Υπουργείο Παιδείας και Επιστημών της Δημοκρατίας του Καζακστάν

Κρατικό Πανεπιστήμιο Kostanay που πήρε το όνομά του. Αχμέτα Μπαϊτουρσίνοφ

Περίληψη με θέμα:

«Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης»

Συμπλήρωσε: μαθητής της ομάδας 08-101-31

Ειδικότητες 050718

Litvinenko R.V.

Έλεγχος: Sapa V.Yu.

Kostanay 2009-2010.

Σχέδιο.

1) Ταξινόμηση ουσιών σύμφωνα με μαγνητικές ιδιότητες.

2) Ταξινόμηση μαγνητικών υλικών.

3) Βασικές απαιτήσεις για υλικά.

4) Σιδηρομαγνήτες.

5) Διαμαγνήτες και παραμαγνήτες σε μαγνητικό πεδίο.

6) Λογοτεχνία.

Ταξινόμηση ουσιών κατά μαγνητικές ιδιότητες

Σύμφωνα με την αντίδραση σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και τη φύση της εσωτερικής μαγνητικής διάταξης, όλες οι ουσίες στη φύση μπορούν να χωριστούν σε πέντε ομάδες: διαμαγνητικές, παραμαγνητικές, σιδηρομαγνητικές, αντισιδηρομαγνητικές και σιδηρομαγνητικές. Οι αναφερόμενοι τύποι μαγνητών αντιστοιχούν σε πέντε διαφορετικούς τύπους μαγνητικών καταστάσεων της ύλης: διαμαγνητισμός, παραμαγνητισμός, σιδηρομαγνητισμός, αντισιδηρομαγνητισμός και σιδηρομαγνητισμός.

Οι διαμαγνήτες περιλαμβάνουν ουσίες των οποίων η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι αρνητική και δεν εξαρτάται από την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Οι διαμαγνήτες περιλαμβάνουν αδρανή αέρια, υδρογόνο, άζωτο, πολλά υγρά (νερό, λάδι και τα παράγωγά του), μια σειρά από μέταλλα (χαλκός, άργυρος, χρυσός, ψευδάργυρος, υδράργυρος, γάλλιο κ.λπ.), οι περισσότεροι ημιαγωγοί (πυρίτιο, γερμάνιο, ενώσεις Α3). B 5, A 2 B 6) και οργανικές ενώσεις, κρύσταλλοι αλογονιδίων αλκαλίων, ανόργανα γυαλιά κ.λπ. Οι διαμαγνήτες είναι όλες ουσίες με ομοιοπολικό χημικό δεσμό και ουσίες σε υπεραγώγιμη κατάσταση.

Οι παραμαγνητικές ουσίες περιλαμβάνουν ουσίες με θετική μαγνητική επιδεκτικότητα, ανεξάρτητα από την ισχύ του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τα παραμαγνητικά υλικά περιλαμβάνουν οξυγόνο, οξείδιο του αζώτου, μέταλλα αλκαλίων και αλκαλικών γαιών, ορισμένα μέταλλα μετάπτωσης, άλατα σιδήρου, κοβάλτιο, νικέλιο και στοιχεία σπάνιων γαιών.

Οι σιδηρομαγνήτες περιλαμβάνουν ουσίες με υψηλή θετική μαγνητική επιδεκτικότητα (έως 10 6), η οποία εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και τη θερμοκρασία.

Οι αντισιδηρομαγνήτες είναι ουσίες στις οποίες, κάτω από μια ορισμένη θερμοκρασία, προκύπτει αυθόρμητα ένας αντιπαράλληλος προσανατολισμός των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών πανομοιότυπων ατόμων ή ιόντων του κρυσταλλικού πλέγματος. Όταν θερμαίνεται, ένας αντισιδηρομαγνήτης υφίσταται μια μετάβαση φάσης σε μια παραμαγνητική κατάσταση. Αντισιδηρομαγνητισμός έχει βρεθεί στο χρώμιο, το μαγγάνιο και μια σειρά από στοιχεία σπάνιων γαιών (Ce, Nd, Sm, Tm κ.λπ.). Οι τυπικοί αντισιδηρομαγνήτες είναι οι απλούστερες χημικές ενώσεις που βασίζονται σε μέταλλα της μεταβατικής ομάδας όπως οξείδια, αλογονίδια, σουλφίδια, ανθρακικά κ.λπ.

Οι σιδηρομαγνήτες περιλαμβάνουν ουσίες των οποίων οι μαγνητικές ιδιότητες οφείλονται σε μη αντισταθμισμένο αντισιδηρομαγνητισμό. Όπως οι σιδηρομαγνήτες, έχουν υψηλή μαγνητική επιδεκτικότητα, η οποία εξαρτάται σημαντικά από την ένταση του μαγνητικού πεδίου και τη θερμοκρασία. Μαζί με αυτό, οι σιδηρομαγνήτες χαρακτηρίζονται από μια σειρά σημαντικών διαφορών από τα σιδηρομαγνητικά υλικά.

