Câmpul magnetic este creat nu numai de curenții electrici, ci și de magneții permanenți.

Magnetizarea materiei. Magneții permanenți pot fi fabricați din relativ puține substanțe, dar toate substanțele plasate într-un câmp magnetic sunt magnetizate, adică ele însele devin surse. câmp magnetic. Ca urmare, vectorul de inducție magnetică în prezența materiei diferă de vectorul de inducție magnetică în vid.

Ipoteza lui Ampere. Motivul pentru care corpurile au proprietăți magnetice a fost stabilit de omul de știință francez Ampere. În primul rând, sub impresia directă a observării unui ac magnetic care se învârte lângă un conductor care poartă curent în experimentele lui Oersted, Lmyer a sugerat că magnetismul Pământului a fost cauzat de curenții care trec în interior. glob. S-a făcut pasul principal: proprietățile magnetice ale unui corp pot fi explicate prin curenții care circulă în interiorul acestuia. În plus, Ampere a ajuns la o concluzie generală: proprietățile magnetice ale oricărui corp sunt determinate de curenții electrici închisi din interiorul acestuia. Acest pas decisiv de la posibilitatea de a explica proprietățile magnetice ale unui corp prin curenți până la afirmația categorică că interacțiunile magnetice sunt interacțiunile curenților este o dovadă a marelui curaj științific al lui Ampere.

Conform ipotezei lui Ampere, curenții electrici elementari circulă în interiorul moleculelor și atomilor. (Acum știm bine că acești curenți se formează datorită mișcării electronilor în atomi.) Dacă planurile în care circulă acești curenți sunt situate aleatoriu unele în raport cu altele datorită mișcării termice a moleculelor (Fig. 1.28, a) , atunci acțiunile lor sunt compensate reciproc, iar corpul nu prezintă nicio proprietăți magnetice. În stare magnetizată, curenții elementari din corp sunt orientați astfel încât acțiunile lor să se însumeze (Fig. 1.28, b). Ipoteza lui Ampere explică de ce un ac magnetic și un cadru (circuit) cu un curent într-un câmp magnetic se comportă la fel (vezi § 2). Săgeata poate fi considerată ca o colecție de circuite de curent mici, orientate în același mod. Cele mai puternice câmpuri magnetice sunt create de substanțe numite feromagneți. Câmpurile magnetice sunt create de feromagneți nu numai datorită rotației electronilor în jurul nucleelor, ci și datorită propriei rotații.

Momentul de rotație propriu al electronului (momentul unghiular) se numește spin. Electronii par să se rotească întotdeauna în jurul axei lor și, având o sarcină, creează un câmp magnetic împreună cu câmpul care apare datorită mișcării lor orbitale în jurul nucleelor. În feromagneți, există regiuni cu orientări paralele de spin numite domenii; dimensiunile domeniilor sunt de aproximativ 0,5 µm. Orientarea paralelă a spinurilor oferă un minim de energie potențială. Dacă feromagnetul nu este magnetizat, atunci orientarea domeniilor este haotică, iar câmpul magnetic total creat de domenii este zero. Când un câmp magnetic extern este pornit, domeniile sunt orientate de-a lungul liniilor de inducție magnetică ale acestui câmp, iar inducția câmpului magnetic în feromagneți crește, devenind de mii și chiar milioane de ori mai mare decât inducerea câmpului extern.

Temperatura Curie. La temperaturi peste unele specifice pentru un anumit feromagnet, proprietățile feromagnetice ale acestuia dispar. Această temperatură se numește temperatura Curie după omul de știință francez care a descoperit acest fenomen. Dacă încălzești prea fierbinte un cui magnetizat, acesta își va pierde capacitatea de a atrage obiecte de fier. Temperatura Curie pentru fier este de 753 °C, pentru nichel 365 °C, iar pentru cobalt 1000 °C. Există aliaje feromagnetice cu o temperatură Curie mai mică de 100 °C. Primele studii detaliate ale proprietăților magnetice ale feromagneților au fost efectuate de remarcabilul fizician rus A. G. Stoletov (1839-1896).

Feromagneții și aplicațiile lor. Deși nu există atât de multe corpuri feromagnetice în natură, proprietățile lor magnetice sunt cele care au primit cele mai mari aplicare practică. Miezul de fier sau oțel din bobină amplifică câmpul magnetic pe care îl creează de multe ori fără a crește curentul din bobină. Acest lucru economisește energie. Miezurile transformatoarelor, generatoarelor, motoarelor electrice etc. sunt realizate din feromagneți. Când câmpul magnetic extern este oprit, feromagnetul rămâne magnetizat, adică creează un câmp magnetic în spațiul înconjurător. Acest lucru se explică prin faptul că domeniile nu revin la poziția anterioară și orientarea lor este parțial păstrată. Acesta este motivul pentru care există magneții permanenți. Magneții permanenți sunt utilizați pe scară largă în instrumentele electrice de măsurare, difuzoare și telefoane, dispozitive de înregistrare a sunetului, busole magnetice etc. Feritele, materialele feromagnetice care nu conduc curentul electric, sunt utilizate pe scară largă. Sunt compuși chimici ai oxizilor de fier cu oxizi ai altor substanțe. Unul dintre materialele feromagnetice cunoscute - minereul de fier magnetic - este ferita.

Înregistrarea magnetică a informațiilor. Benzile magnetice și filmele magnetice subțiri sunt fabricate din materiale feromagnetice. Benzile magnetice sunt utilizate pe scară largă pentru înregistrarea sunetului în casetofon și pentru înregistrarea video în VCR.

Banda magnetică este o bază flexibilă din clorură de polivinil sau alte substanțe. Se aplică un strat de lucru sub formă de lac magnetic, constând din particule foarte mici de fier sau alt material feromagnetic și lianți în formă de ac. Sunetul este înregistrat pe bandă cu ajutorul unui electromagnet, al cărui câmp magnetic se modifică în timp odată cu vibrațiile sonore. Pe măsură ce banda se mișcă în apropierea capului magnetic, diferite secțiuni ale filmului sunt magnetizate. Circuitul capului de inducție magnetică este prezentat în Figura 1.29, a, unde 1 este miezul electromagnetului; 2 - banda magnetica; 3 - decalaj de lucru; 4 - înfășurare electromagnet.

La redarea sunetului, se observă procesul opus: banda magnetizată excită semnale electrice în capul magnetic, care, după amplificare, sunt trimise la difuzorul reportofonului. Filmele magnetice subțiri constau dintr-un strat de material feromagnetic cu o grosime de 0,03 până la 10 microni.

Sunt utilizate în dispozitivele de stocare ale calculatoarelor electronice (calculatoare). Filmele magnetice sunt concepute pentru înregistrarea, stocarea și reproducerea informațiilor. Ele sunt aplicate pe un disc subțire sau pe un tambur de aluminiu. Informațiile sunt înregistrate și reproduse aproape în același mod ca într-un magnetofon convențional. Înregistrarea informațiilor într-un computer se poate face și pe benzi magnetice. Dezvoltarea tehnologiei de înregistrare magnetică a dus la apariția microcapetelor magnetice, care sunt utilizate în computere, permițând crearea unei densități de înregistrare magnetice inimaginabile anterior. Un hard disk feromagnetic cu un diametru mai mic de 8 cm stochează până la câțiva teraocteți (10 12 octeți) de informații. Citirea și scrierea informațiilor pe un astfel de disc se realizează cu ajutorul unui microcap situat pe pârghia rotativă (Fig. 1.29, b). Discul în sine se rotește cu o viteză enormă, iar capul plutește deasupra lui în fluxul de aer, ceea ce previne posibilitatea deteriorării mecanice a discului. Toate substanțele plasate într-un câmp magnetic își creează propriul câmp. Cele mai puternice câmpuri sunt create de feromagneți. Sunt folosiți pentru a face magneți permanenți, deoarece câmpul feromagnetic nu dispare după ce câmpul de magnetizare este oprit. Feromagneții sunt folosiți pe scară largă în practică.

