Magnetiska egenskaper hos ett material är en klass av fysiska fenomen som förmedlas av fält. Elektriska strömmar och magnetiska moment hos elementarpartiklar genererar ett fält som verkar på andra strömmar. De mest välbekanta effekterna uppstår i ferromagnetiska material, som attraheras starkt av magnetfält och kan bli permanent magnetiserade, vilket skapar de laddade fälten själva.
Endast ett fåtal ämnen är ferromagnetiska. För att bestämma utvecklingsnivån för detta fenomen i ett visst ämne finns det en klassificering av material enligt magnetiska egenskaper. De vanligaste är järn, nickel och kobolt och deras legeringar. Prefixet ferro- syftar på järn eftersom permanent magnetism först observerades i tomt järn, en form av naturlig järnmalm som kallas materialets magnetiska egenskaper, Fe3O4.
Paramagnetiska material
Även omferromagnetism är ansvarig för de flesta effekterna av magnetism som möter i vardagen, alla andra material påverkas av fältet till viss del, liksom vissa andra typer av magnetism. Paramagnetiska ämnen som aluminium och syre attraheras svagt av ett applicerat magnetfält. Diamagnetiska ämnen som koppar och kol stöter svagt bort.
Medan antiferromagnetiska material som krom och spinnglas har ett mer komplext förhållande till magnetfältet. Styrkan hos en magnet på paramagnetiska, diamagnetiska och antiferromagnetiska material är vanligtvis för svag för att kännas och kan endast detekteras av laboratorieinstrument, så dessa ämnen ingår inte i listan över material som har magnetiska egenskaper.
Villkor
Det magnetiska tillståndet (eller fasen) för ett material beror på temperatur och andra variabler som tryck och pålagt magnetfält. Ett material kan uppvisa mer än en form av magnetism när dessa variabler förändras.
Historia
De magnetiska egenskaperna hos ett material upptäcktes först i den antika världen när människor märkte att magneter, naturligt magnetiserade bitar av mineraler, kunde attrahera järn. Ordet "magnet" kommer från den grekiska termen Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesiansk sten, fotsten".
I det antika Grekland tillskrev Aristoteles den första av vad som kan kallas en vetenskaplig diskussion om materialens magnetiska egenskaper,filosofen Thales av Miletus, som levde från 625 f. Kr. e. före 545 f. Kr e. Den forntida indiska medicinska texten Sushruta Samhita beskriver användningen av magnetit för att ta bort pilar inbäddade i människokroppen.
Forntida Kina
I det antika Kina finns den tidigaste litterära hänvisningen till materials elektriska och magnetiska egenskaper i en bok från 300-talet f. Kr. uppkallad efter dess författare, The Sage of the Valley of Ghosts. Det tidigaste omnämnandet av nålattraktion är i 1:a århundradets arbete Lunheng (Balanced Requests): "Magneten attraherar nålen."
Den kinesiske forskaren Shen Kuo från 1000-talet var den första personen som beskrev - i Dream Pool Essay - en magnetisk kompass med en nål och att den förbättrade noggrannheten i navigeringen genom astronomiska metoder. begreppet sann nord. På 1100-talet var kineserna kända för att använda magnetkompassen för navigering. De gjorde styrskeden av sten så att skedens handtag alltid pekar söderut.
medeltiden
Alexander Neckam, år 1187, var den första i Europa som beskrev kompassen och dess användning för navigering. Denna forskare för första gången i Europa etablerade grundligt egenskaperna hos magnetiska material. År 1269 skrev Peter Peregrine de Maricourt Epistola de magnete, den första bevarade avhandlingen som beskrev magneternas egenskaper. År 1282 beskrevs egenskaperna hos kompasser och material med speciella magnetiska egenskaper av al-Ashraf, en jemenitisk fysiker, astronom och geograf.
Renaissance
År 1600 publicerade William Gilberthans "Magnetic Corpus" och "Magnetic Tellurium" ("On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet"). I den här artikeln beskriver han många av sina experiment med sin modelljord, kallad terrella, med vilken han forskat om egenskaperna hos magnetiska material.
Från sina experiment kom han till slutsatsen att jorden i sig är magnetisk och att det är därför kompasser pekade norrut (tidigare trodde vissa att det var polstjärnan (Polaris) eller en stor magnetisk ö i norr Stång som lockade kompassen).
Ny tid
Förståelse av förhållandet mellan elektricitet och material med speciella magnetiska egenskaper dök upp 1819 i arbetet av Hans Christian Oersted, en professor vid Köpenhamns universitet, som upptäckte genom att av misstag rycka en kompassnål nära en tråd som en elektrisk ström kan skapa ett magnetfält. Detta landmärkeexperiment är känt som Oersted-experimentet. Flera andra experiment följde med André-Marie Ampère, som upptäckte 1820 att ett magnetfält som cirkulerade i en sluten bana var relaterat till en ström som flyter runt banans omkrets.
Carl Friedrich Gauss var engagerad i studiet av magnetism. Jean-Baptiste Biot och Felix Savart kom 1820 med Biot-Savart-lagen, som ger den önskade ekvationen. Michael Faraday, som upptäckte 1831 att ett tidsvarierande magnetiskt flöde genom en trådslinga orsakade en spänning. Och andra forskare har hittat ytterligare samband mellan magnetism och elektricitet.