Ορισμένα παραγγελθέντα κράματα μετάλλων έχουν σιδηρομαγνητικές ιδιότητες, αλλά κυρίως διάφορες ενώσεις οξειδίων, μεταξύ των οποίων οι φερρίτες έχουν μεγαλύτερο πρακτικό ενδιαφέρον.

Ταξινόμηση μαγνητικών υλικών

Τα μαγνητικά υλικά που χρησιμοποιούνται στην ηλεκτρονική τεχνολογία χωρίζονται σε δύο κύριες ομάδες: σκληρό μαγνητικόΚαι μαλακό μαγνητικό. Τα υλικά περιλαμβάνονται σε ξεχωριστή ομάδα ειδικός σκοπός .

ΠΡΟΣ ΤΗΝ σκληρό μαγνητικόπεριλαμβάνουν υλικά με υψηλή καταναγκαστική δύναμη N s. Μαγνητίζονται μόνο σε πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών.

ΠΡΟΣ ΤΗΝ μαλακό μαγνητικόπεριλαμβάνουν υλικά με χαμηλή καταναγκαστική δύναμη και υψηλή μαγνητική διαπερατότητα. Έχουν την ικανότητα να μαγνητίζονται σε κορεσμό σε ασθενή μαγνητικά πεδία και χαρακτηρίζονται από στενό βρόχο υστέρησης και χαμηλές απώλειες αντιστροφής μαγνήτισης. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται κυρίως ως διάφοροι μαγνητικοί πυρήνες: πυρήνες επαγωγής, μετασχηματιστές, ηλεκτρομαγνήτες, μαγνητικά συστήματα ηλεκτρικών οργάνων μέτρησης κ.λπ.

Τα υπό όρους μαλακά μαγνητικά υλικά θεωρούνται ότι έχουν H με< 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н с >4 kA/m. Θα πρέπει να σημειωθεί, ωστόσο, ότι στα καλύτερα μαλακά μαγνητικά υλικά η δύναμη καταναγκασμού μπορεί να είναι μικρότερη από 1 A/m, και στα καλύτερα σκληρά μαγνητικά υλικά η τιμή της υπερβαίνει τα 500 kA/m. Όσον αφορά την κλίμακα εφαρμογής στην ηλεκτρονική τεχνολογία, τα υλικά ειδικής χρήσης περιλαμβάνουν υλικά με ορθογώνιο βρόχο υστέρησης (RHL), φερρίτες για συσκευές μικροκυμάτων και μαγνητοσυστολικά υλικά.

Σε κάθε ομάδα, η διαίρεση των μαγνητικών υλικών σε γένη και τύπους αντανακλά διαφορές στη δομή και τη χημική τους σύνθεση, λαμβάνει υπόψη τα τεχνολογικά χαρακτηριστικά και ορισμένες συγκεκριμένες ιδιότητες.

Οι ιδιότητες των μαγνητικών υλικών καθορίζονται από το σχήμα της καμπύλης μαγνήτισης και τον βρόχο υστέρησης. Τα μαλακά μαγνητικά υλικά χρησιμοποιούνται για τη λήψη υψηλών τιμών μαγνητικής ροής. Το μέγεθος της μαγνητικής ροής περιορίζεται από τον μαγνητικό κορεσμό του υλικού, και ως εκ τούτου η κύρια απαίτηση για μαγνητικά υλικά στην ηλεκτρολογία και τα ηλεκτρονικά υψηλού ρεύματος είναι η επαγωγή υψηλού κορεσμού. Οι ιδιότητες των μαγνητικών υλικών εξαρτώνται από τη χημική τους σύνθεση, την καθαρότητα των πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται και την τεχνολογία παραγωγής. Ανάλογα με τις πρώτες ύλες και την τεχνολογία παραγωγής, τα μαλακά μαγνητικά υλικά χωρίζονται σε τρεις ομάδες: μονολιθικά μεταλλικά υλικά, μεταλλικά υλικά σε σκόνη (μαγνητοδιηλεκτρικά) και οξείδια μαγνητικά υλικά, που ονομάζονται εν συντομία φερρίτες.

Βασικές απαιτήσεις για υλικά

Εκτός από την υψηλή μαγνητική διαπερατότητα και τη χαμηλή δύναμη καταναγκασμού, τα μαλακά μαγνητικά υλικά πρέπει να έχουν υψηλή επαγωγή κορεσμού, δηλ. περάστε τη μέγιστη μαγνητική ροή μέσω μιας δεδομένης περιοχής διατομής του μαγνητικού κυκλώματος. Η εκπλήρωση αυτής της απαίτησης καθιστά δυνατή τη μείωση των συνολικών διαστάσεων και του βάρους του μαγνητικού συστήματος.

Το μαγνητικό υλικό που χρησιμοποιείται σε εναλλασσόμενα πεδία θα πρέπει να έχει πιθανώς χαμηλότερες απώλειες αντιστροφής μαγνήτισης, οι οποίες συνίστανται κυρίως σε απώλειες λόγω υστέρησης και δινορευμάτων.

