Նյութի մագնիսական հատկությունները դաշտերի միջնորդությամբ ֆիզիկական երևույթների դաս են։ Էլեկտրական հոսանքները և տարրական մասնիկների մագնիսական պահերը առաջացնում են դաշտ, որը գործում է այլ հոսանքների վրա: Առավել ծանոթ էֆեկտները տեղի են ունենում ֆերոմագնիսական նյութերում, որոնք ուժեղ ձգվում են մագնիսական դաշտերով և կարող են մշտապես մագնիսանալ՝ ստեղծելով լիցքավորված դաշտերը:
Միայն մի քանի նյութեր են ֆերոմագնիսական: Որոշակի նյութում այս երևույթի զարգացման մակարդակը որոշելու համար կա նյութերի դասակարգում ըստ մագնիսական հատկությունների: Առավել տարածված են երկաթը, նիկելը և կոբալտը և դրանց համաձուլվածքները։ Ferro- նախածանցը վերաբերում է երկաթին, քանի որ մշտական մագնիսականությունը առաջին անգամ նկատվել է դատարկ երկաթի մեջ, բնական երկաթի հանքաքարի մի ձև, որը կոչվում է նյութի մագնիսական հատկություններ՝ Fe3O4::
Պարամագնիսական նյութեր
Չնայածֆերոմագնիսականությունը պատասխանատու է առօրյա կյանքում հանդիպող մագնիսականության հետևանքների մեծ մասի համար, մնացած բոլոր նյութերը որոշ չափով ազդում են դաշտի, ինչպես նաև մագնիսականության որոշ այլ տեսակների վրա: Պարամագնիսական նյութերը, ինչպիսիք են ալյումինը և թթվածինը, թույլ են ձգվում դեպի կիրառվող մագնիսական դաշտը: Դիամագնիսական նյութերը, ինչպիսիք են պղինձը և ածխածինը, թույլ են վանում:
Մինչ հակաֆերոմագնիսական նյութերը, ինչպիսիք են քրոմը և պտտվող ապակիները, ավելի բարդ հարաբերություններ ունեն մագնիսական դաշտի հետ: Պարամագնիսական, դիամագնիսական և հակաֆերոմագնիսական նյութերի վրա մագնիսի ուժը սովորաբար չափազանց թույլ է, որպեսզի զգալ և հնարավոր է հայտնաբերել միայն լաբորատոր սարքերի միջոցով, ուստի այդ նյութերը ներառված չեն մագնիսական հատկություններ ունեցող նյութերի ցանկում։
Պայմաններ
Նյութի մագնիսական վիճակը (կամ փուլը) կախված է ջերմաստիճանից և այլ փոփոխականներից, ինչպիսիք են ճնշումը և կիրառվող մագնիսական դաշտը: Նյութը կարող է դրսևորել մագնիսականության մեկից ավելի ձևեր, քանի որ այս փոփոխականները փոխվում են:
Պատմություն
Նյութի մագնիսական հատկությունները առաջին անգամ հայտնաբերվել են հին աշխարհում, երբ մարդիկ նկատեցին, որ մագնիսները՝ հանքանյութերի բնական մագնիսացված կտորները, կարող են գրավել երկաթը: «Մագնիս» բառը գալիս է հունարեն «Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos» տերմինից, «մագնիսական քար, ստորաքար»:
Հին Հունաստանում Արիստոտելը վերագրեց նյութերի մագնիսական հատկությունների մասին գիտական քննարկումից առաջինը, որը կարելի է անվանել.փիլիսոփա Թալես Միլետացին, ով ապրել է մ.թ.ա. 625 թվականից։ ե. 545-ից առաջ ե. Հին հնդկական բժշկական տեքստը Սուշրուտա Սամհիտան նկարագրում է մագնետիտի օգտագործումը մարդու մարմնում ներկառուցված նետերը հեռացնելու համար:
Հին Չինաստան
Հին Չինաստանում նյութերի էլեկտրական և մագնիսական հատկությունների մասին ամենավաղ գրական հղումը հայտնաբերվել է մ. Ասեղի ձգման մասին ամենավաղ հիշատակումը 1-ին դարի Lunheng (Հավասարակշռված հարցումներ) աշխատության մեջ է. «Մագնիսը ձգում է ասեղը»:
11-րդ դարի չինացի գիտնական Շեն Կուոն առաջին մարդն էր, ով նկարագրեց «Dream Pool Essay»-ում ասեղով մագնիսական կողմնացույցը և որ այն բարելավեց նավարկության ճշգրտությունը աստղագիտական մեթոդների միջոցով: իրական հյուսիսի հայեցակարգը. 12-րդ դարում չինացիները հայտնի էին, որ նավագնացության համար օգտագործում էին մագնիսական կողմնացույց: Նրանք ուղղորդող գդալը պատրաստել են քարից, որպեսզի գդալի բռնակը միշտ ուղղված լինի դեպի հարավ։
միջնադար
Ալեքսանդր Նեքամը մինչև 1187 թվականը Եվրոպայում առաջինն էր, ով նկարագրեց կողմնացույցը և դրա օգտագործումը նավարկության համար: Այս հետազոտողն առաջին անգամ Եվրոպայում հիմնովին հաստատել է մագնիսական նյութերի հատկությունները։ 1269 թվականին Պիտեր Պերեգրին դե Մարիկուրը գրել է Epistola de magnete-ը՝ առաջին պահպանված տրակտատը, որը նկարագրում է մագնիսների հատկությունները։ 1282 թվականին կողմնացույցների և հատուկ մագնիսական հատկություններով նյութերի հատկությունները նկարագրվել են եմենցի ֆիզիկոս, աստղագետ և աշխարհագրագետ ալ-Աշրաֆի կողմից։
Վերածնունդ
1600 թվականին Ուիլյամ Գիլբերտը հրատարակեցնրա «Magnetic Corpus» և «Magnetic Tellurium» («Մագնիսի և մագնիսական մարմինների, ինչպես նաև Երկրի մեծ մագնիսների վրա»): Այս հոդվածում նա նկարագրում է իր շատ փորձեր երկրի մոդելի հետ, որը կոչվում է տերելլա, որի օգնությամբ նա հետազոտություն է անցկացրել մագնիսական նյութերի հատկությունների վերաբերյալ:
Իր փորձերից նա եկել է այն եզրակացության, որ Երկիրն ինքնին մագնիսական է, և դա է պատճառը, որ կողմնացույցները ուղղված են դեպի հյուսիս (ավելի վաղ ոմանք կարծում էին, որ դա բևեռային աստղն է (Պոլարիսը) կամ մեծ մագնիսական կղզին հյուսիսում։ Բևեռ, որը գրավել է կողմնացույցը).
Նոր ժամանակ
Էլեկտրականության և հատուկ մագնիսական հատկություններով նյութերի փոխհարաբերությունների ըմբռնումը հայտնվեց 1819 թվականին Կոպենհագենի համալսարանի պրոֆեսոր Հանս Քրիստիան Օերսթեդի աշխատության մեջ, ով լարերի մոտ կողմնացույցի ասեղը պատահաբար սեղմելով հայտնաբերեց, որ էլեկտրական հոսանքը կարող է ստեղծել մագնիսական դաշտ: Այս ուղենիշային փորձը հայտնի է որպես Oersted Experiment: Հետևեցին մի քանի այլ փորձեր Անդրե-Մարի Ամպերի հետ, ով 1820 թվականին հայտնաբերեց, որ փակ ճանապարհով շրջանառվող մագնիսական դաշտը կապված է ուղու պարագծի շուրջ հոսող հոսանքի հետ:
Կառլ Ֆրիդրիխ Գաուսը զբաղվում էր մագնիսականության ուսումնասիրությամբ։ Ժան-Բատիստ Բիոն և Ֆելիքս Սավարտը 1820 թվականին եկան Բիոտ-Սավարտի օրենքը, որը տալիս է ցանկալի հավասարումը: Մայքլ Ֆարադեյը, ով 1831 թվականին հայտնաբերեց, որ ժամանակի փոփոխվող մագնիսական հոսքը մետաղալարերի հանգույցի միջով առաջացնում է լարման: Եվ այլ գիտնականներ հետագա կապեր են գտել մագնիսականության և էլեկտրականության միջև։
XX դարը և մերժամը
Ջեյմս Քլերք Մաքսվելը սինթեզել և ընդլայնել է Մաքսվելի հավասարումների այս հասկացողությունը՝ միավորելով էլեկտրականությունը, մագնիսականությունը և օպտիկան էլեկտրամագնիսականության ոլորտում: 1905 թվականին Էյնշտեյնը օգտագործեց այս օրենքները՝ հիմնավորելու իր հարաբերականության հատուկ տեսությունը՝ պահանջելով, որ օրենքները ճշմարիտ լինեն բոլոր իներցիոն հղման համակարգերում։
Էլեկտրամագնիսականությունը շարունակել է զարգանալ մինչև 21-րդ դար՝ ներառվելով չափիչի տեսության, քվանտային էլեկտրադինամիկայի, էլեկտրաթույլ տեսության և վերջապես ստանդարտ մոդելի ավելի հիմնարար տեսությունների մեջ: Մեր օրերում գիտնականներն արդեն մեծ ուժով և հիմնականով ուսումնասիրում են նանոկառուցվածքային նյութերի մագնիսական հատկությունները։ Բայց այս ոլորտում ամենամեծ և զարմանալի հայտնագործությունները, հավանաբար, դեռ առջևում են:
Էություն
Նյութերի մագնիսական հատկությունները հիմնականում պայմանավորված են նրանց ատոմների ուղեծրային էլեկտրոնների մագնիսական մոմենտներով։ Ատոմային միջուկների մագնիսական պահերը սովորաբար հազարավոր անգամ ավելի փոքր են, քան էլեկտրոնները, և, հետևաբար, դրանք աննշան են նյութերի մագնիսացման համատեքստում: Միջուկային մագնիսական մոմենտները, այնուամենայնիվ, շատ կարևոր են այլ համատեքստերում, հատկապես միջուկային մագնիսական ռեզոնանսային (NMR) և մագնիսական ռեզոնանսային պատկերավորման (MRI):
Սովորաբար, նյութի մեջ էլեկտրոնների հսկայական քանակությունը դասավորված է այնպես, որ դրանց մագնիսական մոմենտները (և ուղեծրային և ներքին) զրոյացված են: Որոշ չափով դա պայմանավորված է նրանով, որ էլեկտրոնները զույգերով միավորվում են հակադիր ներքին մագնիսական մոմենտներով՝ Պաուլիի սկզբունքի արդյունքում (տես Էլեկտրոնի կոնֆիգուրացիան) և միանում են լցված ենթաթաղանթների մեջ՝ զրոյական զուտ ուղեծրային շարժումով:
BԵրկու դեպքում էլ էլեկտրոնները հիմնականում օգտագործում են սխեմաներ, որոնցում յուրաքանչյուր էլեկտրոնի մագնիսական մոմենտը չեղարկվում է մյուս էլեկտրոնի հակառակ պահով: Ավելին, նույնիսկ երբ էլեկտրոնների կոնֆիգուրացիան այնպիսին է, որ կան չզույգված էլեկտրոններ և/կամ չլցված ենթաշերտեր, հաճախ է պատահում, որ պինդ մարմնի տարբեր էլեկտրոնները նպաստում են մագնիսական մոմենտներին, որոնք ուղղված են տարբեր, պատահական ուղղություններով, այնպես որ նյութը չի հայտնվի: մագնիսական.