XX-talet och vårttid
James Clerk Maxwell syntetiserade och utökade denna förståelse av Maxwells ekvationer genom att förena elektricitet, magnetism och optik inom området elektromagnetism. År 1905 använde Einstein dessa lagar för att motivera sin speciella relativitetsteori genom att kräva att lagarna gäller i alla tröghetsreferensramar.
Elektromagnetism har fortsatt att utvecklas in i 2000-talet och har införlivats i de mer grundläggande teorierna om mätteori, kvantelektrodynamik, den elektrosvaga teorin och slutligen standardmodellen. Nuförtiden studerar forskare redan de magnetiska egenskaperna hos nanostrukturerade material med kraft och huvud. Men de största och mest fantastiska upptäckterna på detta område ligger förmodligen fortfarande framför oss.
Essence
De magnetiska egenskaperna hos material beror huvudsakligen på de magnetiska momenten hos deras atomers orbitala elektroner. De magnetiska momenten hos atomkärnor är vanligtvis tusentals gånger mindre än elektronernas, och därför är de försumbara i samband med magnetisering av material. Kärnmagnetiska moment är ändå mycket viktiga i andra sammanhang, särskilt vid kärnmagnetisk resonans (NMR) och magnetisk resonanstomografi (MRI).
Vanligtvis är det enorma antalet elektroner i ett material ordnat på ett sådant sätt att deras magnetiska moment (både orbitala och interna) upphävs. Till viss del beror detta på det faktum att elektroner kombineras i par med motsatta inre magnetiska moment som ett resultat av Pauli-principen (se Elektronkonfiguration) och kombineras till fyllda underskal med noll nettoomloppsrörelse.
BI båda fallen använder elektronerna övervägande kretsar där det magnetiska momentet för varje elektron upphävs av den andra elektronens motsatta moment. Dessutom, även när elektronkonfigurationen är sådan att det finns oparade elektroner och/eller ofyllda subskal, är det ofta så att olika elektroner i ett fast ämne kommer att bidra med magnetiska moment som pekar i olika, slumpmässiga riktningar, så att materialet inte kommer att vara magnetisk.
Ibland, antingen spontant eller på grund av ett applicerat externt magnetfält, kommer var och en av elektronernas magnetiska moment i genomsnitt ställas i linje. Rätt material kan då skapa ett starkt nettomagnetfält.
Ett materials magnetiska beteende beror på dess struktur, i synnerhet på dess elektroniska konfiguration, av de skäl som anges ovan, och även på temperaturen. Vid höga temperaturer gör slumpmässiga termiska rörelser det svårt för elektroner att rikta in sig.
Diamagnetism
Diamagnetism finns i alla material och är ett materials tendens att motstå ett applicerat magnetfält och därför stöta bort magnetfältet. Men i ett material med paramagnetiska egenskaper (det vill säga med en tendens att förstärka ett externt magnetfält) dominerar det paramagnetiska beteendet. Sålunda, trots den universella förekomsten, observeras diamagnetiskt beteende endast i ett rent diamagnetiskt material. Det finns inga oparade elektroner i ett diamagnetiskt material, så de inneboende magnetiska momenten hos elektroner kan inte skapavalfri volymeffekt.
Observera att denna beskrivning endast är avsedd som en heuristik. Bohr-Van Leeuwens sats visar att diamagnetism är omöjligt enligt klassisk fysik, och att en korrekt förståelse kräver en kvantmekanisk beskrivning.
Observera att allt material går igenom detta orbitalsvar. Men i paramagnetiska och ferromagnetiska ämnen undertrycks den diamagnetiska effekten av mycket starkare effekter orsakade av oparade elektroner.
Det finns oparade elektroner i ett paramagnetiskt material; det vill säga atomära eller molekylära orbitaler med exakt en elektron i sig. Medan Pauli-uteslutningsprincipen kräver att parade elektroner har sina egna ("snurr") magnetiska moment som pekar i motsatta riktningar, vilket gör att deras magnetiska fält upphävs, kan en oparad elektron rikta in sitt magnetiska moment i båda riktningarna. När ett externt fält appliceras tenderar dessa moment att riktas in i samma riktning som det applicerade fältet, vilket förstärker det.
Ferromagnets
En ferromagnet, som ett paramagnetiskt ämne, har oparade elektroner. Men förutom tendensen hos elektronernas inre magnetiska moment att vara parallell med det applicerade fältet, finns det i dessa material också en tendens för dessa magnetiska moment att orientera sig parallellt med varandra för att upprätthålla ett tillstånd av reducerat energi. Alltså även i avsaknad av ett tillämpat fältde magnetiska momenten för elektronerna i materialet inriktas spontant parallellt med varandra.
Varje ferromagnetiskt ämne har sin egen individuella temperatur, kallad Curie-temperaturen eller Curie-punkten, över vilken den förlorar sina ferromagnetiska egenskaper. Detta beror på att den termiska tendensen till oordning överväger minskningen av energi på grund av ferromagnetisk ordning.