Για τη μείωση των απωλειών δινορευμάτων στους μετασχηματιστές, επιλέγονται μαλακά μαγνητικά υλικά με αυξημένη ειδική αντίσταση. Συνήθως, οι μαγνητικοί πυρήνες συναρμολογούνται από ξεχωριστά λεπτά φύλλα που είναι απομονωμένα μεταξύ τους. Οι πυρήνες ταινίας τυλιγμένοι από λεπτή ταινία με μόνωση ενδιάμεσης στροφής από διηλεκτρικό βερνίκι χρησιμοποιούνται ευρέως. Τα υλικά φύλλων και λωρίδων απαιτείται να έχουν υψηλή πλαστικότητα, η οποία διευκολύνει τη διαδικασία κατασκευής προϊόντων από αυτά.

Μια σημαντική απαίτηση για τα μαλακά μαγνητικά υλικά είναι η διασφάλιση της σταθερότητας των ιδιοτήτων τους, τόσο με την πάροδο του χρόνου όσο και σε σχέση με εξωτερικές επιδράσεις, όπως η θερμοκρασία και η μηχανική καταπόνηση. Από όλα τα μαγνητικά χαρακτηριστικά, η μαγνητική διαπερατότητα (ειδικά σε ασθενή πεδία) και η καταναγκαστική δύναμη υπόκεινται στις μεγαλύτερες αλλαγές κατά τη λειτουργία του υλικού.

Σιδηρομαγνήτες.

Η διαίρεση των ουσιών σε δια-, παρα- και σιδηρομαγνήτες είναι σε μεγάλο βαθμό υπό όρους, επειδή οι δύο πρώτοι τύποι ουσιών διαφέρουν ως προς τις μαγνητικές ιδιότητες από το κενό κατά λιγότερο από 0,05%. Στην πράξη, όλες οι ουσίες συνήθως χωρίζονται σε σιδηρομαγνητικές (σιδηρομαγνητικές) και μη σιδηρομαγνητικές, για τις οποίες η σχετική μαγνητική διαπερατότητα m μπορεί να ληφθεί ίση με 1,0.

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά περιλαμβάνουν σίδηρο, κοβάλτιο, νικέλιο και κράματα που βασίζονται σε αυτά. Έχουν μαγνητική διαπερατότητα που υπερβαίνει τη διαπερατότητα του κενού κατά αρκετές χιλιάδες φορές. Επομένως, όλες οι ηλεκτρικές συσκευές που χρησιμοποιούν μαγνητικά πεδία για τη μετατροπή της ενέργειας πρέπει να έχουν δομικά στοιχεία κατασκευασμένα από σιδηρομαγνητικό υλικό και σχεδιασμένα να μεταφέρουν μαγνητική ροή . Τέτοια στοιχεία ονομάζονται μαγνητικούς πυρήνες .

Εκτός από την υψηλή μαγνητική διαπερατότητα, οι σιδηρομαγνήτες έχουν μια ισχυρή μη γραμμική εξάρτηση επαγωγής σιστην ένταση του μαγνητικού πεδίου H, και κατά την αντιστροφή της μαγνήτισης η σύνδεση μεταξύ σιΚαι Hγίνεται διφορούμενο. Λειτουργίες σι (H) έχουν ιδιαίτερη σημασία γιατί Μόνο με τη βοήθειά τους μπορεί κανείς να μελετήσει ηλεκτρομαγνητικές διεργασίες σε κυκλώματα που περιέχουν στοιχεία στα οποία η μαγνητική ροή διέρχεται σε ένα σιδηρομαγνητικό μέσο. Αυτές οι λειτουργίες διατίθενται σε δύο τύπους: καμπύλες μαγνήτισης και βρόχους υστέρησης .

Ας εξετάσουμε τη διαδικασία αντιστροφής της μαγνήτισης ενός σιδηρομαγνήτη. Ας είναι αρχικά εντελώς απομαγνητισμένο. Αρχικά, η επαγωγή αυξάνεται γρήγορα λόγω του γεγονότος ότι τα μαγνητικά δίπολα είναι προσανατολισμένα κατά μήκος των γραμμών πεδίου, προσθέτοντας τη δική τους μαγνητική ροή στην εξωτερική. Στη συνέχεια, η ανάπτυξή του επιβραδύνεται καθώς ο αριθμός των μη προσανατολισμένων διπόλων μειώνεται και, τέλος, όταν σχεδόν όλα προσανατολίζονται κατά μήκος του εξωτερικού πεδίου, η ανάπτυξη της επαγωγής σταματά και το καθεστώς αρχίζει κορεσμός (Εικ. 1).

Εάν, κατά τη διαδικασία της μαγνήτισης, η ένταση του πεδίου φτάσει σε μια ορισμένη τιμή και στη συνέχεια αρχίσει να μειώνεται, τότε η μείωση της επαγωγής θα συμβεί πιο αργά από ότι κατά τη μαγνήτιση και η νέα καμπύλη θα διαφέρει από την αρχική. Η καμπύλη των αλλαγών στην επαγωγή με αυξανόμενη ένταση πεδίου για μια προηγουμένως πλήρως απομαγνητισμένη ουσία ονομάζεται αρχική καμπύλη μαγνήτισης . Στο Σχ. 1 φαίνεται με παχιά γραμμή.

