Magnetické vlastnosti materiálu jsou třídou fyzikálních jevů zprostředkovaných poli. Elektrické proudy a magnetické momenty elementárních částic vytvářejí pole, které působí na jiné proudy. Nejznámější účinky se vyskytují u feromagnetických materiálů, které jsou silně přitahovány magnetickými poli a mohou se trvale zmagnetizovat, čímž se vytvoří samotná nabitá pole.
Jen několik látek je feromagnetických. Pro určení úrovně rozvoje tohoto jevu u konkrétní látky existuje klasifikace materiálů podle magnetických vlastností. Nejběžnější jsou železo, nikl a kob alt a jejich slitiny. Předpona ferro- odkazuje na železo, protože permanentní magnetismus byl poprvé pozorován v prázdném železe, formě přírodní železné rudy nazývané magnetické vlastnosti materiálu, Fe3O4.
Paramagnetické materiály
I kdyžferomagnetismus je zodpovědný za většinu účinků magnetismu, se kterými se setkáváme v každodenním životě, všechny ostatní materiály jsou polem do určité míry ovlivněny, stejně jako některé další typy magnetismu. Paramagnetické látky jako hliník a kyslík jsou k aplikovanému magnetickému poli slabě přitahovány. Diamagnetické látky jako měď a uhlík slabě odpuzují.
Zatímco antiferomagnetické materiály jako chrom a spinová skla mají s magnetickým polem složitější vztah. Síla magnetu na paramagnetických, diamagnetických a antiferomagnetických materiálech je obvykle příliš slabá na to, aby byla cítit a lze ji detekovat pouze laboratorními přístroji, takže tyto látky nejsou zahrnuty v seznamu materiálů, které mají magnetické vlastnosti.
Podmínky
Magnetický stav (nebo fáze) materiálu závisí na teplotě a dalších proměnných, jako je tlak a použité magnetické pole. Materiál může vykazovat více než jednu formu magnetismu, jak se tyto proměnné mění.
Historie
Magnetické vlastnosti materiálu byly poprvé objeveny ve starověkém světě, když si lidé všimli, že magnety, přirozeně zmagnetizované kousky minerálů, mohou přitahovat železo. Slovo „magnet“pochází z řeckého výrazu Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „hořčíkový kámen, nánožník“.
Ve starověkém Řecku Aristoteles připsal první z toho, co by se dalo nazvat vědeckou diskuzí o magnetických vlastnostech materiálů,filozof Thales z Milétu, který žil od roku 625 př. Kr. E. před rokem 545 před naším letopočtem E. Starověký indický lékařský text Sushruta Samhita popisuje použití magnetitu k odstranění šípů zapuštěných v lidském těle.
Starověká Čína
Ve starověké Číně se nejstarší literární zmínka o elektrických a magnetických vlastnostech materiálů nachází v knize ze 4. století před naším letopočtem pojmenované po jejím autorovi, Mudrc z Údolí duchů. Nejstarší zmínka o přitažlivosti jehly je v díle z 1. století Lunheng (Vyvážené požadavky): "Magnet přitahuje jehlu."
Čínský vědec Shen Kuo z 11. století byl prvním člověkem, který popsal – v eseji Dream Pool Essay – magnetický kompas s jehlou a že zlepšil přesnost navigace pomocí astronomických metod. koncept skutečného severu. Ve 12. století bylo známo, že Číňané používali k navigaci magnetický kompas. Vodicí lžíci vyrobili z kamene tak, aby rukojeť lžíce vždy směřovala na jih.
Středověk
Alexander Neckam v roce 1187 jako první v Evropě popsal kompas a jeho použití pro navigaci. Tento výzkumník poprvé v Evropě důkladně prokázal vlastnosti magnetických materiálů. V roce 1269 Peter Peregrine de Maricourt napsal Epistola de magnete, první dochované pojednání popisující vlastnosti magnetů. V roce 1282 popsal vlastnosti kompasů a materiálů se speciálními magnetickými vlastnostmi al-Ashraf, jemenský fyzik, astronom a geograf.