Երբեմն, կա՛մ ինքնաբերաբար, կա՛մ կիրառվող արտաքին մագնիսական դաշտի պատճառով, էլեկտրոնների մագնիսական մոմենտներից յուրաքանչյուրը միջինում գծվում է: Այնուհետև ճիշտ նյութը կարող է ստեղծել ուժեղ զուտ մագնիսական դաշտ:
Նյութի մագնիսական վարքագիծը կախված է նրա կառուցվածքից, մասնավորապես էլեկտրոնային կոնֆիգուրացիայից, վերը նշված պատճառներով, ինչպես նաև ջերմաստիճանից: Բարձր ջերմաստիճանի դեպքում պատահական ջերմային շարժումը դժվարացնում է էլեկտրոնների հավասարեցումը։
Diamagnetism
Դիամագնիսականությունը հանդիպում է բոլոր նյութերում և նյութի հակվածությունն է՝ դիմակայել կիրառական մագնիսական դաշտին և հետևաբար վանել մագնիսական դաշտը։ Այնուամենայնիվ, պարամագնիսական հատկություններով (այսինքն՝ արտաքին մագնիսական դաշտն ուժեղացնելու միտումով) նյութում գերակշռում է պարամագնիսական վարքը։ Այսպիսով, չնայած համընդհանուր երևույթին, դիամագնիսական վարքագիծը նկատվում է միայն զուտ դիամագնիսական նյութում։ Դիամագնիսական նյութում չկան չզույգված էլեկտրոններ, ուստի էլեկտրոնների ներքին մագնիսական պահերը չեն կարող ստեղծելցանկացած ծավալի էֆեկտ։
Խնդրում ենք նկատի ունենալ, որ այս նկարագրությունը նախատեսված է միայն որպես էվրիստիկա: Բոր-Վան Լևենի թեորեմը ցույց է տալիս, որ դիամագնիսականությունն անհնար է դասական ֆիզիկայի համաձայն, և որ ճիշտ ըմբռնումը պահանջում է քվանտային մեխանիկական նկարագրություն:
Նշեք, որ բոլոր նյութերն անցնում են այս ուղեծրային արձագանքով: Այնուամենայնիվ, պարամագնիսական և ֆերոմագնիսական նյութերում դիամագնիսական էֆեկտը ճնշվում է շատ ավելի ուժեղ ազդեցություններով, որոնք առաջանում են չզույգված էլեկտրոնների կողմից:
Պարամագնիսական նյութում կան չզույգված էլեկտրոններ. այսինքն՝ ատոմային կամ մոլեկուլային օրբիտալներ, որոնց մեջ կա ուղիղ մեկ էլեկտրոն։ Թեև Պաուլիի բացառման սկզբունքը պահանջում է, որ զույգ էլեկտրոնները ունենան իրենց մագնիսական մոմենտները, որոնք ուղղված են հակառակ ուղղություններով, ինչը հանգեցնում է նրանց մագնիսական դաշտերի չեղարկմանը, չզույգված էլեկտրոնը կարող է հավասարեցնել իր մագնիսական մոմենտը երկու ուղղությամբ: Երբ արտաքին դաշտը կիրառվում է, այս պահերը հակված են հարթվելու նույն ուղղությամբ, ինչ կիրառական դաշտը՝ ուժեղացնելով այն:
Ֆեռոմագնիսներ
Ֆեռոմագնիսը, որպես պարամագնիսական նյութ, ունի չզույգված էլեկտրոններ: Այնուամենայնիվ, ի լրումն էլեկտրոնների ներքին մագնիսական մոմենտի՝ կիրառական դաշտին զուգահեռ լինելու միտումին, այս նյութերում կա նաև միտում, որ այս մագնիսական մոմենտները միմյանց զուգահեռ կողմնորոշվեն՝ նվազեցնելու վիճակը պահպանելու համար։ էներգիա. Այսպիսով, նույնիսկ կիրառական դաշտի բացակայության դեպքումնյութի էլեկտրոնների մագնիսական մոմենտները ինքնաբերաբար հավասարվում են միմյանց զուգահեռ։
Յուրաքանչյուր ֆերոմագնիսական նյութ ունի իր անհատական ջերմաստիճանը, որը կոչվում է Կյուրիի ջերմաստիճան կամ Կյուրիի կետ, որից բարձր այն կորցնում է իր ֆերոմագնիսական հատկությունները: Դա պայմանավորված է նրանով, որ խանգարման ջերմային հակումը գերակշռում է էներգիայի կրճատմանը ֆերոմագնիսական կարգի պատճառով:
Ֆեռոմագնիսականությունը տեղի է ունենում միայն մի քանի նյութերում. երկաթը, նիկելը, կոբալտը, դրանց համաձուլվածքները և որոշ հազվագյուտ հողային համաձուլվածքներ տարածված են։
Ատոմների մագնիսական պահերը ֆերոմագնիսական նյութում ստիպում են նրանց վարվել ինչպես փոքրիկ մշտական մագնիսներ: Նրանք կպչում են միմյանց և միավորվում են քիչ թե շատ միատեսակ հավասարեցված փոքր շրջաններում, որոնք կոչվում են մագնիսական տիրույթներ կամ Վայս տիրույթներ: Մագնիսական տիրույթները կարելի է դիտարկել մագնիսական ուժի մանրադիտակի միջոցով՝ բացահայտելու մագնիսական տիրույթի սահմանները, որոնք նման են ուրվագծի սպիտակ գծերին: Կան բազմաթիվ գիտական փորձեր, որոնք կարող են ֆիզիկապես ցույց տալ մագնիսական դաշտերը:
Դոմենների դերը
Երբ տիրույթը պարունակում է չափազանց շատ մոլեկուլներ, այն դառնում է անկայուն և բաժանվում է երկու տիրույթների, որոնք հավասարեցված են հակառակ ուղղություններով, որպեսզի միմյանց ավելի կայուն մնան, ինչպես ցույց է տրված աջ կողմում:
Երբ ենթարկվում է մագնիսական դաշտի, տիրույթի սահմանները շարժվում են այնպես, որ մագնիսականորեն հավասարեցված տիրույթներն աճեն և գերիշխեն կառուցվածքի վրա (կետավոր դեղին տարածք), ինչպես ցույց է տրված ձախ կողմում: Երբ մագնիսացնող դաշտը հանվում է, տիրույթները կարող են չվերադառնալ ոչ մագնիսացված վիճակի: Սա հանգեցնում էքանի որ ֆերոմագնիսական նյութը մագնիսացվում է՝ ձևավորելով մշտական մագնիս։
Երբ մագնիսացումն այնքան ուժեղ էր, որ գերիշխող տիրույթը համընկավ բոլոր մյուսների վրա, ինչը հանգեցրեց միայն մեկ առանձին տիրույթի ձևավորմանը, նյութը մագնիսականորեն հագեցած էր: Երբ մագնիսացված ֆերոմագնիսական նյութը տաքացվում է մինչև Կյուրիի կետի ջերմաստիճանը, մոլեկուլները խառնվում են մինչև այն կետը, որտեղ մագնիսական տիրույթները կորցնում են կազմակերպվածությունը, և դրանց առաջացրած մագնիսական հատկությունները դադարում են: Երբ նյութը սառչում է, այս տիրույթի հավասարեցման կառուցվածքը ինքնաբերաբար վերադառնում է, մոտավորապես նման է այն բանին, թե ինչպես հեղուկը կարող է սառչել բյուրեղային պինդի մեջ:
Հակաֆերոմագնիսական
Հակաֆերոմագնիսում, ի տարբերություն ֆերոմագնիսների, հարևան վալենտային էլեկտրոնների ներքին մագնիսական պահերը հակված են հակառակ ուղղություններով ուղղվելու: Երբ բոլոր ատոմները դասավորված են նյութի մեջ այնպես, որ յուրաքանչյուր հարևան հակազուգահեռ լինի, նյութը հակաֆերոմագնիսական է: Հակաֆերոմագնիսներն ունեն զուտ մագնիսական մոմենտ զրոյական, ինչը նշանակում է, որ նրանք դաշտ չեն ստեղծում:
Հակաֆերոմագնիսներն ավելի հազվադեպ են, քան վարքագծի այլ տեսակներ և առավել հաճախ նկատվում են ցածր ջերմաստիճաններում: Տարբեր ջերմաստիճաններում հակաֆերոմագնիսները ցուցադրում են դիամագնիսական և ֆերոմագնիսական հատկություններ։