Μετά από αρκετούς (περίπου 10) κύκλους αλλαγής της τάσης από θετικές σε αρνητικές μέγιστες τιμές, η εξάρτηση σι =φά (H) θα αρχίσει να επαναλαμβάνεται και θα παίρνει τη χαρακτηριστική εμφάνιση μιας συμμετρικής κλειστής καμπύλης, που ονομάζεται βρόχος υστέρησης . Η υστέρηση είναι η υστέρηση μεταξύ της αλλαγής της επαγωγής και της έντασης του μαγνητικού πεδίου . Το φαινόμενο της υστέρησης είναι γενικά χαρακτηριστικό για όλες τις διεργασίες στις οποίες υπάρχει εξάρτηση οποιασδήποτε ποσότητας από την τιμή ενός άλλου, όχι μόνο στην τρέχουσα, αλλά και στην προηγούμενη κατάσταση, δηλ. σι 2 =φά (H 2 ,H 1) - πού H 2 και H 1 - τρέχουσες και προηγούμενες τιμές τάσης, αντίστοιχα.

Οι βρόχοι υστέρησης μπορούν να ληφθούν σε διαφορετικές τιμές της μέγιστης ισχύος εξωτερικού πεδίου H Μ(Εικ. 2). Ο γεωμετρικός τόπος των σημείων κορυφής των συμμετρικών κύκλων υστέρησης ονομάζεται κύρια καμπύλη μαγνήτισης . Η κύρια καμπύλη μαγνήτισης πρακτικά συμπίπτει με την αρχική καμπύλη.

Συμμετρικός βρόχος υστέρησης που λαμβάνεται στη μέγιστη ένταση πεδίου H Μ(Εικ. 2), που αντιστοιχεί στον κορεσμό του σιδηρομαγνήτη, καλείται οριακό κύκλο .

Για τον οριακό κύκλο, ορίζονται επίσης τιμές επαγωγής σι rστο H= 0, το οποίο ονομάζεται υπολειπόμενη επαγωγή και αξία H ντοστο σι= 0, καλείται καταναγκαστική δύναμη . Η καταναγκαστική (που περιέχει) δύναμη δείχνει πόση ένταση εξωτερικού πεδίου πρέπει να εφαρμοστεί σε μια ουσία προκειμένου να μειωθεί η υπολειπόμενη επαγωγή στο μηδέν.

Το σχήμα και τα χαρακτηριστικά σημεία του οριακού κύκλου καθορίζουν τις ιδιότητες του σιδηρομαγνήτη. Οι ουσίες με μεγάλη υπολειπόμενη επαγωγή, δύναμη καταναγκασμού και περιοχή βρόχου υστέρησης (καμπύλη 1, Σχ. 3) ονομάζονται μαγνητικά σκληρό . Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών. Οι ουσίες με χαμηλή υπολειμματική επαγωγή και περιοχή βρόχου υστέρησης (καμπύλη 2 Εικ. 3) ονομάζονται μαγνητικά μαλακό και χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μαγνητικών πυρήνων ηλεκτρικών συσκευών, ειδικά εκείνων που λειτουργούν με περιοδικά μεταβαλλόμενη μαγνητική ροή.

Όταν ένας σιδηρομαγνήτης επαναμαγνητίζεται, συμβαίνει σε αυτόν μη αναστρέψιμη μετατροπή ενέργειας σε θερμότητα.

Αφήστε το μαγνητικό πεδίο να δημιουργηθεί από μια περιέλιξη μέσω της οποίας ρέει ρεύμα Εγώ. Τότε το έργο της πηγής ισχύος περιέλιξης που δαπανάται σε μια στοιχειώδη αλλαγή στη μαγνητική ροή είναι ίσο με

Γραφικά, αυτό το έργο αντιπροσωπεύει την περιοχή της στοιχειώδους λωρίδας του βρόχου υστέρησης (Εικ. 4 α)).

Το συνολικό έργο της αντιστροφής μαγνήτισης ανά μονάδα όγκου μιας ουσίας προσδιορίζεται ως ολοκλήρωμα κατά μήκος του περιγράμματος του βρόχου υστέρησης

Το περίγραμμα ολοκλήρωσης μπορεί να χωριστεί σε δύο τμήματα που αντιστοιχούν στην αλλαγή στην επαγωγή από - σι Μπριν σι Μκαι αλλαγή από σι Μπριν - σι Μ. Τα ολοκληρώματα σε αυτές τις περιοχές αντιστοιχούν στις σκιασμένες περιοχές στο Σχ. 4 α) και β). Σε κάθε τμήμα, μέρος του εμβαδού αντιστοιχεί σε αρνητικό έργο και αφού το αφαιρέσουμε από το θετικό μέρος, και στις δύο τομές παίρνουμε το εμβαδόν που περιορίζεται από την καμπύλη βρόχου υστέρησης (Εικ. 4 γ)).

