Magnetické vlastnosti materiálu sú triedou fyzikálnych javov sprostredkovaných poľami. Elektrické prúdy a magnetické momenty elementárnych častíc vytvárajú pole, ktoré pôsobí na iné prúdy. Najznámejšie účinky sa vyskytujú vo feromagnetických materiáloch, ktoré sú silne priťahované magnetickými poľami a môžu sa trvalo zmagnetizovať, čím sa vytvárajú samotné nabité polia.
Iba niekoľko látok je feromagnetických. Na určenie úrovne vývoja tohto javu v konkrétnej látke existuje klasifikácia materiálov podľa magnetických vlastností. Najbežnejšie sú železo, nikel a kob alt a ich zliatiny. Predpona ferro- odkazuje na železo, pretože permanentný magnetizmus bol prvýkrát pozorovaný v prázdnom železe, forme prírodnej železnej rudy nazývanej magnetické vlastnosti materiálu, Fe3O4.
Paramagnetické materiály
Aj keďferomagnetizmus je zodpovedný za väčšinu účinkov magnetizmu, s ktorými sa stretávame v každodennom živote, všetky ostatné materiály sú do určitej miery ovplyvnené poľom, ako aj niektoré ďalšie typy magnetizmu. Paramagnetické látky ako hliník a kyslík sú k aplikovanému magnetickému poľu slabo priťahované. Diamagnetické látky ako meď a uhlík slabo odpudzujú.
Zatiaľ čo antiferomagnetické materiály ako chróm a spinové sklá majú s magnetickým poľom zložitejší vzťah. Sila magnetu na paramagnetických, diamagnetických a antiferomagnetických materiáloch je zvyčajne príliš slabá na to, aby ju bolo možné cítiť a možno ju zistiť iba laboratórnymi prístrojmi, takže tieto látky nie sú zahrnuté v zozname materiálov, ktoré majú magnetické vlastnosti.
Podmienky
Magnetický stav (alebo fáza) materiálu závisí od teploty a iných premenných, ako je tlak a aplikované magnetické pole. Materiál môže pri zmene týchto premenných vykazovať viac ako jednu formu magnetizmu.
História
Magnetické vlastnosti materiálu boli prvýkrát objavené v starovekom svete, keď si ľudia všimli, že magnety, prirodzene zmagnetizované kúsky minerálov, môžu priťahovať železo. Slovo „magnet“pochádza z gréckeho výrazu Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „magnéziový kameň, nášľapný kameň“.
V starovekom Grécku Aristoteles pripísal prvú z diskusií, ktoré by sa dali nazvať vedeckou diskusiou o magnetických vlastnostiach materiálov,filozof Táles z Milétu, ktorý žil od roku 625 pred Kr. e. pred rokom 545 pred Kristom e. Staroveký indický lekársky text Sushruta Samhita popisuje použitie magnetitu na odstránenie šípov zapustených v ľudskom tele.
Staroveká Čína
V starovekej Číne sa najstaršia literárna zmienka o elektrických a magnetických vlastnostiach materiálov nachádza v knihe zo 4. storočia pred naším letopočtom pomenovanej po jej autorovi, Mudrc z Údolia duchov. Najstaršia zmienka o príťažlivosti ihly je v diele z 1. storočia Lunheng (Vyvážené požiadavky): „Magnet priťahuje ihlu.“
Čínsky vedec z 11. storočia Shen Kuo bol prvou osobou, ktorá opísala – v eseji o bazéne snov – magnetický kompas s ihlou a že zlepšil presnosť navigácie pomocou astronomických metód. koncept skutočného severu. V 12. storočí boli Číňania známi tým, že na navigáciu používali magnetický kompas. Vodiacu lyžicu vyrobili z kameňa tak, aby rukoväť lyžice vždy smerovala na juh.
Stredovek
Alexander Neckam v roku 1187 ako prvý v Európe opísal kompas a jeho použitie na navigáciu. Tento výskumník po prvýkrát v Európe dôkladne stanovil vlastnosti magnetických materiálov. V roku 1269 Peter Peregrine de Maricourt napísal Epistola de magnete, prvé dochované pojednanie popisujúce vlastnosti magnetov. V roku 1282 opísal vlastnosti kompasov a materiálov so špeciálnymi magnetickými vlastnosťami al-Ashraf, jemenský fyzik, astronóm a geograf.
