Magnetska svojstva materijala su klasa fizikalnih pojava posredovanih poljima. Električne struje i magnetski momenti elementarnih čestica stvaraju polje koje djeluje na druge struje. Najpoznatiji učinci javljaju se u feromagnetskim materijalima, koji su snažno privučeni magnetskim poljima i mogu postati trajno magnetizirani, stvarajući sama nabijena polja.
Samo nekoliko tvari je feromagnetno. Kako bi se odredila razina razvoja ovog fenomena u određenoj tvari, postoji klasifikacija materijala prema magnetskim svojstvima. Najčešći su željezo, nikal i kob alt i njihove legure. Prefiks fero- odnosi se na željezo jer je trajni magnetizam prvi put uočen u praznom željezu, obliku prirodne željezne rude koja se naziva magnetska svojstva materijala, Fe3O4.
paramagnetski materijali
Ipakferomagnetizam je odgovoran za većinu učinaka magnetizma koji se susreću u svakodnevnom životu, svi ostali materijali su u određenoj mjeri pod utjecajem polja, kao i neke druge vrste magnetizma. Paramagnetske tvari kao što su aluminij i kisik slabo privlače primijenjeno magnetsko polje. Dijamagnetske tvari poput bakra i ugljika slabo se odbijaju.
Dok antiferomagnetski materijali kao što su krom i spin stakla imaju složeniji odnos s magnetskim poljem. Snaga magneta na paramagnetskim, dijamagnetskim i antiferomagnetskim materijalima obično je preslaba da bi se osjetila i može se otkriti samo laboratorijskim instrumentima, tako da te tvari nisu uključene u popis materijala koji imaju magnetska svojstva.
Uvjeti
Magnetsko stanje (ili faza) materijala ovisi o temperaturi i drugim varijablama kao što su tlak i primijenjeno magnetsko polje. Materijal može pokazati više od jednog oblika magnetizma kako se te varijable mijenjaju.
Povijest
Magnetska svojstva materijala prvi put su otkrivena u antičkom svijetu kada su ljudi primijetili da magneti, prirodno magnetizirani dijelovi minerala, mogu privući željezo. Riječ "magnet" dolazi od grčkog izraza Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnezijski kamen, stopalo".
U staroj Grčkoj Aristotel je pripisao prvu od onoga što bi se moglo nazvati znanstvenom raspravom o magnetskim svojstvima materijala,filozof Tales iz Mileta, koji je živio od 625. pr. e. prije 545. pr e. Drevni indijski medicinski tekst Sushruta Samhita opisuje upotrebu magnetita za uklanjanje strijela ugrađenih u ljudsko tijelo.
Drevna Kina
U staroj Kini, najranije književno spominjanje električnih i magnetskih svojstava materijala nalazi se u knjizi iz 4. stoljeća prije Krista nazvanoj po svom autoru, Mudrac iz doline duhova. Najraniji spomen privlačenja igle nalazi se u djelu iz 1. stoljeća Lunheng (Uravnoteženi zahtjevi): "Magnet privlači iglu."
Kineski znanstvenik iz 11. stoljeća Shen Kuo bio je prva osoba koja je opisao - u Dream Pool Essay - magnetski kompas s iglom i da je poboljšao točnost navigacije pomoću astronomskih metoda. koncept pravog sjevera. Do 12. stoljeća Kinezi su znali koristiti magnetni kompas za navigaciju. Žlicu za vođenje oblikovali su od kamena tako da drška žlice uvijek pokazuje na jug.
Srednji vijek
Alexander Neckam, do 1187., bio je prvi u Europi koji je opisao kompas i njegovu upotrebu za navigaciju. Ovaj istraživač je prvi put u Europi temeljito utvrdio svojstva magnetskih materijala. Godine 1269. Peter Peregrine de Maricourt napisao je Epistola de magnete, prvu sačuvanu raspravu koja opisuje svojstva magneta. Godine 1282. svojstva kompasa i materijala s posebnim magnetskim svojstvima opisao je al-Ashraf, jemenski fizičar, astronom i geograf.