Renesance
V roce 1600 publikoval William Gilbertjeho „Magnetický korpus“a „Magnetický telurium“(„Na magnetu a magnetických tělesech a také na Velkém zemském magnetu“). V tomto článku popisuje mnoho ze svých experimentů se svým modelem Země zvaným terrella, se kterým prováděl výzkum vlastností magnetických materiálů.
Ze svých experimentů dospěl k závěru, že Země je sama o sobě magnetická, a proto kompasy ukazovaly na sever (dříve se někteří domnívali, že jde o polárku (Polárku) nebo velký magnetický ostrov na severu Sloup, který přitahoval kompas).
Nový čas
Pochopení vztahu mezi elektřinou a materiály se speciálními magnetickými vlastnostmi se objevilo v roce 1819 v práci Hanse Christiana Oersteda, profesora na univerzitě v Kodani, který náhodným škubnutím střelky kompasu poblíž drátu objevil, že elektrický proud může vytvořit magnetické pole. Tento přelomový experiment je známý jako Oerstedův experiment. Následovalo několik dalších experimentů s André-Marie Ampère, který v roce 1820 objevil, že magnetické pole cirkulující v uzavřené dráze souvisí s proudem tekoucím po obvodu cesty.
Carl Friedrich Gauss se zabýval studiem magnetismu. Jean-Baptiste Biot a Felix Savart v roce 1820 přišli s Biot-Savartovým zákonem, který dává požadovanou rovnici. Michael Faraday, který v roce 1831 objevil, že časově se měnící magnetický tok smyčkou drátu způsobuje napětí. A další vědci našli další spojení mezi magnetismem a elektřinou.
XX století a našečas
James Clerk Maxwell syntetizoval a rozšířil toto chápání Maxwellových rovnic sjednocením elektřiny, magnetismu a optiky v oblasti elektromagnetismu. V roce 1905 Einstein použil tyto zákony k motivaci své teorie speciální relativity tím, že požadoval, aby zákony platily ve všech inerciálních vztažných soustavách.
Elektromagnetismus se nadále vyvíjel do 21. století a byl začleněn do základnějších teorií kalibrační teorie, kvantové elektrodynamiky, elektroslabé teorie a nakonec standardního modelu. V současné době vědci již s velkým důrazem studují magnetické vlastnosti nanostrukturních materiálů. Ale největší a nejúžasnější objevy v této oblasti jsou pravděpodobně stále před námi.
Essence
Magnetické vlastnosti materiálů jsou způsobeny především magnetickými momenty orbitálních elektronů jejich atomů. Magnetické momenty atomových jader jsou obvykle tisíckrát menší než elektrony, a proto jsou v kontextu magnetizace materiálů zanedbatelné. Nukleární magnetické momenty jsou nicméně velmi důležité v jiných kontextech, zejména v nukleární magnetické rezonanci (NMR) a magnetické rezonanci (MRI).
Velký počet elektronů v materiálu je obvykle uspořádán tak, že jejich magnetické momenty (orbitální i vnitřní) jsou vynulovány. Do jisté míry je to způsobeno tím, že se elektrony spojují v párech s opačnými vnitřními magnetickými momenty v důsledku Pauliho principu (viz Konfigurace elektronů) a spojují se do naplněných podslupek s nulovým čistým orbitálním pohybem.
BV obou případech elektrony využívají převážně obvody, ve kterých je magnetický moment každého elektronu rušen opačným momentem druhého elektronu. Navíc, i když je elektronová konfigurace taková, že existují nespárované elektrony a/nebo nevyplněné podobaly, často se stává, že různé elektrony v pevné látce přispějí magnetickými momenty, které směřují v různých, náhodných směrech, takže materiál nebude magnetické.
Někdy, ať už spontánně nebo v důsledku aplikovaného vnějšího magnetického pole, se každý z magnetických momentů elektronů v průměru vyrovná. Správný materiál pak může vytvořit silné čisté magnetické pole.
