstødende valenselektroner en tendens til at pege i modsatte retninger. Når alle atomerne er arrangeret i et stof, så hver nabo er antiparallel, er stoffet antiferromagnetisk. Antiferromagneter har et netto magnetisk moment på nul, hvilket betyder, at de ikke skaber et felt.
Antiferromagneter er sjældnere end andre typer adfærd og observeres oftest ved lave temperaturer. Ved forskellige temperaturer udviser antiferromagneter diamagnetiske og ferromagnetiske egenskaber.
I nogle materialer foretrækker naboelektroner at pege i modsatte retninger, men der er ikke noget geometrisk arrangement, hvor hvert par af naboer er anti-justeret. Det hedder spinglas oger et eksempel på geometrisk frustration.
Magnetiske egenskaber af ferromagnetiske materialer
Ligesom ferromagnetisme bevarer ferrimagneter deres magnetisering i fravær af et felt. Men ligesom antiferromagneter har tilstødende par af elektronspin en tendens til at pege i modsatte retninger. Disse to egenskaber modsiger ikke hinanden, fordi i et optim alt geometrisk arrangement er det magnetiske moment fra et subgitter af elektroner, der peger i samme retning, større end fra et subgitter, der peger i den modsatte retning.
De fleste ferritter er ferrimagnetiske. De magnetiske egenskaber af ferromagnetiske materialer i dag anses for ubestridelige. Det første magnetiske stof, der blev opdaget, magnetit, er en ferrit og blev oprindeligt antaget at være en ferromagnet. Louis Neel modbeviste dog dette ved at opdage ferrimagnetisme.
Når en ferromagnet eller ferrimagnet er lille nok, fungerer den som et enkelt magnetisk spin, der er udsat for Brownsk bevægelse. Dens reaktion på et magnetfelt ligner kvalitativt den for en paramagnet, men meget mere.
Elektromagneter
En elektromagnet er en magnet, hvori et magnetfelt dannes af en elektrisk strøm. Magnetfeltet forsvinder, når strømmen afbrydes. Elektromagneter består norm alt af et stort antal tætsiddende ledninger, der skaber et magnetfelt. Trådspoler er ofte viklet omkring en magnetisk kerne lavet af ferromagnetisk eller ferrimagnetisk materiale.et materiale såsom jern; den magnetiske kerne koncentrerer den magnetiske flux og skaber en stærkere magnet.
Den største fordel ved en elektromagnet frem for en permanent magnet er, at magnetfeltet hurtigt kan ændres ved at kontrollere mængden af elektrisk strøm i viklingen. Men i modsætning til en permanent magnet, som ikke kræver strøm, kræver en elektromagnet en kontinuerlig strømforsyning for at opretholde magnetfeltet.
Elektromagneter er meget udbredt som komponenter i andre elektriske enheder såsom motorer, generatorer, relæer, solenoider, højttalere, harddiske, MRI-maskiner, videnskabelige instrumenter og magnetisk separationsudstyr. Elektromagneter bruges også i industrien til at gribe og flytte tunge jerngenstande som metalskrot og stål. Elektromagnetisme blev opdaget i 1820. Samtidig blev den første klassificering af materialer efter magnetiske egenskaber offentliggjort.