Renesansa
Godine 1600. objavio je William Gilbertnjegov “Magnetski korpus” i “Magnetski telur” (“O magnetu i magnetskim tijelima, a također i o velikom zemaljskom magnetu”). U ovom radu opisuje mnoge od svojih eksperimenata sa svojim modelom zemlje, nazvanom terrella, s kojim je provodio istraživanja o svojstvima magnetskih materijala.
Iz svojih eksperimenata došao je do zaključka da je sama Zemlja magnetska i da su zato kompasi usmjereni prema sjeveru (ranije su neki vjerovali da je to polarna zvijezda (Polaris) ili veliki magnetski otok na sjeveru Stup koji je privukao kompas).
Novo vrijeme
Razumijevanje odnosa između elektriciteta i materijala s posebnim magnetskim svojstvima pojavilo se 1819. u djelu Hansa Christiana Oersteda, profesora na Sveučilištu u Kopenhagenu, koji je slučajno trzanjem igle kompasa u blizini žice otkrio da električni struja može stvoriti magnetsko polje. Ovaj značajan eksperiment poznat je kao Oerstedov eksperiment. Uslijedilo je nekoliko drugih eksperimenata s André-Marie Ampèreom, koji je 1820. otkrio da je magnetsko polje koje kruži u zatvorenom putu povezano sa strujom koja teče oko perimetra puta.
Carl Friedrich Gauss bavio se proučavanjem magnetizma. Jean-Baptiste Biot i Felix Savart su 1820. godine došli do Biot-Savartovog zakona, koji daje željenu jednadžbu. Michael Faraday, koji je 1831. otkrio da vremenski promjenjivi magnetski tok kroz žičanu petlju uzrokuje napon. I drugi znanstvenici su pronašli daljnje veze između magnetizma i elektriciteta.
XX stoljeće i naševrijeme
James Clerk Maxwell sintetizirao je i proširio ovo razumijevanje Maxwellovih jednadžbi objedinjavajući elektricitet, magnetizam i optiku u polju elektromagnetizma. Godine 1905. Einstein je koristio ove zakone da motivira svoju teoriju specijalne relativnosti zahtijevajući da zakoni vrijede u svim inercijskim referentnim okvirima.
Elektromagnetizam se nastavio razvijati u 21. stoljeće, ugrađujući se u temeljnije teorije mjerne teorije, kvantne elektrodinamike, elektroslabe teorije i konačno u standardni model. Danas znanstvenici već uvelike proučavaju magnetska svojstva nanostrukturiranih materijala. Ali najveća i najnevjerojatnija otkrića na ovom području vjerojatno su još uvijek pred nama.
Essence
Magnetska svojstva materijala uglavnom su posljedica magnetskih momenata orbitalnih elektrona njihovih atoma. Magnetski momenti atomskih jezgri obično su tisuće puta manji od elektrona, pa su stoga zanemarivi u kontekstu magnetizacije materijala. Nuklearni magnetski momenti su ipak vrlo važni u drugim kontekstima, posebno u nuklearnoj magnetskoj rezonanciji (NMR) i magnetskoj rezonanciji (MRI).
Obično je ogroman broj elektrona u materijalu raspoređen na takav način da su njihovi magnetski momenti (i orbitalni i unutarnji) poništeni. Do neke mjere, to je zbog činjenice da se elektroni kombiniraju u parovima s suprotnim intrinzičnim magnetskim momentima kao rezultat Paulijevog principa (vidi Konfiguracija elektrona) i kombiniraju se u ispunjene podljuske s nultim neto orbitalnim gibanjem.
BU oba slučaja, elektroni pretežno koriste sklopove u kojima je magnetski moment svakog elektrona poništen suprotnim momentom drugog elektrona. Štoviše, čak i kada je konfiguracija elektrona takva da postoje nespareni elektroni i/ili neispunjene podljuske, često je slučaj da će različiti elektroni u krutom tijelu doprinijeti magnetskim momentima koji pokazuju u različitim, slučajnim smjerovima, tako da materijal neće biti magnetski.
Ponekad, bilo spontano ili zbog primijenjenog vanjskog magnetskog polja, svaki od magnetskih momenata elektrona će se u prosjeku poravnati. Pravi materijal tada može stvoriti jako neto magnetsko polje.