Υποδηλώνοντας την ενέργεια ανά μονάδα όγκου μιας ουσίας που δαπανάται για αντιστροφή μαγνήτισης σε έναν πλήρη συμμετρικό κύκλο, μέσω W" η =ΕΝΑ"παίρνουμε

Υπάρχει μια εμπειρική σχέση για τον υπολογισμό συγκεκριμένων απωλειών ενέργειας λόγω αντιστροφής μαγνήτισης

όπου h είναι ένας συντελεστής ανάλογα με την ουσία. σι Μ- μέγιστη τιμή επαγωγής. n- εκθέτης ανάλογα με σι Μκαι συνήθως αποδεκτό

n= 1,6 σε 0,1 Τ< σι Μ < 1,0 Тл и n=2 στο 0<σι Μ < 0,1 Тл или 1,0 Тл <σι Μ < 1,6 Тл.

Το φαινόμενο της υστέρησης και οι σχετικές απώλειες ενέργειας μπορούν να εξηγηθούν από την υπόθεση των στοιχειωδών μαγνητών. Οι στοιχειώδεις μαγνήτες στην ύλη είναι σωματίδια που έχουν μαγνητική ροπή. Αυτά μπορεί να είναι τα μαγνητικά πεδία των ηλεκτρονίων που περιστρέφονται σε τροχιές, καθώς και οι μαγνητικές ροπές σπιν τους. Επιπλέον, τα τελευταία παίζουν τον πιο σημαντικό ρόλο στα μαγνητικά φαινόμενα.

Σε κανονική θερμοκρασία, η σιδηρομαγνητική ύλη αποτελείται από περιοχές (τομείς) που μαγνητίζονται αυθόρμητα προς μια ορισμένη κατεύθυνση, στις οποίες οι στοιχειώδεις μαγνήτες βρίσκονται σχεδόν παράλληλα μεταξύ τους και συγκρατούνται σε αυτή τη θέση από μαγνητικές δυνάμεις και δυνάμεις ηλεκτρικής αλληλεπίδρασης.

Τα μαγνητικά πεδία μεμονωμένων περιοχών δεν ανιχνεύονται στον εξωτερικό χώρο, επειδή μαγνητίζονται όλα σε διαφορετικές κατευθύνσεις. Ένταση αυθόρμητης μαγνήτισης περιοχών Jεξαρτάται από τη θερμοκρασία και στο απόλυτο μηδέν ισούται με την ένταση του πλήρους κορεσμού. Η θερμική κίνηση καταστρέφει τη διατεταγμένη δομή και σε μια ορισμένη θερμοκρασία q, χαρακτηριστική μιας δεδομένης ουσίας, η διατεταγμένη διάταξη καταστρέφεται εντελώς. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται Σημείο Κιουρί . Πάνω από το σημείο Κιουρί, η ουσία έχει παραμαγνητικές ιδιότητες.

Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού πεδίου, η κατάσταση μιας ουσίας μπορεί να αλλάξει με δύο τρόπους. Η μαγνήτιση μπορεί να αλλάξει είτε λόγω του επαναπροσανατολισμού των περιοχών, είτε λόγω της μετατόπισης των ορίων τους προς μια περιοχή με μικρότερη συνιστώσα μαγνήτισης, που συμπίπτει στην κατεύθυνση με το εξωτερικό πεδίο. Η μετατόπιση του ορίου τομέα είναι αναστρέψιμη μόνο μέχρι ένα ορισμένο όριο, μετά το οποίο μέρος ή ολόκληρη η περιοχή επαναπροσανατολίζεται μη αναστρέψιμα. Με έναν γρήγορο απότομο επαναπροσανατολισμό της περιοχής, δημιουργούνται δινορεύματα, προκαλώντας απώλειες ενέργειας κατά την αντιστροφή της μαγνήτισης.

Η έρευνα δείχνει ότι η δεύτερη μέθοδος αλλαγής προσανατολισμού είναι χαρακτηριστική ενός απότομου τμήματος της καμπύλης μαγνήτισης και η πρώτη είναι χαρακτηριστική ενός τμήματος της περιοχής κορεσμού.

Μετά τη μείωση της έντασης του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου στο μηδέν, ορισμένες από τις περιοχές διατηρούν τη νέα κατεύθυνση προτιμησιακής μαγνήτισης, η οποία εκδηλώνεται ως υπολειπόμενη μαγνήτιση.

Διαμαγνήτες και παραμαγνήτες σε μαγνητικό πεδίο

Οι μικροσκοπικές πυκνότητες ρεύματος στη μαγνητισμένη ύλη είναι εξαιρετικά πολύπλοκες και ποικίλλουν πολύ ακόμη και μέσα σε ένα μόνο άτομο. Αλλά σε πολλά πρακτικά προβλήματα μια τόσο λεπτομερής περιγραφή είναι περιττή και μας ενδιαφέρουν τα μέσα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται από μεγάλο αριθμό ατόμων.

Όπως έχουμε ήδη πει, οι μαγνήτες μπορούν να χωριστούν σε τρεις κύριες ομάδες: διαμαγνητικούς, παραμαγνητικούς και σιδηρομαγνητικούς.