Câmpurile magnetice sunt create fie de magneți permanenți, fie de curenți. În 1820, A. Ampere a prezentat o ipoteză îndrăzneață, conform căreia proprietățile magnetice ale materiei (inclusiv magneții permanenți) apar din cauza curenților moleculari care circulă în moleculele substanței. Dezvoltare în continuareștiința a confirmat această idee despre Ampere. Cu toate acestea, teoria proprietăților magnetice ale materiei a fost construită numai după ce a fost studiată structura atomului. În majoritatea substanțelor din atomi, câmpurile magnetice ale electronilor individuali, precum și câmpurile magnetice ale atomilor și moleculelor individuale, sunt complet sau aproape complet compensate. Prin urmare, proprietățile lor magnetice sunt foarte slabe și sunt numite nemagnetice. Cu toate acestea, există o serie de substanțe, precum fierul, cobaltul, nichelul și unele elemente de pământuri rare (lantanide), precum și unele aliaje, care au proprietăți magnetice puternice. Aceste substanțe au fost numite feromagneți. (Cuvântul „feromagnetic” este derivat din cuvântul latin ferrum- fier de călcat). Feromagneții au un efect foarte puternic asupra câmpului magnetic. Dacă un miez feromagnetic este introdus într-o bobină purtătoare de curent, câmpul magnetic este îmbunătățit de sute și chiar de mii de ori. Acesta este utilizat pe scară largă în tehnologie: miezurile electromagneților, releelor ​​și multe alte dispozitive sunt fabricate din feromagneți și cel mai adesea din clase speciale de oțel. Feromagneții sunt împărțiți în două clase: materiale magnetice moi și materiale magnetice dure. Teoria modernă a feromagnetismului a fost creată acum aproximativ 50 de ani. Oamenii de știință autohtoni Ya I. Frenkel, L. D. Landau, E. M. Livshits au adus o mare contribuție la crearea acestei teorii. Fiecare feromagnet este caracterizat de o anumită temperatură, peste care își pierde capacitatea de a magnetiza puternic și proprietățile sale magnetice se dovedesc a fi aceleași cu cele ale substanțelor nemagnetice. Această temperatură este numită punctul Curie în onoarea lui Pierre Curie, care a descoperit acest fenomen în 1895. Punctul Curie pentru fier este de 770 °C, pentru nichel 358 °C, pentru elementul de pământ rar gadoliniu 16 °C, pentru aliajul permalloy aproximativ 400 °C, pentru aliajul permendur aproximativ 900 °C etc. Proprietățile ferromagnetice nu sunt observat în orice lichide, nici gaze. Ele sunt caracteristice doar pentru unele cristale la temperaturi sub punctul Curie.

Câmp magnetic- un camp de forta care actioneaza asupra sarcinilor electrice in miscare si asupra corpurilor cu moment magnetic, indiferent de starea miscarii lor, componenta magnetica a campului electromagnetic. Un câmp magnetic poate fi creat de curentul particulelor încărcate și/sau momentele magnetice ale electronilor din atomi (și momentele magnetice ale altor particule, deși într-o măsură semnificativ mai mică) (magneți permanenți). În plus, apare în prezența unei variații în timp câmp electric. Caracteristica principală a puterii câmpului magnetic este vector de inducție magnetică (vector de inducție a câmpului magnetic). Din punct de vedere matematic, este un câmp vectorial care definește și specifică conceptul fizic al unui câmp magnetic. Adesea, pentru concizie, vectorul de inducție magnetică este pur și simplu numit câmp magnetic (deși aceasta nu este probabil cea mai strictă utilizare a termenului). O altă caracteristică fundamentală a câmpului magnetic (inducție magnetică alternativă și strâns interconectată cu aceasta, aproape egală cu aceasta în ceea ce privește sens fizic) este potențial vectorial . Adesea, în literatură, nu vectorul de inducție magnetică, ci vectorul intensității câmpului magnetic este ales ca principală caracteristică a câmpului magnetic în vid (adică în absența unui mediu magnetic), ceea ce se poate face în mod formal, deoarece în vid acești doi vectori coincid; totuși, într-un mediu magnetic, vectorul nu mai poartă același sens fizic, fiind o mărime importantă, dar totuși auxiliară. Prin urmare, cu echivalența formală a ambelor abordări pentru vid, din punct de vedere sistematic, câmpul magnetic ar trebui considerat principala caracteristică a câmpului magnetic. un fel deosebit materie, prin care interacțiunea are loc între particulele încărcate în mișcare sau corpurile cu un moment magnetic. Câmpurile magnetice sunt o consecință necesară (în contextul teoriei relativității speciale) a existenței câmpurilor electrice. Împreună, câmpurile magnetice și electrice formează câmpul electromagnetic, ale cărui manifestări sunt, în special, lumina și toate celelalte unde electromagnetice. Din punctul de vedere al teoriei câmpului cuantic, interacțiunea magnetică - ca caz special de interacțiune electromagnetică - este purtată de un boson fundamental fără masă - un foton (o particulă care poate fi reprezentată ca o excitație cuantică a unui câmp electromagnetic), adesea ( de exemplu, în toate cazurile de câmpuri statice) - virtuale.

Orice substanță din lume are anumite proprietăți magnetice. Ele sunt măsurate prin permeabilitatea magnetică. În acest articol ne vom uita la proprietățile magnetice ale materiei.

Ipoteza lui Ampere

Permeabilitatea magnetică arată de câte ori inducerea câmpului magnetic într-un mediu dat este mai mică sau mai mare decât inducția câmpului magnetic în vid.

O substanță care își creează propriul câmp magnetic se numește magnetizată. Magnetizarea are loc atunci când o substanță este plasată într-un câmp magnetic extern.

Omul de știință francez Ampere a stabilit motivul, a cărui consecință este deținerea proprietăților magnetice de către corpuri. Ipoteza lui Ampere afirmă că există curenți electrici microscopici în interiorul materiei (un electron are propriul său moment magnetic, care are o natură cuantică, mișcare orbitală în atomii de electroni). Ei sunt cei care determină proprietățile magnetice ale unei substanțe. Dacă curenții au direcții dezordonate, atunci câmpurile magnetice pe care le generează se anulează reciproc. Corpul nu este magnetizat. Un câmp magnetic extern reglează acești curenți. Drept urmare, substanța își dezvoltă propriul câmp magnetic. Aceasta este magnetizarea substanței.

Proprietățile magnetice ale unei substanțe sunt determinate prin reacția substanțelor la un câmp magnetic extern și prin ordinea structurii lor interne. În conformitate cu acești parametri, aceștia sunt împărțiți în următoarele grupuri:

• Paramagneți
• Diamagneții
• Ferromagneți
• Antiferomagneți

Diamagneți și paramagneți

• Substanțele care au susceptibilitate magnetică negativă, independent de intensitatea câmpului magnetic, se numesc materiale diamagnetice. Să ne dăm seama ce proprietăți magnetice ale unei substanțe se numesc susceptibilitate magnetică negativă. Acesta este momentul în care un magnet este adus unui corp și este respins mai degrabă decât atras. Diamagneții includ, de exemplu, gaze inerte, hidrogen, fosfor, zinc, aur, azot, siliciu, bismut, cupru și argint. Adică, acestea sunt substanțe care sunt în stare supraconductoare sau au legături covalente.
• Materiale paramagnetice. Pentru aceste substanțe, susceptibilitatea magnetică nu depinde de asemenea de intensitatea câmpului existent. Ea este însă pozitivă. Adică, atunci când un paramagnetic se apropie de un magnet permanent, apare o forță atractivă. Acestea includ aluminiu, platină, oxigen, mangan, fier.