Renesancia
V roku 1600 publikoval William Gilbertjeho „Magnetický korpus“a „Magnetický telúr“(„O magnete a magnetických telách a tiež o veľkom magnete Zeme“). V tomto článku popisuje mnohé zo svojich experimentov so svojím modelom Zeme nazývaným terrella, s ktorým robil výskum vlastností magnetických materiálov.
Na základe svojich experimentov dospel k záveru, že samotná Zem je magnetická, a preto kompasy ukazovali na sever (predtým sa niektorí domnievali, že ide o polárnu hviezdu (Polárku) alebo veľký magnetický ostrov na severe Tyč, ktorá priťahovala kompas).
Nový čas
Pochopenie vzťahu medzi elektrinou a materiálmi so špeciálnymi magnetickými vlastnosťami sa objavilo v roku 1819 v práci Hansa Christiana Oersteda, profesora na Univerzite v Kodani, ktorý náhodným škubnutím strelky kompasu v blízkosti drôtu objavil, že elektrický prúd môže vytvoriť magnetické pole. Tento významný experiment je známy ako Oerstedov experiment. Nasledovalo niekoľko ďalších experimentov s André-Marie Ampère, ktorý v roku 1820 zistil, že magnetické pole cirkulujúce v uzavretej dráhe súvisí s prúdom tečúcim po obvode dráhy.
Carl Friedrich Gauss sa zaoberal štúdiom magnetizmu. Jean-Baptiste Biot a Felix Savart v roku 1820 prišli s Biot-Savartovým zákonom, ktorý dáva požadovanú rovnicu. Michael Faraday, ktorý v roku 1831 zistil, že časovo sa meniaci magnetický tok cez slučku drôtu spôsobuje napätie. A ďalší vedci našli ďalšie súvislosti medzi magnetizmom a elektrinou.
XX storočia a našečas
James Clerk Maxwell syntetizoval a rozšíril toto chápanie Maxwellových rovníc zjednotením elektriny, magnetizmu a optiky v oblasti elektromagnetizmu. V roku 1905 Einstein použil tieto zákony na motiváciu svojej teórie špeciálnej relativity tým, že požadoval, aby zákony platili vo všetkých inerciálnych referenčných sústavách.
Elektromagnetizmus sa naďalej vyvíjal do 21. storočia a bol začlenený do základných teórií kalibračnej teórie, kvantovej elektrodynamiky, elektroslabej teórie a napokon do štandardného modelu. V súčasnosti už vedci študujú magnetické vlastnosti nanoštruktúrnych materiálov so všetkou silou. Ale najväčšie a najúžasnejšie objavy v tejto oblasti sú pravdepodobne ešte pred nami.
Essence
Magnetické vlastnosti materiálov sú spôsobené najmä magnetickými momentmi orbitálnych elektrónov ich atómov. Magnetické momenty atómových jadier sú zvyčajne tisíckrát menšie ako elektróny, a preto sú v kontexte magnetizácie materiálov zanedbateľné. Nukleárne magnetické momenty sú však veľmi dôležité aj v iných súvislostiach, najmä pri nukleárnej magnetickej rezonancii (NMR) a magnetickej rezonancii (MRI).
Obyčajne je obrovský počet elektrónov v materiáli usporiadaný tak, že ich magnetické momenty (orbitálne aj vnútorné) sú anulované. Do určitej miery je to spôsobené tým, že elektróny sa spájajú v pároch s opačnými vnútornými magnetickými momentmi v dôsledku Pauliho princípu (pozri Konfigurácia elektrónov) a spájajú sa do vyplnených podplášťov s nulovým čistým orbitálnym pohybom.
BV oboch prípadoch elektróny prevažne využívajú obvody, v ktorých je magnetický moment každého elektrónu rušený opačným momentom druhého elektrónu. Navyše, aj keď je konfigurácia elektrónov taká, že existujú nespárované elektróny a/alebo nevyplnené podobaly, často sa stáva, že rôzne elektróny v pevnej látke budú prispievať magnetickými momentmi, ktoré smerujú do rôznych náhodných smerov, takže materiál nebude magnetické.
Niekedy, buď spontánne alebo v dôsledku aplikovaného vonkajšieho magnetického poľa, sa každý z magnetických momentov elektrónov v priemere zarovná. Správny materiál potom môže vytvoriť silné čisté magnetické pole.
