Właściwości magnetyczne substancji. Klasyfikacja substancji według właściwości magnetycznych

W ten czy inny sposób wszystkie materiały mają właściwości magnetyczne, ponieważ te właściwości są odbiciem struktur strukturalnych właściwych dla materii na poziomie mikro. Cechy struktury powodują różnice we właściwościach magnetycznych substancji, czyli w charakterze ich interakcji z polem magnetycznym.

Struktura materii i magnetyzmu

Pierwsza teoria wyjaśniająca naturę magnetyzmu poprzez wzajemne powiązania zjawisk elektrycznych i magnetycznych została stworzona przez francuskiego fizyka J.-M. Ampere w latach dwudziestych XIX wieku. W ramach tej teorii Ampere zasugerował obecność mikroskopijnych zamkniętych prądów w ciałach fizycznych, które zazwyczaj kompensują się nawzajem. Ale w przypadku substancji o właściwościach magnetycznych takie "prądy molekularne" wytwarzają prąd powierzchniowy, w wyniku którego powstaje materiał magnes trwały. Hipoteza ta nie została potwierdzona, z wyjątkiem jednej bardzo ważnej idei - o mikroprądach jako źródłach pól magnetycznych.

Mikroprądy w materii istnieją dzięki ruchowi elektronów w atomach i tworzeniu momentu magnetycznego. Ponadto elektrony mają swój własny moment magnetyczny o charakterze kwantowym.

Całkowity moment magnetyczny substancji, to znaczy agregacja prądów elementarnych w niej, w stosunku do objętości jednostki, determinuje stan namagnesowania ciała makroskopowego. W przypadku większości substancji momenty cząstek są zorientowane losowo (termiczne chaotyczne oscylacje odgrywają w tym rolę wiodącą rolę), a namagnesowanie jest prawie zerowe.

Zachowanie się substancji w polu magnetycznym

Pod wpływem działania zewnętrznego pola magnetycznego wektory momentów magnetycznych cząstek zmieniają kierunek - ciało jest namagnesowane i pojawia się w nim własne pole magnetyczne. Charakter tej zmiany i jej intensywność, która decyduje o właściwościach magnetycznych substancji, wynikają z różnych czynników:

• cechy strukturalne powłok elektronowych w atomach i cząsteczkach materii;
• oddziaływania międzyatomowe i międzycząsteczkowe;
• cechy struktury krystalicznej sieci (anizotropia);
• temperatura substancji;
• intensywność i konfiguracja pola magnetycznego i tak dalej.

Namagnesowanie substancji jest proporcjonalne siła pola magnetycznego w nim. Ich stosunek jest określony przez specjalny współczynnik - podatność magnetyczną. W próżni wynosi zero, niektóre substancje są ujemne.

Wartość charakteryzująca stosunek indukcji magnetycznej i natężenia pola w substancji nazywana jest zwykle przepuszczalnością magnetyczną. W próżni indukcja i intensywność pokrywają się, a jej przenikalność jest równa jedności. Przepuszczalność magnetyczną substancji można wyrazić jako wartość względną. Jest to stosunek jego wartości bezwzględnych dla danej substancji i próżni (ta ostatnia wartość jest przyjmowana jako stała magnetyczna).

Klasyfikacja substancji według właściwości magnetycznych

W zależności od rodzaju zachowania różnych materiałów stałych, cieczy, gazów w polu magnetycznym wyróżnia się kilka grup:

• diamagnetyczny;
• paramagnetyczny;
• ferromery;
• ferrimagnetyki;
• antyferromagnetyki.

Podstawową charakterystyką magnetyczną substancji leżącej u podstaw klasyfikacji jest podatność magnetyczna i przenikalność magnetyczna. Charakteryzujemy podstawowe właściwości właściwe każdej grupie.

Diamagnetics

Z powodu pewnych cech strukturalnych chmur elektronowych atomy (lub cząsteczki) materiałów diamagnetycznych nie mają momentu magnetycznego. Pojawia się, gdy pojawi się zewnętrzne pole. Indukowane pole indukowane ma przeciwny kierunek, a wynikowe pole jest nieco słabsze niż zewnętrzne. To prawda, różnica ta nie może być znacząca.

Podatność magnetyczna diamagnetyczna wyrażona jest liczbami ujemnymi o rząd wielkości od ^10-4 do ^10-6 i nie zależy od natężenia pola; przepuszczalność magnetyczna jest mniejsza niż w próżni, o ten sam rząd wielkości.

Nałożenie niejednorodnego pola magnetycznego prowadzi do tego, że diamagnetyka jest wypychana przez to pole, ponieważ ma tendencję do przesuwania się w obszar, w którym pole jest słabsze. Wpływ lewitacji diamagnetycznej opiera się na tej właściwości magnetycznych właściwości substancji z tej grupy.