Ferromagneți

Substanțele care au o susceptibilitate magnetică pozitivă ridicată se numesc feromagneți. Pentru aceste substanțe, spre deosebire de materialele diamagnetice și paramagnetice, susceptibilitatea magnetică depinde de temperatură și intensitatea câmpului magnetic și într-o măsură semnificativă. Acestea includ cristale de nichel și cobalt.

Antiferomagneți și ferimagneți

• Substanțele în care, în timpul încălzirii, are loc o tranziție de fază a substanței date, însoțită de apariția proprietăților paramagnetice, se numesc antiferomagneți. Dacă temperatura devine mai mică decât o anumită, aceste proprietăți ale substanței nu vor fi respectate. Exemple de aceste substanțe ar fi manganul și cromul.
• Ferimagneții sunt caracterizați prin prezența în ei a unui antiferomagnetism necompensat. Susceptibilitatea lor magnetică depinde și de temperaturi și de intensitatea câmpului magnetic. Dar au încă diferențe. Aceste substanțe includ diverși oxizi.

Toți magneții de mai sus pot fi împărțiți în 2 categorii:

• Materiale magnetice dure. Acestea sunt materiale cu o valoare mare de coercivitate. Pentru a le remagnetiza, este necesar să se creeze un câmp magnetic puternic. Aceste materiale sunt folosite la fabricarea magneților permanenți.
• Materialele magnetice moi, dimpotrivă, au o forță coercitivă scăzută. În câmpurile magnetice slabe ele sunt capabile să intre în saturație. Au pierderi reduse datorită inversării magnetizării. Din acest motiv, aceste materiale sunt folosite pentru a face miezuri pentru mașinile electrice care funcționează pe curent alternativ. Acesta este, de exemplu, un transformator de curent și tensiune, sau un generator sau un motor asincron.

Ne-am uitat la toate proprietățile magnetice de bază ale materiei și ne-am dat seama ce tipuri de magneți există.

PROPRIETĂȚI MAGNETICE ALE SUBSTANȚELOR

Magnetismul este o proprietate fundamentală a materiei. Capacitatea magneților permanenți de a atrage obiecte de fier este cunoscută încă din cele mai vechi timpuri. Timp de multe secole, în rândul navigatorilor există o legendă despre o stâncă magnetică, care se presupune că este capabilă să atragă cuie de fier de pe o navă care navighează prea aproape de ea și să o distrugă. Din fericire, un câmp magnetic atât de puternic nu poate exista decât în ​​vecinătatea stelelor neutronice. Dezvoltarea electromagnetismului a făcut posibilă crearea de electromagneți mai puternici decât cei permanenți existenți în natură. În general, diverse instrumente și dispozitive bazate pe utilizarea fenomenelor electromagnetice sunt atât de răspândite încât acum este imposibil să ne imaginăm viața fără ele.

Cu toate acestea, nu numai magneții permanenți interacționează cu câmpul magnetic, ci și toate celelalte substanțe. Câmpul magnetic, interacționând cu materia, își schimbă valoarea față de vid (în continuare toate formulele sunt scrise în sistemul SI):

unde m0 este constanta magnetică egală cu 4p "10-7 H/m, m este permeabilitatea magnetică a substanței, B este inducția magnetică (în T), H este puterea câmpului magnetic (în A/m). Pentru majoritatea substanțelor, m este foarte aproape de unitate, prin urmare în magnetochimie, unde obiectul principal este o moleculă, este mai convenabil să se folosească valoarea c, determinată de ecuație, care se numește susceptibilitate magnetică c poate fi referită la o unitate de volum, masă sau cantitate dintr-o substanță, atunci se numește, respectiv, cv volumetrică (adimensională), cd specifică (în cm3/g) sau cm molară (în cm3/mol) susceptibilitate magnetică este clar că, după formula (2), c de vid este egal cu zero Substanțele pot fi împărțite în două categorii: cele care slăbesc câmpul magnetic (c 0), - paramagneți (Fig. 1) Se poate imagina că într-un câmp magnetic neuniform o forță acționează asupra unui material diamagnetic, împingându-l în afara câmpului asupra paramagnetului, dimpotrivă, o forță acționează pe acesta. Metodele discutate mai jos pentru măsurarea proprietăților magnetice ale substanțelor. Diamagneții (și aceasta este marea majoritate a compușilor organici și cu molecule înalte) și în principal paramagneții sunt obiecte de studiu ale magnetochimiei.

Diamagnetismul este cea mai importantă proprietate a materiei, datorită faptului că, sub influența unui câmp magnetic, electronii din învelișurile de electroni umplute (care pot fi considerați conductoare mici) încep să preceadă și, după cum se știe, orice mișcare a o sarcină electrică provoacă un câmp magnetic, care, după regula lui Lenz, va fi direcționat astfel pentru a reduce impactul din câmpul exterior. În acest caz, precesia electronică poate fi considerată curenți circulari. Diamagnetismul este caracteristic tuturor substanțelor, cu excepția hidrogenului atomic, deoarece toate substanțele au electroni perechi și învelișuri de electroni umplute.

Paramagnetismul este cauzat de electronii nepereche, care sunt numiți așa deoarece propriul lor moment magnetic (spin) nu este echilibrat în niciun fel (în consecință, spinurile electronilor perechi sunt direcționate în direcții opuse și se anulează reciproc). Într-un câmp magnetic, spinurile tind să se alinieze în direcția câmpului, întărindu-l, deși această ordine este perturbată de mișcarea termică haotică. Prin urmare, este clar că susceptibilitatea paramagnetică depinde de temperatură - cu cât temperatura este mai mică, cu atât valoarea cm este mai mare. În cel mai simplu caz, aceasta este exprimată printr-o relație numită legea lui Curie: unde C este constanta Curie, sau legea Curie-Weiss, unde q este corecția lui Weiss. Acest tip de susceptibilitate magnetică se mai numește și paramagnetism orientativ, deoarece cauza sa este orientarea momentelor magnetice elementare într-un câmp magnetic extern.

Proprietățile magnetice ale electronilor dintr-un atom pot fi descrise în două moduri. În prima metodă, se crede că momentul magnetic propriu (spin) al electronului nu afectează momentul orbital (datorită mișcării electronilor în jurul nucleului) sau invers. Mai precis, o astfel de influență reciprocă există întotdeauna (interacțiunea spin-orbită), dar pentru ionii 3d este mică, iar proprietățile magnetice pot fi descrise cu suficientă precizie cu două numere cuantice L (orbital) și S (spin). Pentru atomii mai grei, o astfel de aproximare devine inacceptabilă și se introduce un alt număr cuantic al momentului magnetic total J, care poate lua valori din | L+S | înainte de | L - S | . Van Vleck a considerat contribuțiile energetice ale orbitalilor în funcție de influența câmpului magnetic (conform teoriei perturbației mecanice cuantice, acestea pot fi extinse într-o serie și însumate): unde H este puterea câmpului magnetic și, în consecință, E (0) este contribuția independentă de câmpul extern, E (1 ) - contribuție direct proporțională cu câmpul etc. S-a dovedit că energia de ordinul zero este determinată de interacțiunea spin-orbita, care este importantă în descrierea legăturilor chimice:

unde l este constanta de interacțiune spin-orbita. Energia de ordinul I (interacțiunea momentului magnetic al unui electron nepereche (m = gbS) cu câmpul magnetic H) este egală cu

unde g este factorul Lande, de obicei egal cu doi pentru majoritatea compușilor, b este magnetonul Bohr, egal cu 9,27 "10-19 erg/Oe (amintim că energia interacțiunilor magnetice este produsul scalar al vectorilor de moment magnetic m și H). E (2) - o contribuție energetică care va trebui luată pe baza credinței, deoarece depinde de trăsăturile subtile ale structurii electronice și este dificil de explicat din punct de vedere al fizicii clasice micșorarea energiei de interacțiune magnetică (pentru temperaturile camerei și câmpurile magnetice comune în laborator, energia interacțiunilor magnetice este cu trei până la patru ordine de mărime mai mică decât energia mișcării termice a moleculelor).