Διαμαγνητισμός (από τα ελληνικά διά –απόκλιση και μαγνητισμός) - η ιδιότητα των ουσιών να μαγνητίζονται προς ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο.

Διαμαγνήτες ονομάζονται ουσίες των οποίων οι μαγνητικές ροπές ατόμων απουσία εξωτερικού πεδίου είναι ίσες με μηδέν, γιατί οι μαγνητικές ροπές όλων των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο αντισταθμίζονται αμοιβαία(το δικό του μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από ένα διαμαγνητικό υλικό όταν μαγνητίζεται σε εξωτερικό πεδίο κ.λπ.

Οποιαδήποτε ουσία στον κόσμο έχει ορισμένες μαγνητικές ιδιότητες. Μετριούνται με μαγνητική διαπερατότητα. Σε αυτό το άρθρο θα δούμε τις μαγνητικές ιδιότητες της ύλης.

Η υπόθεση του Ampere

Η μαγνητική διαπερατότητα δείχνει πόσες φορές η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου σε ένα δεδομένο περιβάλλον είναι μικρότερη ή μεγαλύτερη από την επαγωγή του μαγνητικού πεδίου στο κενό.

Μια ουσία που δημιουργεί το δικό της μαγνητικό πεδίο ονομάζεται μαγνητισμένη. Η μαγνήτιση συμβαίνει όταν μια ουσία τοποθετείται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Ο Γάλλος επιστήμονας Ampere καθιέρωσε τον λόγο, συνέπεια του οποίου είναι η κατοχή μαγνητικών ιδιοτήτων από τα σώματα. Η υπόθεση του Ampere αναφέρει ότι υπάρχουν μικροσκοπικά ηλεκτρικά ρεύματα μέσα στην ύλη (ένα ηλεκτρόνιο έχει τη δική του μαγνητική ροπή, η οποία έχει κβαντική φύση, τροχιακή κίνηση στα άτομα ηλεκτρονίων). Είναι αυτοί που καθορίζουν τις μαγνητικές ιδιότητες μιας ουσίας. Εάν τα ρεύματα έχουν διαταραγμένες κατευθύνσεις, τότε τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούν αλληλοεξουδετερώνονται. Το σώμα δεν μαγνητίζεται. Ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο ρυθμίζει αυτά τα ρεύματα. Ως αποτέλεσμα, η ουσία αναπτύσσει το δικό της μαγνητικό πεδίο. Αυτή είναι η μαγνήτιση της ουσίας.

Είναι από την αντίδραση των ουσιών σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και από την τάξη της εσωτερικής τους δομής που καθορίζονται οι μαγνητικές ιδιότητες μιας ουσίας. Σύμφωνα με αυτές τις παραμέτρους, χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες:

• Παραμαγνήτες
• Διαμαγνήτες
• Σιδηρομαγνήτες
• Αντισιδηρομαγνήτες

Διαμαγνήτες και παραμαγνήτες

• Οι ουσίες που έχουν αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα, ανεξάρτητα από την ένταση του μαγνητικού πεδίου, ονομάζονται διαμαγνητικά υλικά. Ας δούμε ποιες μαγνητικές ιδιότητες μιας ουσίας ονομάζονται αρνητική μαγνητική επιδεκτικότητα. Αυτό συμβαίνει όταν ένας μαγνήτης φέρεται σε ένα σώμα και απωθείται αντί να έλκεται. Οι διαμαγνήτες περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, αδρανή αέρια, υδρογόνο, φώσφορο, ψευδάργυρο, χρυσό, άζωτο, πυρίτιο, βισμούθιο, χαλκό και άργυρο. Δηλαδή, πρόκειται για ουσίες που βρίσκονται σε υπεραγώγιμη κατάσταση ή έχουν ομοιοπολικούς δεσμούς.
• Παραμαγνητικά υλικά. Για αυτές τις ουσίες, η μαγνητική επιδεκτικότητα επίσης δεν εξαρτάται από την ένταση του πεδίου που υπάρχει. Είναι θετική όμως. Δηλαδή, όταν ένας παραμαγνητικός πλησιάζει έναν μόνιμο μαγνήτη, προκύπτει μια ελκτική δύναμη. Αυτά περιλαμβάνουν αλουμίνιο, πλατίνα, οξυγόνο, μαγγάνιο, σίδηρο.

Σιδηρομαγνήτες

Οι ουσίες που έχουν υψηλή θετική μαγνητική επιδεκτικότητα ονομάζονται σιδηρομαγνήτες. Για αυτές τις ουσίες, σε αντίθεση με τα διαμαγνητικά και τα παραμαγνητικά υλικά, η μαγνητική επιδεκτικότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία και την ένταση του μαγνητικού πεδίου και σε σημαντικό βαθμό. Αυτά περιλαμβάνουν κρυστάλλους νικελίου και κοβαλτίου.