Diamagnetyczne stanowią rozległą grupę substancji. Obejmuje on metale takie jak miedź, cynk, złoto, srebro, bizmut. Obejmuje on również krzem, german, fosfor, azot, wodór, gazy obojętne. Spośród złożonych substancji - wody, wielu soli, związków organicznych. Idealne diamagnety to nadprzewodniki. Ich przenikalność magnetyczna wynosi zero. Pole wewnątrz nadprzewodnika nie może przeniknąć.

Paramagnetyki

Substancje należące do tej grupy charakteryzują się dodatnią wrażliwością magnetyczną (bardzo niska, rzędu 10 ^-5 - ^10-6 ). Są one namagnesowane równolegle do wektora zastosowanego pola, to znaczy są do niego wciągane, ale oddziaływanie paramagnetycznego z nim jest bardzo słabe, jak w diamagnetyce. Ich przenikalność magnetyczna jest zbliżona do wartości przepuszczalności podciśnienia, tylko nieznacznie ją przekracza.

W przypadku braku pola zewnętrznego, materiały paramagnetyczne z reguły nie posiadają namagnesowania: ich atomy mają własne momenty magnetyczne, ale są losowo zorientowane z powodu oscylacji termicznych. W niskich temperaturach materiały paramagnetyczne mogą mieć swoje własne małe namagnesowanie, które jest silnie uzależnione od wpływów zewnętrznych. Jednak wpływ ruchu termicznego jest zbyt duży, w wyniku czego elementarne momenty magnetyczne materiałów paramagnetycznych nigdy nie są ustawione dokładnie w kierunku pola. To jest powód ich niskiej podatności magnetycznej.

Siły interakcji międzycząsteczkowych i międzycząsteczkowych również odgrywają istotną rolę, przyczyniając się, lub wręcz przeciwnie, opierając się porządkowaniu elementarnych momentów magnetycznych. Powoduje to dużą różnorodność właściwości magnetycznych substancji materiałów paramagnetycznych.

Ta grupa substancji obejmuje wiele metali, takich jak wolfram, aluminium, mangan, sód, magnez. Paramagnetyczne to tlen, sole żelaza, niektóre tlenki.

Ferromagnetyka

Istnieje niewielka grupa substancji, które ze względu na specyfikę struktury mają bardzo wysokie właściwości magnetyczne. Pierwszym metalem, w którym odkryto te cechy, było żelazo, a dzięki niemu grupa ta otrzymała nazwę ferromagnetyki.

Struktura ferromagnesów charakteryzuje się obecnością specjalnych struktur - domen. Są to obszary, w których magnetyzacja tworzy się spontanicznie. Ze względu na osobliwości interakcji międzycząsteczkowych i międzycząsteczkowych ferromery tworzą najbardziej energetycznie korzystny układ atomowych i elektronicznych momentów magnetycznych. Uzyskują one równoległy kierunek w tak zwanych kierunkach łatwego namagnesowania. Jednak cała objętość, na przykład, kryształu żelaza, nie może uzyskać jednokierunkowego spontanicznego namagnesowania - zwiększyłoby to ogólną energię systemu. Dlatego system jest podzielony na sekcje, których spontaniczne namagnesowanie w ferromagnetycznym korpusie kompensuje się nawzajem. Tak powstają domeny.

Magnetyczna podatność ferromagnesów jest niezwykle wysoka, może wynosić od kilku dziesiątek do setek tysięcy i w dużym stopniu zależy od siły pola zewnętrznego. Powodem tego jest to, że orientacja domen w kierunku pola również okazuje się energetycznie korzystna. Kierunek wektora namagnesowania części domen musi koniecznie pokrywać się z wektorem natężenia pola, a ich energia będzie najmniejsza. Takie obszary rosną, a jednocześnie nierentowne zorientowane domeny są zredukowane. Namagnesowanie wzrasta i wzrasta indukcja magnetyczna. Proces jest nierównomierny, a wykres połączenia indukcji z intensywnością zewnętrznego pola nazywamy krzywą magnetyzacji substancji ferromagnetycznej.

Gdy temperatura wzrośnie do pewnej wartości progowej, zwanej punktem Curie, struktura domeny zostaje zakłócona z powodu zwiększonego ruchu termicznego. W tych warunkach ferromagnetyk wykazuje właściwości paramagnetyczne.

Oprócz żelaza i stali, właściwości ferromagnetyczne są nieodłącznie związane z kobaltem i niklem, niektórymi stopami i metale ziem rzadkich.