Magnetické správanie materiálu závisí od jeho štruktúry, najmä od jeho elektronickej konfigurácie, z dôvodov uvedených vyššie, a tiež od teploty. Pri vysokých teplotách náhodný tepelný pohyb sťažuje zarovnanie elektrónov.
Diamagnetizmus
Diamagnetizmus sa nachádza vo všetkých materiáloch a je to tendencia materiálu odolávať aplikovanému magnetickému poľu, a preto odpudzovať magnetické pole. V materiáli s paramagnetickými vlastnosťami (teda so sklonom k zosilneniu vonkajšieho magnetického poľa) však dominuje paramagnetické správanie. Diamagnetické správanie sa teda napriek univerzálnemu výskytu pozoruje iba v čisto diamagnetickom materiáli. V diamagnetickom materiáli nie sú žiadne nepárové elektróny, takže vnútorné magnetické momenty elektrónov nemôžu vytváraťakýkoľvek efekt hlasitosti.
Upozorňujeme, že tento popis slúži len ako heuristika. Bohr-Van Leeuwenova veta ukazuje, že diamagnetizmus je podľa klasickej fyziky nemožný a že správne pochopenie vyžaduje kvantovo-mechanický popis.
Všimnite si, že všetky materiály prechádzajú touto orbitálnou odozvou. V paramagnetických a feromagnetických látkach je však diamagnetický efekt potláčaný oveľa silnejšími účinkami spôsobenými nespárovanými elektrónmi.
V paramagnetickom materiáli sú nespárované elektróny; to znamená atómové alebo molekulárne orbitály s práve jedným elektrónom v sebe. Zatiaľ čo Pauliho princíp vylúčenia vyžaduje, aby párové elektróny mali svoje vlastné ("spin") magnetické momenty smerujúce v opačných smeroch, čo spôsobuje, že sa ich magnetické polia rušia, nespárovaný elektrón môže zarovnať svoj magnetický moment v oboch smeroch. Keď sa aplikuje vonkajšie pole, tieto momenty budú mať tendenciu zarovnať sa v rovnakom smere ako aplikované pole, čím ho zosilnia.
Ferromagnety
Feromagnet, ako paramagnetická látka, má nepárové elektróny. Avšak, okrem tendencie vlastného magnetického momentu elektrónov byť rovnobežný s aplikovaným poľom, v týchto materiáloch existuje aj tendencia týchto magnetických momentov orientovať sa navzájom paralelne, aby sa zachoval stav zníženého energie. Teda aj pri absencii aplikovaného poľamagnetické momenty elektrónov v materiáli sa spontánne vyrovnávajú navzájom paralelne.
Každá feromagnetická látka má svoju individuálnu teplotu, nazývanú Curieova teplota alebo Curieov bod, nad ktorou stráca svoje feromagnetické vlastnosti. Je to preto, lebo tepelný sklon k neusporiadanosti prevýši redukciu energie v dôsledku feromagnetického poriadku.
Ferromagnetizmus sa vyskytuje iba v niekoľkých látkach; železo, nikel, kob alt, ich zliatiny a niektoré zliatiny vzácnych zemín sú bežné.
Magnetické momenty atómov vo feromagnetickom materiáli spôsobujú, že sa správajú ako malé permanentné magnety. Lepia sa spolu a spájajú sa do malých oblastí viac-menej rovnomerného zarovnania nazývaných magnetické domény alebo Weissove domény. Magnetické domény možno pozorovať pomocou mikroskopu magnetickej sily na odhalenie hraníc magnetických domén, ktoré sa podobajú bielym čiaram na náčrte. Existuje mnoho vedeckých experimentov, ktoré dokážu fyzikálne ukázať magnetické polia.
Úloha domén
Keď doména obsahuje príliš veľa molekúl, stane sa nestabilnou a rozdelí sa na dve domény zarovnané v opačných smeroch, aby sa spojili stabilnejšie, ako je znázornené vpravo.
Pri vystavení magnetickému poľu sa hranice domén posúvajú tak, že magneticky zarovnané domény rastú a dominujú štruktúre (bodkovaná žltá oblasť), ako je znázornené vľavo. Po odstránení magnetizačného poľa sa domény nemusia vrátiť do nemagnetizovaného stavu. To vedie kpretože feromagnetický materiál je zmagnetizovaný a vytvára permanentný magnet.