Magnetické chování materiálu závisí na jeho struktuře, zejména na jeho elektronické konfiguraci, z důvodů uvedených výše, a také na teplotě. Při vysokých teplotách ztěžuje náhodný tepelný pohyb elektronům zarovnání.
Diamagnetismus
Diamagnetismus se nachází ve všech materiálech a je to tendence materiálu odolávat aplikovanému magnetickému poli, a proto magnetické pole odpuzovat. V materiálu s paramagnetickými vlastnostmi (tedy s tendencí zesilovat vnější magnetické pole) však dominuje paramagnetické chování. Navzdory univerzálnímu výskytu je tedy diamagnetické chování pozorováno pouze v čistě diamagnetickém materiálu. V diamagnetickém materiálu nejsou žádné nepárové elektrony, takže vnitřní magnetické momenty elektronů nemohou vytvořitjakýkoli efekt hlasitosti.
Upozorňujeme, že tento popis slouží pouze jako heuristika. Bohr-Van Leeuwenův teorém ukazuje, že diamagnetismus je podle klasické fyziky nemožný a že správné pochopení vyžaduje kvantově mechanický popis.
Všimněte si, že všechny materiály procházejí touto orbitální odezvou. V paramagnetických a feromagnetických látkách je však diamagnetický účinek potlačen mnohem silnějšími účinky způsobenými nepárovými elektrony.
V paramagnetickém materiálu jsou nepárové elektrony; to znamená atomové nebo molekulární orbitaly s přesně jedním elektronem v nich. Zatímco Pauliho vylučovací princip vyžaduje, aby párové elektrony měly své vlastní („spinové“) magnetické momenty směřující v opačných směrech, což způsobí, že se jejich magnetická pole vyruší, nespárovaný elektron může svůj magnetický moment zarovnat v obou směrech. Když je aplikováno vnější pole, budou mít tyto momenty tendenci se zarovnat ve stejném směru jako aplikované pole, čímž je zesílí.
Ferromagnety
Feromagnet, jako paramagnetická látka, má nepárové elektrony. Avšak kromě tendence vlastního magnetického momentu elektronů být rovnoběžný s aplikovaným polem existuje v těchto materiálech také tendence k tomu, aby se tyto magnetické momenty orientovaly vzájemně rovnoběžně, aby byl zachován stav redukovaného energie. Tedy i při absenci aplikovaného oborumagnetické momenty elektronů v materiálu se spontánně vyrovnají paralelně k sobě navzájem.
Každá feromagnetická látka má svou vlastní individuální teplotu, nazývanou Curieova teplota nebo Curieův bod, nad kterou ztrácí své feromagnetické vlastnosti. Je to proto, že tepelná tendence k neuspořádanosti převáží snížení energie v důsledku feromagnetického řádu.
Ferromagnetismus se vyskytuje pouze u několika látek; železo, nikl, kob alt, jejich slitiny a některé slitiny vzácných zemin jsou běžné.
Magnetické momenty atomů ve feromagnetickém materiálu způsobují, že se chovají jako malé permanentní magnety. Drží se pohromadě a spojují se do malých oblastí více či méně jednotného uspořádání nazývaných magnetické domény nebo Weissovy domény. Magnetické domény lze pozorovat pomocí mikroskopu s magnetickou silou k odhalení hranic magnetických domén, které připomínají bílé čáry na náčrtu. Existuje mnoho vědeckých experimentů, které mohou fyzikálně ukázat magnetická pole.
Role domén
Když doména obsahuje příliš mnoho molekul, stává se nestabilní a rozdělí se na dvě domény zarovnané v opačných směrech, aby se spojily stabilněji, jak je znázorněno vpravo.
Při vystavení magnetickému poli se hranice domén posunou tak, že magneticky zarovnané domény rostou a dominují struktuře (žlutá tečkovaná oblast), jak je znázorněno vlevo. Když je magnetizační pole odstraněno, domény se nemusí vrátit do nemagnetizovaného stavu. Tohle vede kprotože feromagnetický materiál je zmagnetizován a tvoří permanentní magnet.