După transformări matematice, expresia pentru susceptibilitatea magnetică macroscopică, ținând cont de distribuția Boltzmann a ansamblului de momente magnetice pe niveluri de energie, ia forma (derivarea sa este prezentată, de exemplu, în)

Aceasta este ecuația Van Vleck - principala în magnetochimie, conectând proprietățile magnetice cu structura moleculelor. Aici NA este numărul lui Avogadro, k este constanta lui Boltzmann. Am întâlnit deja câteva cazuri extreme în acest sens. Dacă = 0, și poate fi neglijat, atunci obținem drept rezultat legea lui Curie (cf. ecuația (3)), dar într-o formă mai strictă.

Se poate observa că legea lui Curie reflectă așa-numitul magnetism de spin pur, caracteristic majorității compușilor paramagnetici, de exemplu sărurile de cupru, fier, nichel și alte metale de tranziție. Dacă = 0 și @ kT, atunci ecuația Van Vleck este simplificată semnificativ: unde Na este paramagnetism independent de temperatură (van Vleck). După cum se poate observa din cele de mai sus, paramagnetismul Van Vleck este un fenomen pur cuantic și inexplicabil din punctul de vedere al fizicii clasice. Poate fi considerată ca un amestec de niveluri de energie excitată în starea fundamentală a moleculei.

Există destul de multe substanțe care, atunci când temperatura scade, mai întâi se comportă ca paramagneți, iar apoi, la atingerea unei anumite temperaturi, își schimbă brusc proprietățile magnetice. Cel mai faimos exemplu este feromagneții și substanța de la care își iau numele - fierul, ale cărui momente magnetice atomice sub temperatura Curie (în acest caz egale cu TC = 770? C) se aliniază într-o singură direcție, provocând magnetizare spontană. Magnetizarea macroscopică nu are loc însă în absența unui câmp, deoarece proba este împărțită spontan în regiuni de aproximativ 1 μm în dimensiune, numite domenii, în cadrul cărora momentele magnetice elementare sunt direcționate în același mod, dar magnetizările diferitelor domeniile sunt orientate aleator și, în medie, se compensează reciproc. Forțele care provoacă tranziția feromagnetică pot fi explicate doar folosind legile mecanicii cuantice.

Antiferomagneții se caracterizează prin faptul că momentele magnetice de spin la temperatura tranziției antiferomagnetice (temperatura Néel TN) sunt ordonate în așa fel încât se anulează reciproc. Valoarea maximă a susceptibilității magnetice se realizează la TN, peste care c scade conform legii Curie-Weiss, mai jos - datorită așa-numitelor interacțiuni de schimb. Antiferomagneții sunt, de exemplu, MnO și KNiF3.

Dacă compensarea momentelor magnetice este incompletă, atunci astfel de substanțe se numesc ferimagneți, de exemplu Fe2O3 și FeCr2O4. Ultimele trei clase de compuși (Tabelul 1) sunt solide și sunt studiate în principal de fizicieni. În ultimele decenii, fizicienii și chimiștii au creat noi materiale magnetice, ale căror proprietăți pot fi găsite mai detaliat în.

Într-o moleculă care conține un electron nepereche, electronii rămași (pereche) slăbesc câmpul magnetic, dar contribuția fiecăruia dintre ei este cu două până la trei ordine de mărime mai mică. Totuși, dacă dorim să măsurăm foarte precis proprietățile magnetice ale electronilor nepereche, trebuie să introducem așa-numitele corecții diamagnetice, în special pentru moleculele organice mari, unde pot ajunge la zeci de procente. Susceptibilitățile diamagnetice ale atomilor dintr-o moleculă se adaugă între ele conform regulii aditivității Pascal-Langevin. Pentru a face acest lucru, susceptibilitatea diamagnetică a atomilor de fiecare tip este înmulțită cu numărul de astfel de atomi din moleculă, iar apoi se introduc corecții constitutive pentru caracteristicile structurale (legături duble și triple, inele aromatice etc.). Să trecem la analizarea modului în care sunt studiate experimental proprietățile magnetice ale substanțelor.

MĂSURARE EXPERIMENTALĂ A SUSPITIVITĂȚII MAGNETICE

Principalele metode experimentale pentru determinarea susceptibilității magnetice au fost create în ultimul secol. Conform metodei Gouy (Fig. 2, a), modificarea greutății probei într-un câmp magnetic se măsoară în comparație cu absența acesteia, care este egală cu unde Dmg = F este forța care acționează asupra substanței în câmpul magnetic. gradientul câmpului, c este susceptibilitatea magnetică măsurată a substanței, c0 - susceptibilitatea magnetică a mediului (aerul), S - aria secțiunii transversale a probei, Hmax și Hmin - puterea maximă și minimă a câmpului magnetic extern.

Metoda Faraday (Fig. 2, b) măsoară forța care acționează asupra unei probe într-un câmp magnetic neuniform:

Eșantionul este ales mic astfel încât H0dH/dz să rămână constant în limitele sale, iar valoarea maximă a parametrului se realizează prin alegerea unui profil special al vârfurilor magnetului. Principala diferență dintre metoda lui Gouy și metoda lui Faraday este că, în primul caz, neomogenitatea este menținută de-a lungul unui model (extins), iar în al doilea - de-a lungul câmpului magnetic.

Metoda Quincke (Fig. 2, c) este utilizată numai pentru lichide și soluții. Măsoară modificarea înălțimii unei coloane de lichid într-un capilar sub influența unui câmp magnetic.

În acest caz, pentru lichidele diamagnetice înălțimea coloanei scade, pentru lichidele paramagnetice crește.

Metoda viscozimetrului măsoară timpul de curgere a lichidului printr-o gaură mică cu câmpul magnetic pornit (tH) și oprit (t0). Timpul de curgere al lichidelor paramagnetice într-un câmp magnetic este vizibil mai scurt decât în ​​absența unui câmp, pentru lichidele diamagnetice, opusul este adevărat. Diferența dintre cei doi timpi de curgere este determinată de susceptibilitatea magnetică, iar valoarea constantei de calibrare k este determinată prin măsurarea unui lichid cu susceptibilitate magnetică cunoscută. Susceptibilitățile magnetice volumetrice ale unor solvenți obișnuiți sunt prezentate mai jos.

Susceptibilitatea magnetică poate fi măsurată și folosind un spectrometru RMN. Puteți citi despre bazele fizice ale metodei RMN în. Ne vom limita doar la a observa: magnitudinea deplasării chimice a semnalului RMN în cazul general este determinată nu numai de constanta de screening, care este o măsură a densității electronilor pe nucleul studiat, ci și de magneticul. susceptibilitatea probei. Pentru o probă în formă de cuboid, deplasarea chimică este determinată și de orientarea probei în câmpul magnetic, unde constantele de calibrare A și B sunt determinate prin măsurarea a două lichide cu susceptibilitate magnetică cunoscută (cel mai adesea apă și acetonă). Această metodă a fost dezvoltată la Departamentul de Chimie Anorganică a Universității din Kazan și este singura care vă permite să calibrați dispozitivul folosind standarde diamagnetice, iar apoi să efectuați măsurători și cu probe paramagnetice. În acest fel, a fost măsurată susceptibilitatea magnetică a multor substanțe. Ce ne-au permis să aflăm despre structura lor?

Valoarea rezultată a susceptibilității magnetice pentru materialele paramagnetice este determinată de numărul de electroni nepereche (cf. (9) pentru un electron nepereche)

În acest fel, este posibil să se determine numărul cuantic de spin S și, prin urmare, numărul de electroni nepereche. Trebuie remarcat faptul că în compușii reali factorul g variază ușor față de valoarea „spin pur”, care este egală cu doi, așa cum s-a menționat mai sus.