Αντισιδηρομαγνήτες και σιδηρομαγνήτες

• Οι ουσίες στις οποίες, κατά τη θέρμανση, συμβαίνει μια μετάβαση φάσης της δεδομένης ουσίας, συνοδευόμενη από την εμφάνιση παραμαγνητικών ιδιοτήτων, ονομάζονται αντισιδηρομαγνήτες. Εάν η θερμοκρασία γίνει χαμηλότερη από μια ορισμένη, αυτές οι ιδιότητες της ουσίας δεν θα παρατηρηθούν. Παραδείγματα αυτών των ουσιών θα ήταν το μαγγάνιο και το χρώμιο.
• Οι σιδηρομαγνήτες χαρακτηρίζονται από την παρουσία μη αντισταθμισμένου αντισιδηρομαγνητισμού σε αυτούς. Η μαγνητική τους επιδεκτικότητα εξαρτάται επίσης από τις θερμοκρασίες και την ένταση του μαγνητικού πεδίου. Αλλά εξακολουθούν να έχουν διαφορές. Αυτές οι ουσίες περιλαμβάνουν διάφορα οξείδια.

Όλοι οι παραπάνω μαγνήτες μπορούν να χωριστούν περαιτέρω σε 2 κατηγορίες:

• Σκληρά μαγνητικά υλικά. Πρόκειται για υλικά με υψηλή τιμή καταναγκασμού. Για να επαναμαγνητιστούν, είναι απαραίτητο να δημιουργηθεί ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών.
• Τα μαλακά μαγνητικά υλικά, αντίθετα, έχουν χαμηλή δύναμη καταναγκασμού. Σε ασθενή μαγνητικά πεδία μπορούν να εισέλθουν σε κορεσμό. Έχουν χαμηλές απώλειες λόγω αντιστροφής μαγνήτισης. Εξαιτίας αυτού, αυτά τα υλικά χρησιμοποιούνται για την κατασκευή πυρήνων για ηλεκτρικές μηχανές που λειτουργούν με εναλλασσόμενο ρεύμα. Αυτός είναι, για παράδειγμα, ένας μετασχηματιστής ρεύματος και τάσης, ή μια γεννήτρια ή ένας ασύγχρονος κινητήρας.

Εξετάσαμε όλες τις βασικές μαγνητικές ιδιότητες της ύλης και καταλάβαμε ποιοι τύποι μαγνητών υπάρχουν.

ΜΑΓΝΗΤΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΤΩΝ ΟΥΣΙΩΝ

Ο μαγνητισμός είναι μια θεμελιώδης ιδιότητα της ύλης. Η ικανότητα των μόνιμων μαγνητών να προσελκύουν σιδερένια αντικείμενα είναι γνωστή από την αρχαιότητα. Για πολλούς αιώνες, υπάρχει ένας θρύλος μεταξύ των ναυτικών για έναν μαγνητικό βράχο, ο οποίος υποτίθεται ότι είναι ικανός να προσελκύει σιδερένια καρφιά από ένα πλοίο που πλέει πολύ κοντά του και να τον καταστρέφει. Ευτυχώς, ένα τόσο ισχυρό μαγνητικό πεδίο μπορεί να υπάρχει μόνο κοντά σε αστέρια νετρονίων. Η ανάπτυξη του ηλεκτρομαγνητισμού κατέστησε δυνατή τη δημιουργία ηλεκτρομαγνητών ισχυρότερων από τους μόνιμους που υπάρχουν στη φύση. Γενικά, διάφορα όργανα και συσκευές που βασίζονται στη χρήση ηλεκτρομαγνητικών φαινομένων είναι τόσο διαδεδομένα που είναι πλέον αδύνατο να φανταστεί κανείς τη ζωή χωρίς αυτά.

Ωστόσο, δεν αλληλεπιδρούν μόνο οι μόνιμοι μαγνήτες με το μαγνητικό πεδίο, αλλά και όλες οι άλλες ουσίες. Το μαγνητικό πεδίο, αλληλεπιδρώντας με την ύλη, αλλάζει την τιμή του σε σύγκριση με το κενό (εφεξής όλοι οι τύποι γράφονται στο σύστημα SI):

όπου m0 είναι η μαγνητική σταθερά ίση με 4p "10-7 H/m, m είναι η μαγνητική διαπερατότητα της ουσίας, B είναι η μαγνητική επαγωγή (σε T), H είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου (σε A/m). Οι περισσότερες ουσίες, το m είναι πολύ κοντά στη μονάδα, επομένως στη μαγνητοχημεία, όπου το κύριο αντικείμενο είναι ένα μόριο, είναι πιο βολικό να χρησιμοποιηθεί η τιμή c, που καθορίζεται από την εξίσωση, η οποία ονομάζεται μαγνητική επιδεκτικότητα c μπορεί να αναφέρεται σε μια μονάδα όγκου, μάζας ή ποσότητας μιας ουσίας, τότε ονομάζεται, αντίστοιχα, ογκομετρική (αδιάστατη) cv, ειδική cd (σε cm3/g) ή μοριακή cm (σε cm3/mol) μαγνητική επιδεκτικότητα (2), το c του κενού είναι ίσο με μηδέν Οι ουσίες μπορούν να χωριστούν σε δύο κατηγορίες: αυτές που αποδυναμώνουν το μαγνητικό πεδίο (c 0), - παραμαγνήτες (Εικ. 1). Μια δύναμη δρα σε ένα διαμαγνητικό υλικό, ωθώντας το έξω από το πεδίο στον παραμαγνήτη, αντίθετα, μια δύναμη δρα σε αυτό. Οι διαμαγνήτες (και αυτή είναι η συντριπτική πλειοψηφία των οργανικών και υψηλομοριακών ενώσεων) και κυρίως οι παραμαγνήτες είναι αντικείμενα μελέτης της μαγνητοχημείας.