Magnetsko ponašanje materijala ovisi o njegovoj strukturi, posebno o njegovoj elektroničkoj konfiguraciji, iz gore navedenih razloga, a također i o temperaturi. Na visokim temperaturama, nasumično toplinsko kretanje otežava poravnanje elektrona.
Dijamagnetizam
Dijamagnetizam se nalazi u svim materijalima i predstavlja sklonost materijala da se odupire primijenjenom magnetskom polju i stoga odbija magnetsko polje. Međutim, u materijalu s paramagnetskim svojstvima (tj. s tendencijom jačanja vanjskog magnetskog polja) dominira paramagnetno ponašanje. Dakle, unatoč univerzalnoj pojavi, dijamagnetno ponašanje se opaža samo u čisto dijamagnetskom materijalu. U dijamagnetskom materijalu nema nesparenih elektrona, tako da intrinzični magnetski momenti elektrona ne mogu stvoritibilo koji učinak volumena.
Napominjemo da je ovaj opis namijenjen samo kao heuristički. Bohr-Van Leeuwenov teorem pokazuje da je dijamagnetizam nemoguć prema klasičnoj fizici i da ispravno razumijevanje zahtijeva kvantnomehanički opis.
Napominjemo da svi materijali prolaze kroz ovaj orbitalni odgovor. Međutim, u paramagnetskim i feromagnetskim tvarima, dijamagnetski učinak potisnut je mnogo jačim efektima uzrokovanim nesparenim elektronima.
U paramagnetskom materijalu postoje nespareni elektroni; odnosno atomske ili molekularne orbitale s točno jednim elektronom u sebi. Dok Paulijev princip isključivanja zahtijeva da upareni elektroni imaju svoje vlastite ("spin") magnetske momente usmjerene u suprotnim smjerovima, uzrokujući poništavanje njihovih magnetskih polja, nespareni elektron može poravnati svoj magnetski moment u bilo kojem smjeru. Kada se primjenjuje vanjsko polje, ovi momenti će imati tendenciju da se poravnaju u istom smjeru kao i primijenjeno polje, ojačavajući ga.
Feromagneti
Feromagnet, kao paramagnetska tvar, ima nesparene elektrone. Međutim, osim težnje da intrinzični magnetski moment elektrona bude paralelan s primijenjenim poljem, u tim materijalima postoji i tendencija da se ti magnetski momenti međusobno orijentiraju paralelno kako bi zadržali stanje smanjenog energije. Dakle, čak i u nedostatku primijenjenog poljamagnetski momenti elektrona u materijalu spontano se poravnavaju paralelno jedan s drugim.
Svaka feromagnetska tvar ima svoju individualnu temperaturu, nazvanu Curiejeva temperatura, ili Curiejeva točka, iznad koje gubi svoja feromagnetska svojstva. To je zato što toplinska sklonost poremećaju nadvladava smanjenje energije zbog feromagnetskog reda.
Feromagnetizam se javlja samo u nekoliko tvari; željezo, nikal, kob alt, njihove legure i neke legure rijetkih zemalja su uobičajene.
Magnetni momenti atoma u feromagnetskom materijalu uzrokuju da se ponašaju poput sićušnih trajnih magneta. Oni se drže zajedno i spajaju u male regije više ili manje ujednačenog poravnanja koje se nazivaju magnetske domene ili Weissove domene. Magnetske domene mogu se promatrati pomoću mikroskopa magnetske sile kako bi se otkrile granice magnetske domene koje nalikuju bijelim linijama na skici. Postoje mnogi znanstveni eksperimenti koji fizički mogu pokazati magnetska polja.
Uloga domena
Kada domena sadrži previše molekula, postaje nestabilna i dijeli se na dvije domene poravnate u suprotnim smjerovima kako bi se stabilnije držale zajedno, kao što je prikazano s desne strane.
Kada su izložene magnetskom polju, granice domene se pomiču tako da magnetski poravnate domene rastu i dominiraju strukturom (točkasto žuto područje), kao što je prikazano na lijevoj strani. Kada se magnetizirajuće polje ukloni, domene se možda neće vratiti u nemagnetizirano stanje. Ovo vodi dojer je feromagnetski materijal magnetiziran, tvoreći trajni magnet.