Valorile cm pentru substanțele paramagnetice sunt mici și nu sunt foarte convenabile în explicarea structurii compușilor. Prin urmare, susceptibilitatea paramagnetică este caracterizată mai des de momentul magnetic efectiv meff, care este determinat de ecuație.

Apoi, la o temperatură de 298 K, valoarea „spinului pur” pentru un electron nepereche ms = 1,73 magnetoni Bohr (mB), pentru doi - 3,46 mB etc. (Tabelul 2). Contribuția altor factori, în primul rând interacțiunea spin-orbita, se reflectă în valoarea factorului g și duce la faptul că meff diferă de ms.

Cunoașterea numărului de electroni nepereche ajută la înțelegerea unora dintre caracteristicile plasării elementelor în Tabelul periodic D.I. Mendeleev. Astfel, carcasele electronice care sunt complet sau exact pe jumătate umplute au stabilitate sporită. Odată cu creșterea masei atomice relative, mai întâi întâlnim acest lucru în crom. Să comparăm configurațiile electronice în starea fundamentală: Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, următorul crom nu este 3d 44s 2, ci 3d 54s 1, carcasa mai stabilă pe jumătate este subliniată:

Și acest lucru a fost stabilit tocmai prin măsurători ale susceptibilității magnetice, când s-a descoperit că atomul de crom conține șase electroni nepereche, nu patru. Adevărat, pentru aceasta a fost necesar să se efectueze măsurători destul de subtile asupra atomilor izolați în faza gazoasă, deoarece proprietățile magnetice ale conductorilor nu sunt legate de numărul de electroni nepereche (deoarece electronii de valență din metale nu sunt atașați la anumiți atomi, ci se mișcă). haotic în întregul cristal), dar sunt determinate de legile cuantice (așa-numitul diamagnetism Fermi și paramagnetism Landau). În același timp, de exemplu, ordinea de umplere a orbitalilor 5d și 4f din seria lantanidelor nu modifică numărul de electroni nepereche, prin urmare configurațiile electronice corecte au fost stabilite abia în anii 60 prin calcule mecanice cuantice (este imposibil de distinge între configurațiile 5d 1 și 4f de măsurătorile magnetice 1). Cu toate acestea, studiile magnetochimice permit stabilirea configurației electronice, după cum probabil că a observat deja cititorul atent, a compușilor metalelor tranziționale, care stau la baza chimiei compușilor (complexi) de coordonare.

Compușii de coordonare se formează, de regulă, datorită unei legături donor-acceptor, adică perechile singure de electroni ai liganzilor ocupă poziții libere în orbitalii atomului central. În acest caz, numărul de electroni nepereche și momentul magnetic al ionilor care formează complex rămâne același cu cel al unui ion liber în faza gazoasă. Acest lucru este valabil pentru complexele acvatice ale metalelor de tranziție, de exemplu fier (II) (Fig. 3). Există însă și complexe anormale din punct de vedere magnetic, al căror moment magnetic este mai mic decât cel al ionului gazos. Structura lor electronică poate fi explicată în cadrul metodei legăturii de valență după cum urmează. Mulți compuși complecși au un număr de coordonare de șase. Șase liganzi sunt localizați simetric la vârfurile octaedrului. Pentru a obține șase orbitali hibrizi, șase orbitali de valență ai atomului central trebuie să ia parte la formarea lor: o astfel de redistribuire a densității electronice se numește hibridizare sp3d 2 (comparați cu hibridizarea sp3 a atomului de carbon în alcani, unde sunt patru legături). îndreptată spre vârfurile tetraedrului). Vă rugăm să rețineți că orbitalii d cu același număr atomic ca orbitalii s și p participă la formarea orbitalilor hibrizi. Acest lucru se explică prin faptul că orbitalii d interni cu energie inferioară sunt ocupați de electronii proprii ai ionului metalic. Pentru a ocupa orbitalii de energie inferioară, liganzii trebuie să forțeze electronii proprii ai ionului metalic să se împerecheze și să elibereze orbitalii d interni pentru așa-numita hibridizare d 2sp 3. Acest lucru poate fi realizat numai de liganzi cu câmp înalt care formează legături puternice cu ionul metalic, de exemplu, ionii de cianură în complexul hexacianoferrat (II) (vezi Fig. 3).

În consecință, primul tip de complexe, care are un moment magnetic ridicat, se numește complex orbital exterior, iar al doilea tip cu un moment magnetic redus este numit complex intraorbital. Această diferență, care duce la o modificare a numărului de electroni nepereche din complex, duce la o modificare a momentelor magnetice ale complexelor orbitale exterioare și, respectiv, interioare și este cauzată de disparitatea energetică a orbitalilor d corespunzători (de obicei numită energia de divizare în câmpul liganzilor și notat cu D sau 10Dq).

Pe baza capacității lor de a forma complexe intraorbitale (pe baza valorii D), toți liganzii pot fi aranjați într-o serie, care se numește seria spectrochimică de liganzi:

CN->NO2->SO32->NH3>NCS->H3O>

>OH->F->Cl->Br->I-

Și-a primit numele deoarece culoarea complexului depinde de poziția ligandului în această serie, iar acest lucru dezvăluie legătura dintre proprietățile optice și magnetice ale compușilor de coordonare.

Astfel, prin măsurarea susceptibilității magnetice, se poate aprecia cu ușurință gradul de oxidare și geometria primei sfere de coordonare din complex. Datele despre susceptibilitatea magnetică a unui număr de metale tranziționale și ioni de lantanide sunt date în tabel. 2. Se poate observa că proprietățile magnetice ale ionilor 3d în cele mai multe cazuri corespund bine valorilor pur spin ms ​​și pentru a explica proprietățile magnetice ale lantanidelor, este necesar un model mai complex care implică numărul cuantic J menționat mai sus.

Se știe că cel mai important în practică reactii chimice apar în soluții, acestea includ și reacții de formare complexe, de aceea în secțiunea următoare vom lua în considerare proprietățile magnetice ale soluțiilor în care compușii metalelor de tranziție sunt realizați sub formă de complecși.

SUSPECTIVITATEA MAGNETICĂ A SOLUȚIILOR

La mutarea din solid la o soluție, trebuie luată în considerare susceptibilitatea magnetică a solventului și a tuturor substanțelor dizolvate. În acest caz, cel mai simplu mod de a lua în considerare acest lucru este să însumăm contribuțiile tuturor componentelor soluției conform regulii aditivității. Principiul aditivității este unul dintre principii fundamentale la prelucrarea datelor experimentale. Uneori chiar eșuează experimentatorii, deoarece este dificil pentru mintea umană să-și imagineze un alt mecanism de interacțiune a diferiților factori, alții decât simpla lor adăugare. Orice abateri de la acesta sunt cel mai adesea asociate cu faptul că principiul aditivității în sine este îndeplinit, iar componentele soluției își schimbă proprietățile. Prin urmare, se presupune că susceptibilitatea magnetică a unei soluții este egală cu suma susceptibilității magnetice a componentelor individuale, ținând cont de concentrația unde ci este concentrația (în mol/l), cmi este susceptibilitatea magnetică molară a a i-a componentă a soluției, se folosește un coeficient de 1/1000 pentru a ajunge la concentrația molară. În acest caz, însumarea se efectuează peste toate substanțele dizolvate și solventul. Se poate observa că contribuțiile substanțelor paramagnetice și diamagnetice la susceptibilitatea magnetică măsurată sunt de semn opus și pot fi separate

cv(măsurat) = cv(pereche) - cv(dia).

Când se studiază proprietățile magnetice ale aceleiași substanțe în diferiți solvenți (Tabelul 3), este clar că acestea pot depinde în mod semnificativ de natura solventului. Acest lucru poate fi explicat prin intrarea moleculelor de solvent în prima sferă de coordonare și o schimbare corespunzătoare în structura electronică a complexului, energiile orbitalilor d (D) și alte proprietăți ale complexului de solvat. Astfel, magnetochimia face posibilă și studierea solvației, adică a interacțiunii unei substanțe dizolvate cu un solvent.