Ferromagnetism förekommer bara i ett fåtal ämnen; järn, nickel, kobolt, deras legeringar och vissa sällsynta jordartsmetaller är vanliga.
De magnetiska momenten hos atomer i ett ferromagnetiskt material gör att de beter sig som små permanentmagneter. De klibbar ihop och kombineras till små områden med mer eller mindre enhetlig inriktning som kallas magnetiska domäner eller Weiss-domäner. Magnetiska domäner kan observeras med hjälp av ett magnetiskt kraftmikroskop för att avslöja magnetiska domängränser som liknar vita linjer i en skiss. Det finns många vetenskapliga experiment som fysiskt kan visa magnetiska fält.
Domänernas roll
När en domän innehåller för många molekyler blir den instabil och delas upp i två domäner riktade i motsatta riktningar för att hålla ihop mer stabilt, som visas till höger.
När de utsätts för ett magnetfält, flyttas domängränserna så att magnetiskt justerade domäner växer och dominerar strukturen (prickat gult område), som visas till vänster. När det magnetiserande fältet tas bort kanske domänerna inte återgår till ett icke-magnetiserat tillstånd. Det här leder tilleftersom det ferromagnetiska materialet magnetiseras och bildar en permanent magnet.
När magnetiseringen var tillräckligt stark så att den dominerande domänen överlappade alla andra, vilket ledde till bildandet av endast en separat domän, var materialet magnetiskt mättat. När ett magnetiserat ferromagnetiskt material värms upp till Curiepunktstemperaturen, blandas molekylerna till den punkt där de magnetiska domänerna förlorar organisation och de magnetiska egenskaper de orsakar upphör. När materialet kyls, återvänder denna domäninriktningsstruktur spontant, ungefär analogt med hur en vätska kan frysa till ett kristallint fast ämne.
Antiferromagnetics
I en antiferromagnet, till skillnad från en ferromagnet, tenderar de inneboende magnetiska momenten för angränsande valenselektroner att peka i motsatta riktningar. När alla atomer är ordnade i ett ämne så att varje granne är antiparallell är ämnet antiferromagnetiskt. Antiferromagneter har ett nettomagnetiskt moment på noll, vilket betyder att de inte skapar ett fält.
Antiferromagneter är ovanligare än andra typer av beteende och observeras oftast vid låga temperaturer. Vid olika temperaturer uppvisar antiferromagneter diamagnetiska och ferromagnetiska egenskaper.
I vissa material föredrar angränsande elektroner att peka i motsatta riktningar, men det finns inget geometriskt arrangemang där varje par av grannar är antiinriktade. Det kallas spinglas ochär ett exempel på geometrisk frustration.
Magnetiska egenskaper hos ferromagnetiska material
Liksom ferromagnetism behåller ferrimagneter sin magnetisering i frånvaro av ett fält. Men precis som antiferromagneter tenderar intilliggande par av elektronsnurr att peka i motsatta riktningar. Dessa två egenskaper motsäger inte varandra eftersom, i ett optim alt geometriskt arrangemang, det magnetiska momentet från ett subgitter av elektroner som pekar i samma riktning är större än från ett subgitter som pekar i motsatt riktning.
De flesta ferriter är ferrimagnetiska. De magnetiska egenskaperna hos ferromagnetiska material idag anses obestridliga. Det första magnetiska ämnet som upptäcktes, magnetit, är en ferrit och ansågs ursprungligen vara en ferromagnet. Louis Neel motbevisade dock detta genom att upptäcka ferrimagnetism.
När en ferromagnet eller ferrimagnet är tillräckligt liten, fungerar den som ett enda magnetiskt spinn som utsätts för Brownsk rörelse. Dess svar på ett magnetfält liknar kvalitativt det för en paramagnet, men mycket mer.
Elektromagneter
En elektromagnet är en magnet där ett magnetfält skapas av en elektrisk ström. Magnetfältet försvinner när strömmen stängs av. Elektromagneter består vanligtvis av ett stort antal tätt åtskilda trådvarv som skapar ett magnetfält. Trådspolar är ofta lindade runt en magnetisk kärna gjord av ferromagnetiskt eller ferrimagnetiskt material.ett material såsom järn; den magnetiska kärnan koncentrerar det magnetiska flödet och skapar en starkare magnet.
Den största fördelen med en elektromagnet framför en permanentmagnet är att magnetfältet snabbt kan ändras genom att kontrollera mängden elektrisk ström i lindningen. Men till skillnad från en permanentmagnet, som inte kräver ström, kräver en elektromagnet en kontinuerlig tillförsel av ström för att upprätthålla magnetfältet.
Elektromagneter används ofta som komponenter i andra elektriska enheter som motorer, generatorer, reläer, solenoider, högtalare, hårddiskar, MRI-maskiner, vetenskapliga instrument och magnetisk separationsutrustning. Elektromagneter används också inom industrin för att greppa och flytta tunga järnföremål som metallskrot och stål. Elektromagnetism upptäcktes 1820. Samtidigt publicerades den första klassificeringen av material enligt magnetiska egenskaper.