Keď bola magnetizácia dostatočne silná, aby dominantná doména prekrývala všetky ostatné, čo viedlo k vytvoreniu iba jednej samostatnej domény, materiál bol magneticky nasýtený. Keď sa zmagnetizovaný feromagnetický materiál zahreje na teplotu Curieho bodu, molekuly sa zmiešajú do bodu, keď magnetické domény stratia organizáciu a magnetické vlastnosti, ktoré spôsobujú, prestanú. Keď sa materiál ochladí, táto štruktúra zarovnania domén sa spontánne vráti, zhruba analogicky tomu, ako môže kvapalina zamrznúť na kryštalickú pevnú látku.
Antiferomagnetika
V antiferomagnetiku, na rozdiel od feromagnetu, majú vnútorné magnetické momenty susedných valenčných elektrónov tendenciu smerovať opačným smerom. Keď sú všetky atómy usporiadané v látke tak, že každý sused je antiparalelný, látka je antiferomagnetická. Antiferomagnety majú čistý magnetický moment nula, čo znamená, že nevytvárajú pole.
Antiferomagnety sú zriedkavejšie ako iné typy správania a najčastejšie sa vyskytujú pri nízkych teplotách. Pri rôznych teplotách vykazujú antiferomagnetiká diamagnetické a feromagnetické vlastnosti.
V niektorých materiáloch susedné elektróny uprednostňujú smerovanie opačnými smermi, ale neexistuje žiadne geometrické usporiadanie, v ktorom by bola každá dvojica susedov proti sebe. Nazýva sa to spin glass andje príkladom geometrickej frustrácie.
Magnetické vlastnosti feromagnetických materiálov
Podobne ako feromagnetizmus, aj ferimagnety si zachovávajú svoju magnetizáciu v neprítomnosti poľa. Avšak, rovnako ako antiferomagnety, susedné páry elektrónových spinov majú tendenciu smerovať opačným smerom. Tieto dve vlastnosti si neprotirečia, pretože pri optimálnom geometrickom usporiadaní je magnetický moment z podmriežky elektrónov, ktoré smerujú rovnakým smerom, väčší ako z podmriežky, ktorá smeruje opačným smerom.
Väčšina feritov je ferimagnetických. Magnetické vlastnosti feromagnetických materiálov sa dnes považujú za nepopierateľné. Prvá objavená magnetická látka, magnetit, je ferit a pôvodne sa predpokladalo, že je to feromagnet. Louis Neel to však vyvrátil objavom ferimagnetizmu.
Keď je feromagnet alebo ferimagnet dostatočne malý, pôsobí ako jediné magnetické otáčanie, ktoré podlieha Brownovmu pohybu. Jeho odozva na magnetické pole je kvalitatívne podobná odozve paramagnetu, no oveľa viac.
Elektromagnety
Elektromagnet je magnet, v ktorom je magnetické pole vytvárané elektrickým prúdom. Po vypnutí prúdu magnetické pole zmizne. Elektromagnety zvyčajne pozostávajú z veľkého počtu tesne umiestnených závitov drôtu, ktoré vytvárajú magnetické pole. Cievky drôtu sú často navinuté okolo magnetického jadra vyrobeného z feromagnetického alebo ferimagnetického materiálu.materiál ako železo; magnetické jadro koncentruje magnetický tok a vytvára silnejší magnet.
Hlavnou výhodou elektromagnetu oproti permanentnému magnetu je, že magnetické pole sa dá rýchlo meniť riadením množstva elektrického prúdu vo vinutí. Avšak na rozdiel od permanentného magnetu, ktorý nevyžaduje napájanie, elektromagnet vyžaduje nepretržitú dodávku prúdu na udržanie magnetického poľa.
Elektromagnety sa široko používajú ako súčasti iných elektrických zariadení, ako sú motory, generátory, relé, solenoidy, reproduktory, pevné disky, prístroje MRI, vedecké prístroje a zariadenia na magnetickú separáciu. Elektromagnety sa tiež používajú v priemysle na uchopenie a presun ťažkých železných predmetov, ako je kovový šrot a oceľ. Elektromagnetizmus bol objavený v roku 1820. Zároveň bola zverejnená prvá klasifikácia materiálov podľa magnetických vlastností.