În soluții, determinarea compușilor de coordonare cm și meff permite, după cum se poate observa din materialul teoretic prezentat mai sus, determinarea unui număr de parametri structurali (l, S, D), ceea ce face ca studiile magnetochimice să fie foarte valoroase. Complexe diverse a aceluiași ion metalic poate diferi semnificativ în ceea ce privește valoarea momentului magnetic efectiv. Folosind exemplul cuprului (II), se poate observa că în timpul formării complexului, momentul magnetic efectiv crește, iar atunci când se formează un complex dimeric, acesta scade datorită interacțiunii antiferomagnetice a electronilor neperechi ai ionilor de cupru (II). Proprietățile magnetice ale compușilor complexi de cupru (II) sunt prezentate mai jos. (La scrierea formulelor s-au folosit denumiri prescurtate pentru liganzii adoptați în chimia coordonării: acac - acetilacetonă CH3COCH3COCH3, H4Tart - acid tartric HOOC(CHOH)2COOH.)

Câteva cuvinte despre apa „magnetică”, sau mai precis, despre soluțiile apoase (deoarece chiar și apa distilată conține impurități, precum oxigenul dizolvat, care este paramagnetic). Acest subiect, desigur, necesită o analiză separată, îl vom atinge numai în legătură cu magnetochimia. Dacă un câmp magnetic afectează proprietățile unei soluții și numeroase fapte experimentale (măsurători de densitate, vâscozitate, conductivitate electrică, concentrație de protoni, susceptibilitate magnetică) indică faptul că acesta este cazul, atunci trebuie recunoscut că energia interacțiunilor dintre componentele individuale ale soluției și ansamblul de molecule de apă este destul de mare, apoi este comparabilă cu sau depășește energia mișcării termice a particulelor dintr-o soluție, ceea ce reprezintă o medie a oricărui efect asupra soluției. Să ne amintim că energia interacțiunii magnetice a unei particule (molecule) este mică în comparație cu energia mișcării termice. O astfel de interacțiune este posibilă dacă acceptăm că în apă și soluții apoase, datorită naturii cooperante a legăturilor de hidrogen, se realizează mari ansambluri structurale asemănătoare gheții de molecule de apă, care pot fi întărite sau distruse sub influența substanțelor dizolvate. Energia de formare a unor astfel de „ansambluri” este aparent comparabilă cu energia mișcării termice, iar sub influență magnetică soluția o poate aminti și dobândi noi proprietăți, dar mișcarea browniană sau creșterea temperaturii elimină această „memorie” de-a lungul unui timp.

Vă rugăm să rețineți că prin selectarea cu precizie a concentrațiilor de substanțe paramagnetice într-un solvent diamagnetic, este posibil să se creeze un lichid nemagnetic, adică unul a cărui susceptibilitate magnetică medie este zero sau în care câmpurile magnetice se propagă exact în același mod ca în un vid. Această proprietate interesantă nu și-a găsit încă aplicație în tehnologie.

Proprietățile magnetice ale materiei

În toate corpurile plasate într-un câmp magnetic, apare un moment magnetic. Acest fenomen se numește magnetizare.

Un corp magnetizat (magnet) creează un câmp magnetic suplimentar cu inducție B′, care interacționează cu inducția B 0 = μ a H, cauzate de curenti macroscopici. Ambele câmpuri dau câmpul rezultat cu inducție B, care se obține ca urmare a adunării vectoriale B' Și B 0 .

Curenții închisi circulă în moleculele unei substanțe; fiecare astfel de curent are un moment magnetic; în absența unui câmp magnetic extern, curenții moleculari sunt orientați aleatoriu și câmpul mediu creat de aceștia va fi zero. Sub influența unui câmp magnetic, momentele magnetice ale moleculelor sunt orientate predominant de-a lungul câmpului, drept urmare substanța este magnetizată. Măsura magnetizării unei substanțe (magnet) este vectorul de magnetizare. Magnetizare vectorială eu egală cu suma vectorială a tuturor momentelor magnetice p m molecule conținute într-o unitate de volum a unei substanțe:

Mărimea χ se numește susceptibilitate magnetică– cantitate adimensională.

	În sistemul SI:	În sistemul SGSM:
	B′ = μ eu	B′ = 4χ eu	2)
	B = μ 0 H + μ eu	B = H+ 4χ eu	3)
	μ = 1 + χ	μ = 1 + 4π χ	4)

Curba care exprimă relația dintre HŞi B sau HŞi eu, numit curba de magnetizare.

Substanțele pentru care χ > 0 (dar doar puțin) sunt numite paramagnetice ( paramagnetic); substanțe pentru care χ< 0, называются диамагнитными (materiale diamagnetice). Sunt numite substanțe pentru care χ este mult mai mare decât unitatea feromagneti.

Feromagneții diferă de paramagneți și diamagneți într-un număr de proprietăți.

O) Curba de magnetizare a feromagneților este complexă (Fig. 1, pentru paramagneți, reprezintă o linie dreaptă cu un unghi pozitiv);
coeficient, pentru materiale diamagnetice – o linie dreaptă cu pantă negativă. Susceptibilitatea magnetică și permeabilitatea feromagneților depinde de intensitatea câmpului; Materialele paramagnetice și diamagnetice nu au această dependență.

Pentru feromagneți, este de obicei indicată permeabilitatea magnetică inițială (μ init) - valoarea limită a permeabilității magnetice atunci când intensitatea câmpului și inducția sunt aproape de zero, adică.

Curba lui μ vs. H pentru feromagneti trece printr-un maxim. Tabelele indică de obicei valoarea maximă (μ max).

b) Susceptibilitatea magnetică a feromagneților crește odată cu creșterea temperaturii. La o anumită temperatură T un feromagnetic se transformă într-un paramagnetic; această temperatură se numește Temperatura Curie (Punctul Curie). La temperaturi peste punctul Curie, substanța este paramagnetică. În apropierea temperaturii Curie, susceptibilitatea magnetică a feromagnetului de tăiere crește.

Susceptibilitatea magnetică a materialelor diamagnetice și a unor materiale paramagnetice (de exemplu, în metalele alcaline) nu depinde de temperatură. Susceptibilitatea magnetică a materialelor paramagnetice (cu puține excepții) variază invers cu temperatura absolută.

V) Un feromagnet demagnetizat este magnetizat de un câmp magnetic; dependenta B(sau eu) din Hîn timpul magnetizării va fi exprimată prin curba 0–1 (Fig. 1). Această curbă se numește curba de magnetizare inițială. Magnetizarea în câmpuri slabe crește rapid, apoi creșterea încetinește și, în final, apare o stare de saturație, în care magnetizarea rămâne practic constantă cu o creștere suplimentară a câmpului.

Se numește valoarea maximă a magnetizării magnetizare de saturație (eu s).

Când scade H la zero B(Şi eu) se va schimba de-a lungul curbei 1–2; există un decalaj între modificarea inducției și modificarea intensității câmpului. Acest fenomen se numește histerezis magnetic.

Cantitatea de inducție care rămâne într-un feromagnet după ce câmpul este îndepărtat (când H= 0), se numește inducție reziduală ( B r). În Fig.1 B r egal cu segmentul 0–2. Pentru a demagnetiza un feromagnet, trebuie să eliminați inducția reziduală. Pentru a face acest lucru, trebuie să creați un câmp în direcția opusă. Schimbarea inducției în fund în direcția opusă va fi reprezentată de curba 2–3–4.

Puterea câmpului Hc(segmentul 0–3 din Fig. 8), la care inducția este zero, se numește intensitate coercitivă (forță).