Kada je magnetizacija bila dovoljno jaka da se dominantna domena preklapa sa svim ostalim, što je dovelo do formiranja samo jedne zasebne domene, materijal je bio magnetski zasićen. Kada se magnetizirani feromagnetski materijal zagrije do temperature Curie točke, molekule se miješaju do točke u kojoj magnetske domene gube organizaciju i magnetska svojstva koja uzrokuju prestaju. Kada se materijal ohladi, ova struktura poravnanja domene spontano se vraća, otprilike analogno tome kako se tekućina može smrznuti u kristalnu krutinu.
Antiferromagnetici
U antiferomagnetu, za razliku od feromagneta, intrinzični magnetski momenti susjednih valentnih elektrona teže usmjereni u suprotnim smjerovima. Kada su svi atomi raspoređeni u tvari tako da je svaki susjed antiparalelan, tvar je antiferomagnetna. Antiferomagneti imaju neto magnetski moment nula, što znači da ne stvaraju polje.
Antiferromagneti su rjeđi od drugih tipova ponašanja i najčešće se opažaju na niskim temperaturama. Na različitim temperaturama, antiferomagneti pokazuju dijamagnetska i feromagnetska svojstva.
U nekim materijalima, susjedni elektroni radije pokazuju u suprotnim smjerovima, ali ne postoji geometrijski raspored u kojem je svaki par susjeda anti-poravnan. Zove se spin staklo iprimjer je geometrijske frustracije.
Magnetska svojstva feromagnetnih materijala
Poput feromagnetizma, ferimagneti zadržavaju svoju magnetizaciju u odsutnosti polja. Međutim, poput antiferomagneta, susjedni parovi spinova elektrona teže usmjereni u suprotnim smjerovima. Ova dva svojstva nisu međusobno proturječna jer je, u optimalnom geometrijskom rasporedu, magnetski moment iz podrešetke elektrona koji su usmjereni u istom smjeru veći nego iz podrešetke koja pokazuje u suprotnom smjeru.
Većina ferita je ferimagnetna. Magnetska svojstva feromagnetskih materijala danas se smatraju nepobitnim. Prva otkrivena magnetska tvar, magnetit, je ferit i izvorno se smatralo da je feromagnet. Međutim, Louis Neel je to opovrgnuo otkrivši ferimagnetizam.
Kada je feromagnet ili ferimagnet dovoljno mali, djeluje kao jedan magnetski spin koji je podložan Brownovskom gibanju. Njegov odgovor na magnetsko polje kvalitativno je sličan onom paramagneta, ali mnogo više.
Elektromagneti
Elektromagnet je magnet u kojem se električnom strujom stvara magnetsko polje. Magnetno polje nestaje kada se struja isključi. Elektromagneti se obično sastoje od velikog broja blisko raspoređenih zavoja žice koji stvaraju magnetsko polje. Zavojnice žice često su namotane oko magnetske jezgre izrađene od feromagnetskog ili ferimagnetskog materijala.materijal kao što je željezo; magnetska jezgra koncentrira magnetski tok i stvara jači magnet.
Glavna prednost elektromagneta u odnosu na trajni magnet je ta što se magnetsko polje može brzo mijenjati kontroliranjem količine električne struje u namotu. Međutim, za razliku od trajnog magneta, koji ne zahtijeva napajanje, elektromagnet zahtijeva kontinuiranu opskrbu strujom za održavanje magnetskog polja.
Elektromagneti se široko koriste kao komponente drugih električnih uređaja kao što su motori, generatori, releji, solenoidi, zvučnici, tvrdi diskovi, MRI strojevi, znanstveni instrumenti i oprema za magnetsko odvajanje. Elektromagneti se također koriste u industriji za hvatanje i pomicanje teških željeznih predmeta kao što su otpadni metal i čelik. Elektromagnetizam je otkriven 1820. U isto vrijeme objavljena je prva klasifikacija materijala prema magnetskim svojstvima.