Ferrimagnetics and antiferromagnets

Struktura domenowa jest również charakterystyczna dla dwóch rodzajów materiałów magnetycznych, ale momenty magnetyczne w nich są zorientowane przeciwrównolegle. Są to grupy takie jak:

• Antyfelektromagnetyka. Momenty magnetyczne domen w tych substancjach są równe pod względem wartości liczbowej i wzajemnie się kompensują. Z tego powodu właściwości magnetyczne materiałów antyferromagnesów charakteryzują się wyjątkowo niską podatnością magnetyczną. W polu zewnętrznym manifestują się jako bardzo słabe paramagnetyki. Powyżej temperatury progowej, zwanej punktem Neel, taka substancja staje się zwykłym paramagnetycznym. Antiferromagnesy to chrom, mangan, niektóre metale ziem rzadkich, aktynowce. Niektóre stopy antyferromagnetyczne mają dwa punkty Neel. Gdy temperatura jest poniżej dolnej wartości progowej, materiał staje się ferromagnetyczny.
• Ferrimagnetics. W przypadku substancji tej klasy, wielkości momentów magnetycznych różnych jednostek strukturalnych nie są równe, przez co ich wzajemna kompensacja nie występuje. Ich wrażliwość magnetyczna zależy od temperatury i intensywności pola magnetycznego. Ferrimagnetics obejmują ferryty, które obejmują tlenek żelaza.

Pojęcie histerezy. Permanentny magnetyzm

Materiały ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne mają właściwość namagnesowania szczątkowego. Ta właściwość wynika ze zjawiska histerezy - opóźnienia. Jego istota polega na opóźnianiu zmiany namagnesowania materiału ze zmiany pola zewnętrznego. Jeśli po osiągnięciu nasycenia natężenie pola zostanie zmniejszone, namagnesowanie nie zmieni się zgodnie z krzywą magnesowania, ale w bardziej łagodny sposób, ponieważ znaczna część domen pozostaje zorientowana zgodnie z wektorem pola. Z powodu tego zjawiska istnieją magnesy trwałe.

Rozmagnesowanie następuje, gdy pole zmienia kierunek, kiedy osiąga określoną wartość, zwaną siłą przymusu (zwalniania). Im większa jest jego wartość, tym lepsza substancja zachowuje resztkowe namagnesowanie. Zamknięcie pętli histerezy następuje przy następnej zmianie napięcia w kierunku i wielkości.

Magnetyczna twardość i miękkość

Zjawisko histerezy w znacznym stopniu wpływa na właściwości magnetyczne materiałów. Substancje, w których pętla na wykresie histerezy jest rozszerzona, wymagając znacznej siły przymusu do rozmagnesowania, nazywane są materiałami twardymi magnetycznie z wąską pętlą, które są znacznie łatwiejsze do rozmagnesowania - magnetycznie miękkie.

W zmiennych polach histereza magnetyczna wydaje się szczególnie jasna. Zawsze towarzyszy mu ciepło. Ponadto w zmiennym polu magnetycznym w polu magnetycznym występują wirowe prądy indukcyjne, które emitują szczególnie dużą ilość ciepła.

Wiele ferromagnesów i ferrimagnetów stosuje się w urządzeniach pracujących na prądzie przemiennym (na przykład w rdzeniach elektromagnesów), a podczas działania remagnetyzują. Aby zmniejszyć straty energii spowodowane histerezą i dynamicznymi stratami wiroprądowymi, w takich urządzeniach stosuje się urządzenia magnetyczne, takie jak czyste żelazo, ferryty, stale elektryczne i stopy (na przykład permalloy). Istnieją inne sposoby zminimalizowania strat energii.

Natomiast twarde ciała stałe są używane w urządzeniach działających na stałym polu magnetycznym. Zachowują one dłużej swoje magnesowanie szczątkowe, ale są trudniejsze do namagnesowania do nasycenia. Wiele z nich to obecnie kompozyty różnych typów, na przykład magnesy metalowe lub neodymowe.

Nieco więcej o użyciu materiałów magnetycznych.

Nowoczesne branże high-tech wymagają użycia magnesów wytwarzanych z materiałów konstrukcyjnych, w tym materiałów kompozytowych o określonych właściwościach magnetycznych substancji. Należą do nich na przykład nanokompozyty magnetyczne nadprzewodnika ferromagnetycznego lub paramagnety ferromagnetyczne stosowane w spintronice lub polimery magnetyczne - żele, elastomery, lateksy, ferrofluidy, które są szeroko stosowane.

Różne stopy magnetyczne są również bardzo poszukiwane. Stop neodymowo-żelazowo-borowy charakteryzuje się wysoką odpornością na rozmagnesowanie i moc: wspomniane wyżej magnesy neodymowe, będące obecnie najpotężniejszymi magnesami trwałymi, są stosowane w wielu różnych branżach, pomimo występowania pewnych wad, takich jak kruchość. Są używane w aparatach rezonansu magnetycznego, turbinach wiatrowych, podczas czyszczenia płynów technicznych i podnoszenia ciężkich ładunków.

Bardzo interesujące są perspektywy wykorzystania antyferrometrów w nanostrukturach niskotemperaturowych do wytwarzania komórek pamięci, które mogą znacznie zwiększyć gęstość zapisu bez zakłócania stanu sąsiednich bitów.

Należy założyć, że stosowanie właściwości magnetycznych substancji o zadanych właściwościach będzie się coraz bardziej rozszerzać i zapewni poważne przełomy technologiczne w różnych dziedzinach.