Dependenta B(sau eu) de la schimbarea periodică a intensității câmpului magnetic de la + H la - H este exprimată printr-o curbă închisă 1–2–3–4–5–6–1. Această curbă se numește bucla de histerezis.

Pentru un ciclu de schimbare a intensității câmpului de la + H la - H energia este consumată proporțional cu aria buclei de histerezis.

Proprietățile feromagneților se explică prin prezența în ei a unor regiuni care, în absența unui câmp magnetic extern, sunt magnetizate spontan până la saturație. Aceste zone se numesc domenii. Dar locația și magnetizarea acestor zone sunt de așa natură încât chiar și în absența unui câmp, magnetizarea totală a întregului corp este zero.

Când un feromagnet se află într-un câmp magnetic, granițele dintre domenii se deplasează (în câmpuri slabe) și vectorii de magnetizare ai domeniilor se rotesc în direcția câmpului de magnetizare (în câmpuri mai puternice), rezultând în magnetizarea feromagnetului.

Un feromagnet plasat într-un câmp magnetic își schimbă dimensiunile liniare, adică se deformează. Acest fenomen se numește magnetostricție. Alungirea relativă depinde de natura feromagnetului și de intensitatea câmpului magnetic.

Mărimea efectului de magnetostricție nu depinde de direcția câmpului; Unele substanțe experimentează scurtarea (nichel), altele alungire (fier în câmpuri slabe) de-a lungul zero. Acest fenomen este folosit pentru a produce vibrații ultrasonice cu frecvențe de până la 100 kHz.

Este ușor să trimiți munca ta bună la baza de cunoștințe. Utilizați formularul de mai jos

Studenții, studenții absolvenți, tinerii oameni de știință care folosesc baza de cunoștințe în studiile și munca lor vă vor fi foarte recunoscători.

Postat pe http://www.allbest.ru/

Postat pe http://www.allbest.ru/

AGENȚIA FEDERALĂ PENTRU ÎNVĂȚĂMÂNT INSTITUȚIA DE ÎNVĂȚĂMÂNT DE STAT DE ÎNVĂȚĂMÂNT SUPERIOR ȘI PROFESIONAL

„UNIVERSITATEA DE STAT VORONEZH”

(GOU VPO VSU)

Facultatea de Geologie

Departamentul de Geologie a Mediului

Abstract

pe tema: Proprietăți magnetice ale substanțelor

Completat de: elev anul I, gr. nr. 9

Agoshkova Ekaterina Vladimirovna

Referent:

Conferențiar, Candidat la Științe Voronova T.A.

Proprietățile magnetice ale substanțelor

Permeabilitatea magnetică a unei substanțe

Clasificarea substanțelor în funcție de acțiunea unui câmp magnetic extern asupra acestora

Antiferomagneți și ferimagneți

Magneți permanenți

Punctul Curie

Literatură

Proprietățile magnetice ale substanțelor

Magnetism-- o formă de interacțiune între sarcini electrice în mișcare, efectuată la distanță printr-un câmp magnetic.

Proprietățile magnetice ale materiei sunt explicate conform ipotezei lui Ampere.

Ipoteza lui Ampere- proprietățile magnetice ale unui corp pot fi explicate prin curenții care circulă în interiorul acestuia.

În interiorul atomilor, datorită mișcării electronilor pe orbite, există curenți electrici elementari care creează câmpuri magnetice elementare.

1. dacă substanța nu are proprietăți magnetice, câmpurile magnetice elementare sunt neorientate (datorită mișcării termice);

2. dacă o substanță are proprietăți magnetice, câmpurile magnetice elementare sunt în mod egal direcționate (orientate) și se formează propriul câmp magnetic intern al substanței.

Magnetizat numită substanța care își creează propriul câmp magnetic. Magnetizarea are loc atunci când o substanță este plasată într-un câmp magnetic extern.

magnetism ampere antiferromagnet curie

MagneticOhpermeabilitatea substanței

Influența unei substanțe asupra câmpului magnetic extern este caracterizată de mărime m , care se numește permeabilitatea magnetică a unei substanțe.

Permeabilitatea magnetică este o mărime scalară fizică care arată de câte ori diferă inducția câmpului magnetic într-o anumită substanță de inducția câmpului magnetic în vid.

unde este B? -- inducţia câmpului magnetic în materie; B? 0 -- inducția câmpului magnetic în vid.

Clasificarea substantelorprin acţiunea unui câmp magnetic extern asupra lor

1. D și materiale magnetice [m<1]- слабомагнитные вещества, внутреннее магнитное поле направлено противоположно внешнему магнитному полю, но слабовыраженно. Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля.

Susceptibilitate magnetică negativă- acesta este momentul în care un magnet este adus unui corp și este respins mai degrabă decât atras.

Diamagneții includ, de exemplu, gaze inerte, hidrogen, fosfor, zinc, aur, azot, siliciu, bismut, cupru și argint. Adică, acestea sunt substanțe care sunt în stare supraconductoare sau au legături covalente.

2. P aramagneti [m>1] - substanțe slab magnetice, câmpul magnetic intern este direcționat în același mod ca și câmpul magnetic extern. Pentru aceste substanțe, susceptibilitatea magnetică nu depinde de asemenea de intensitatea câmpului existent. Ea este însă pozitivă. Adică, atunci când un paramagnetic se apropie de un magnet permanent, apare o forță atractivă. Acestea includ aluminiu, platină, oxigen, mangan, fier.

3. F Eromagneții [m>>1] - substanțe foarte magnetice, câmpul magnetic intern este de 100-1000 de ori mai mare decât câmpul magnetic extern.

Pentru aceste substanțe, spre deosebire de materialele diamagnetice și paramagnetice, susceptibilitatea magnetică depinde de temperatură și intensitatea câmpului magnetic și într-o măsură semnificativă.

Acestea includ cristale de nichel și cobalt.

Antiferomagneți și ferimagneți

Substanțele în care, în timpul încălzirii, are loc o tranziție de fază a substanței date, însoțită de apariția proprietăților paramagnetice, se numesc antiferomagneți. Dacă temperatura devine mai mică decât o anumită, aceste proprietăți ale substanței nu vor fi respectate. Exemple de aceste substanțe ar fi manganul și cromul.

Susceptibilitate magnetică ferimagneti depinde și de temperaturi și intensitatea câmpului magnetic. Dar au încă diferențe. Aceste substanțe includ diverși oxizi.

Toți magneții de mai sus pot fi împărțiți în 2 categorii:

Materiale magnetice dure. Acestea sunt materiale cu o valoare mare de coercivitate. Pentru a le remagnetiza, este necesar să se creeze un câmp magnetic puternic. Aceste materiale sunt folosite la fabricarea magneților permanenți.

Materiale magnetice moi, dimpotrivă, au o mică forță coercitivă. În câmpurile magnetice slabe ele sunt capabile să intre în saturație. Au pierderi reduse datorită inversării magnetizării. Din acest motiv, aceste materiale sunt folosite pentru a face miezuri pentru mașinile electrice care funcționează pe curent alternativ. Acesta este, de exemplu, un transformator de curent și tensiune, sau un generator sau un motor asincron.

Magnet permanents

Permanentmagneti- acestea sunt corpuri perioadă lungă de timp reținând magnetizarea.

Un magnet permanent are întotdeauna 2 poli magnetici: nord (N) și sud (S).

Câmpul magnetic al unui magnet permanent este cel mai puternic la polii săi.

Magneții permanenți sunt de obicei fabricați din fier, oțel, fontă și alte aliaje de fier (magneți puternici), precum și nichel, cobalt (magneți slabi). Magneții sunt naturali (naturali) din minereu de fier minereu de fier magnetic și cele artificiale, obținute prin magnetizarea fierului la introducerea acestuia într-un câmp magnetic.

Interacțiunea magnetică: Polii asemeni se resping și, spre deosebire de poli, se atrag.