Když byla magnetizace dostatečně silná, aby dominantní doména překrývala všechny ostatní, což vedlo k vytvoření pouze jedné samostatné domény, materiál byl magneticky nasycen. Když se zmagnetizovaný feromagnetický materiál zahřeje na teplotu Curieho bodu, molekuly se smíchají do bodu, kdy magnetické domény ztratí organizaci a magnetické vlastnosti, které způsobují, ustanou. Když se materiál ochladí, tato struktura zarovnání domén se spontánně vrátí, zhruba analogicky tomu, jak může kapalina zmrznout na krystalickou pevnou látku.
Antiferomagnetika
V antiferomagnetu, na rozdíl od feromagnetu, mají vnitřní magnetické momenty sousedních valenčních elektronů tendenci směřovat opačnými směry. Když jsou všechny atomy uspořádány v látce tak, že každý soused je antiparalelní, látka je antiferomagnetická. Antiferomagnetika mají čistý magnetický moment nula, což znamená, že nevytvářejí pole.
Antiferomagnetika jsou vzácnější než jiné typy chování a jsou nejčastěji pozorována při nízkých teplotách. Při různých teplotách vykazují antiferomagnetika diamagnetické a feromagnetické vlastnosti.
V některých materiálech sousední elektrony dávají přednost tomu, aby směřovaly opačnými směry, ale neexistuje žádné geometrické uspořádání, ve kterém by každá dvojice sousedů byla proti sobě. Říká se tomu spin glass andje příkladem geometrické frustrace.
Magnetické vlastnosti feromagnetických materiálů
Stejně jako feromagnetismus si i ferimagnetika zachovávají svou magnetizaci v nepřítomnosti pole. Nicméně, stejně jako antiferomagnety, sousední páry elektronových spinů mají tendenci směřovat opačnými směry. Tyto dvě vlastnosti si vzájemně neodporují, protože při optimálním geometrickém uspořádání je magnetický moment z podmřížky elektronů, které směřují stejným směrem, větší než z podmřížky, která míří opačným směrem.
Většina feritů je ferimagnetická. Magnetické vlastnosti feromagnetických materiálů jsou dnes považovány za nepopiratelné. První objevená magnetická látka, magnetit, je ferit a původně se předpokládalo, že je to feromagnet. Louis Neel to však vyvrátil objevením ferimagnetismu.
Když je feromagnet nebo ferimagnet dostatečně malý, funguje jako jediný magnetický spin, který podléhá Brownovu pohybu. Jeho odezva na magnetické pole je kvalitativně podobná jako u paramagnetu, ale mnohem více.
Elektromagnety
Elektromagnet je magnet, ve kterém je magnetické pole vytvářeno elektrickým proudem. Po vypnutí proudu magnetické pole zmizí. Elektromagnety se obvykle skládají z velkého počtu těsně vedle sebe umístěných závitů drátu, které vytvářejí magnetické pole. Cívky drátu jsou často navinuty kolem magnetického jádra vyrobeného z feromagnetického nebo ferimagnetického materiálu.materiál jako je železo; magnetické jádro koncentruje magnetický tok a vytváří silnější magnet.
Hlavní výhodou elektromagnetu oproti permanentnímu magnetu je, že magnetické pole lze rychle měnit řízením množství elektrického proudu ve vinutí. Avšak na rozdíl od permanentního magnetu, který nevyžaduje napájení, vyžaduje elektromagnet nepřetržitý přívod proudu k udržení magnetického pole.
Elektromagnety jsou široce používány jako součásti jiných elektrických zařízení, jako jsou motory, generátory, relé, solenoidy, reproduktory, pevné disky, přístroje MRI, vědecké přístroje a zařízení pro magnetickou separaci. Elektromagnety se také používají v průmyslu k uchopení a přesunutí těžkých železných předmětů, jako je kovový šrot a ocel. Elektromagnetismus byl objeven v roce 1820. Zároveň byla zveřejněna první klasifikace materiálů podle magnetických vlastností.