Որոշ նյութերում հարևան էլեկտրոնները նախընտրում են ուղղորդվել հակառակ ուղղություններով, սակայն չկա երկրաչափական դասավորություն, որի դեպքում հարևանների յուրաքանչյուր զույգ հակահարված է: Այն կոչվում է սպին ապակի ևերկրաչափական հիասթափության օրինակ է։
Ֆեռոմագնիսական նյութերի մագնիսական հատկություններ
Ինչպես ֆերոմագնիսականությունը, ֆերիմագնիսները պահպանում են իրենց մագնիսացումը դաշտի բացակայության դեպքում: Այնուամենայնիվ, ինչպես հակաֆերոմագնիսները, էլեկտրոնների հարակից զույգերը հակված են հակառակ ուղղություններով ուղղվելու: Այս երկու հատկությունները չեն հակասում միմյանց, քանի որ օպտիմալ երկրաչափական դասավորության դեպքում էլեկտրոնների ենթացանցից մագնիսական մոմենտը, որը ուղղված է նույն ուղղությամբ, ավելի մեծ է, քան հակառակ ուղղությամբ ուղղվող ենթացանցից:
Ֆերիտների մեծ մասը ֆերիմագնիսական են: Ֆեռոմագնիսական նյութերի մագնիսական հատկություններն այսօր անհերքելի են համարվում: Հայտնաբերված առաջին մագնիսական նյութը՝ մագնետիտը, ֆերիտ է և ի սկզբանե համարվում էր ֆերոմագնիս: Այնուամենայնիվ, Լուի Նիլը հերքեց դա՝ հայտնաբերելով ֆերիմագնիսականությունը։
Երբ ֆեռոմագնիսը կամ ֆերիմագնիսը բավականաչափ փոքր է, այն գործում է որպես մեկ մագնիսական պտույտ, որը ենթակա է Բրոունյան շարժմանը: Նրա արձագանքը մագնիսական դաշտին որակապես նման է պարամագնիսականի արձագանքին, բայց շատ ավելին։
Էլեկտրամագնիսներ
Էլեկտրամագնիսը մագնիս է, որի մեջ մագնիսական դաշտ է առաջանում էլեկտրական հոսանքի միջոցով: Մագնիսական դաշտը անհետանում է, երբ հոսանքն անջատվում է: Էլեկտրամագնիսները սովորաբար բաղկացած են մետաղալարերի մեծ թվով սերտորեն բաժանված պտույտներից, որոնք ստեղծում են մագնիսական դաշտ: Մետաղական պարույրները հաճախ պտտվում են ֆերոմագնիսական կամ ֆերամագնիսական նյութից պատրաստված մագնիսական միջուկի շուրջ:նյութ, ինչպիսին է երկաթը; մագնիսական միջուկը կենտրոնացնում է մագնիսական հոսքը և ստեղծում ավելի ուժեղ մագնիս։
Էլեկտրամագնիսների հիմնական առավելությունը մշտական մագնիսների նկատմամբ այն է, որ մագնիսական դաշտը կարող է արագ փոփոխվել՝ վերահսկելով ոլորուն էլեկտրական հոսանքի քանակը: Այնուամենայնիվ, ի տարբերություն մշտական մագնիսի, որը հոսանք չի պահանջում, էլեկտրամագնիսը մագնիսական դաշտը պահպանելու համար պահանջում է հոսանքի շարունակական մատակարարում:
Էլեկտրամագնիսները լայնորեն օգտագործվում են որպես այլ էլեկտրական սարքերի բաղադրիչներ, ինչպիսիք են շարժիչները, գեներատորները, ռելեները, էլեկտրամագնիսական սարքերը, բարձրախոսները, կոշտ սկավառակները, MRI մեքենաները, գիտական գործիքները և մագնիսական բաժանման սարքավորումները: Էլեկտրամագնիսները օգտագործվում են նաև արդյունաբերության մեջ՝ ծանր երկաթյա առարկաները բռնելու և տեղափոխելու համար, ինչպիսիք են մետաղի ջարդոնը և պողպատը: Էլեկտրամագնիսականությունը հայտնաբերվել է 1820 թ. Միևնույն ժամանակ հրապարակվել է նյութերի առաջին դասակարգումն ըստ մագնիսական հատկությունների։