Interacțiunea magneților se explică prin faptul că orice magnet are un câmp magnetic, iar aceste câmpuri magnetice interacționează între ele.

Câmp magnetic al magneților permanenți

Care sunt motivele magnetizării fierului? Conform ipotezei omului de știință francez Ampere, în interiorul materiei există curenți electrici elementari (curenți Ampere), care se formează ca urmare a mișcării electronilor în jurul nucleelor ​​atomice și în jurul propriei axe. Când electronii se mișcă, apar câmpuri magnetice elementare. Când o bucată de fier este introdusă într-un câmp magnetic extern, toate câmpurile magnetice elementare din acest fier sunt orientate identic în câmpul magnetic extern, formând propriul câmp magnetic. Așa se face că o bucată de fier devine un magnet.

Cum arată un câmp magnetic?magneți permanenți?

O idee despre tipul de câmp magnetic poate fi obținută folosind pilitura de fier. Tot ce trebuie să faceți este să puneți o foaie de hârtie pe magnet și să presărați pilitură de fier deasupra.

Pentru magnet cu bandă permanentă Pentru magnet cu arc permanent

Punctul Curie

Punctul Curie, sau Temperatura Curie, -- temperatura unei tranziții de fază de ordinul doi asociată cu o schimbare bruscă a proprietăților de simetrie a unei substanțe cu o schimbare a temperaturii, dar pentru valori date ale altor parametrii termodinamici(presiunea, puterea câmpului electric sau magnetic). O tranziție de fază de ordinul doi la temperatura Curie este asociată cu o modificare a proprietăților de simetrie ale substanței. La Tc, în toate cazurile de tranziții de fază, orice tip de ordine atomică dispare, de exemplu, ordinea spinurilor electronilor ( feroelectrice), momente magnetice atomice ( feromagneti), ordinea în aranjarea atomilor diferitelor componente ale aliajului de-a lungul nodurilor rețelei cristaline (tranziții de fază în aliaje). Lângă T c există anomalii ascuțite proprietăți fizice, de exemplu, piezoelectrice, electro-optice, termice.

Punctul magnetic Curie este temperatura unei astfel de tranziții de fază la care magnetizarea spontană a domeniilor feromagnetice dispare și feromagneticul se transformă într-o stare paramagnetică. Cu comparativ temperaturi scăzute Mișcarea termică a atomilor, care duce inevitabil la unele încălcări ale aranjamentului ordonat al momentelor magnetice, este nesemnificativă. Pe măsură ce temperatura crește, rolul acesteia crește și, în final, la o anumită temperatură (T c) mișcarea termică a atomilor este capabilă să distrugă dispunerea ordonată a momentelor magnetice, iar feromagnetul se transformă într-un paramagnet. În apropierea punctului Curie, se observă o serie de caracteristici în modificarea proprietăților nemagnetice ale feromagneților ( rezistivitate, capacitatea termică specifică, coeficientul de temperatură de dilatare liniară).

Valoarea lui T c depinde de puterea legăturii momentelor magnetice între ele, în cazul unei conexiuni puternice ajunge la: pentru fier pur T c = 768 o C, pentru cobalt T c = 1131 o C, depășește 1000 o C pentru aliaje fier-cobalt. Pentru multe substanțe Tc este mic (pentru nichel Tc = 358 o C). Prin valoarea lui T c se poate estima energia de legare a momentelor magnetice între ele. Pentru a distruge aranjamentul ordonat al momentelor magnetice este necesară energia mișcării termice, care depășește cu mult atât energia de interacțiune a dipolilor, cât și energia potențială a dipolului magnetic în câmp.

La temperatura Curie, permeabilitatea magnetică a unui feromagnet devine aproximativ egal cu unu, deasupra punctului Curie, se supune schimbării susceptibilității magnetice Legea Curie-Weiss.

Pentru fiecare feromagnet există o anumită temperatură - punctul Curie.

1. Dacă t al substanţei< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.

2. Dacă t al unei substanțe > Curie t, atunci proprietățile feromagnetice (magnetizarea) dispar și substanța devine paramagnetică. Prin urmare, magneții permanenți își pierd proprietățile magnetice atunci când sunt încălziți.

Literatură

Zhilko, V.V. Fizica: manual. indemnizatie pentru clasa a XI-a. învăţământul general şcoală din rusă limbă antrenament / V.V Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. -- Mn.: Nar. Asveta, 2002. -- P. 291-297.

http://msk.edu.ua/

http://elhow.ru/

http://class-fizika.narod.ru/

Postat pe Allbest.ru

Documente similare

Câmpul magnetic este o componentă a câmpului electromagnetic care apare în prezența unui câmp electric care variază în timp. Proprietățile magnetice ale substanțelor. Condiții pentru crearea și manifestarea unui câmp magnetic. Legea lui Ampere și unitățile de măsură ale câmpului magnetic.

prezentare, adaugat 16.11.2011


Esența câmpului magnetic, principalele sale caracteristici. Concepte și clasificare a magneților - substanțe care pot fi magnetizate într-un câmp magnetic extern. Structura și proprietățile materialelor. Magneți permanenți și electrici și domeniile lor de aplicare.

rezumat, adăugat 12.02.2012


Natura și caracteristicile câmpului magnetic. Proprietăți magnetice ale diferitelor substanțe și surse de câmp magnetic. Structura electromagneților, clasificarea lor, aplicarea și exemplele de utilizare. Solenoid și aplicarea acestuia. Calculul dispozitivului de magnetizare.

lucrare de curs, adăugată 17.01.2011


Procesul de formare și apariție a unui câmp magnetic. Proprietățile magnetice ale substanțelor. Interacțiunea a doi magneți și fenomenul inducției electromagnetice. Curenții Foucault sunt curenți de inducție turbionari care apar în conductori masivi atunci când fluxul magnetic se modifică.

prezentare, adaugat 17.11.2010


Conceptul și acțiunea unui câmp magnetic, caracteristicile sale: inducția magnetică, fluxul magnetic, intensitatea, permeabilitatea magnetică. Formule de inducție magnetică și regula „mâna stângă”. Elemente și tipuri de circuite magnetice, formularea legilor lor de bază.

prezentare, adaugat 27.05.2014


Acțiunea unui câmp de forță în spațiul care înconjoară curenții și magneții permanenți. Caracteristicile de bază ale câmpului magnetic. Ipoteza lui Ampère, legea Biot-Savart-Laplace. Momentul magnetic al unui cadru purtător de curent. Fenomenul inducției electromagnetice; histerezis, autoinducere.

prezentare, adaugat 28.07.2015


Concepte de bază, tipuri (diamagneți, ferimagneți, paramagneți, antiferomagneți) și condiții de manifestare a magnetismului. Natura stării feromagnetice a substanțelor. Esența fenomenului de magnetostricție. Descrierea structurilor de domenii în filmele magnetice subțiri.

rezumat, adăugat 30.08.2010


Manifestări ale câmpului magnetic, parametri care îl caracterizează. Caracteristicile materialelor feromagnetice (magnetice moi și dure). Legile lui Kirchhoff și Ohm pentru circuitele magnetice de curent continuu, principiul calculului lor, analogia lor cu circuitele electrice.

test, adaugat 10.10.2010


Studiul fenomenelor de diamagnetism și paramagnetism. Susceptibilitatea magnetică a atomilor elemente chimice. Magnetic ordinea atomicăși magnetizarea spontană în minerale feromagnetice. Faze solide, lichide și gazoase. Proprietățile magnetice ale rocilor sedimentare.

prezentare, adaugat 15.10.2013


Conceptul și proprietățile de bază ale unui câmp magnetic, studiul unei bucle închise cu curent într-un câmp magnetic. Parametrii și determinarea direcției vectorului și a liniilor de inducție magnetică. Biografie și activitate științifică Andre Marie Ampere, descoperirea sa asupra puterii lui Ampere.