Ο διαμαγνητισμός είναι η πιο σημαντική ιδιότητα της ύλης, λόγω του γεγονότος ότι υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια σε γεμάτα κελύφη ηλεκτρονίων (τα οποία μπορούν να θεωρηθούν ως μικροί αγωγοί) αρχίζουν να προχωρούν και, όπως είναι γνωστό, οποιαδήποτε κίνηση ένα ηλεκτρικό φορτίο προκαλεί ένα μαγνητικό πεδίο, το οποίο, σύμφωνα με τον κανόνα του Lenz, θα κατευθυνθεί έτσι για να μειώσει την πρόσκρουση από το εξωτερικό πεδίο. Σε αυτή την περίπτωση, η ηλεκτρονική μετάπτωση μπορεί να θεωρηθεί ως κυκλικά ρεύματα. Ο διαμαγνητισμός είναι χαρακτηριστικός όλων των ουσιών εκτός από το ατομικό υδρογόνο, επειδή όλες οι ουσίες έχουν ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια και γεμάτα κελύφη ηλεκτρονίων.

Ο παραμαγνητισμός προκαλείται από ασύζευκτα ηλεκτρόνια, τα οποία ονομάζονται επειδή η δική τους μαγνητική ροπή (σπιν) δεν είναι ισορροπημένη με κανέναν τρόπο (ανάλογα, τα σπιν των ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων κατευθύνονται σε αντίθετες κατευθύνσεις και αλληλοεξουδετερώνονται). Σε ένα μαγνητικό πεδίο, οι περιστροφές τείνουν να ευθυγραμμίζονται προς την κατεύθυνση του πεδίου, ενισχύοντάς το, αν και αυτή η σειρά διαταράσσεται από χαοτική θερμική κίνηση. Επομένως, είναι σαφές ότι η παραμαγνητική επιδεκτικότητα εξαρτάται από τη θερμοκρασία - όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία, τόσο μεγαλύτερη είναι η τιμή cm. Στην απλούστερη περίπτωση, αυτό εκφράζεται με μια σχέση που ονομάζεται νόμος του Κιουρί: όπου C είναι η σταθερά Curie, ή ο νόμος Curie-Weiss, όπου q είναι η διόρθωση Weiss. Αυτός ο τύπος μαγνητικής επιδεκτικότητας ονομάζεται επίσης προσανατολιστικός παραμαγνητισμός, καθώς η αιτία του είναι ο προσανατολισμός των στοιχειωδών μαγνητικών ροπών σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Οι μαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων σε ένα άτομο μπορούν να περιγραφούν με δύο τρόπους. Στην πρώτη μέθοδο, πιστεύεται ότι η μαγνητική ροπή (σπιν) του ηλεκτρονίου δεν επηρεάζει την τροχιακή (λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων γύρω από τον πυρήνα) ροπή ή το αντίστροφο. Πιο συγκεκριμένα, μια τέτοια αμοιβαία επιρροή υπάρχει πάντα (αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς), αλλά για τα ιόντα 3d είναι μικρή και οι μαγνητικές ιδιότητες μπορούν να περιγραφούν με επαρκή ακρίβεια από δύο κβαντικούς αριθμούς L (τροχιακό) και S (σπιν). Για βαρύτερα άτομα, μια τέτοια προσέγγιση γίνεται απαράδεκτη και εισάγεται ένας άλλος κβαντικός αριθμός της συνολικής μαγνητικής ροπής J, ο οποίος μπορεί να πάρει τιμές από | L+S | πριν | L - S | . Ο Van Vleck εξέτασε τις ενεργειακές συνεισφορές των τροχιακών ανάλογα με την επίδραση του μαγνητικού πεδίου (σύμφωνα με τη θεωρία της κβαντομηχανικής διαταραχής, μπορούν να επεκταθούν σε μια σειρά και να αθροιστούν): όπου H είναι η ένταση του μαγνητικού πεδίου και, κατά συνέπεια, E (0) είναι η συνεισφορά ανεξάρτητη από το εξωτερικό πεδίο, Ε (1 ) - συνεισφορά ευθέως ανάλογη του πεδίου κ.λπ. Αποδείχθηκε ότι η ενέργεια μηδενικής τάξης καθορίζεται από την αλληλεπίδραση σπιν-τροχιάς, η οποία είναι σημαντική στην περιγραφή των χημικών δεσμών:

όπου l είναι η σταθερά αλληλεπίδρασης σπιν-τροχιάς. Η ενέργεια πρώτης τάξης (αλληλεπίδραση της μαγνητικής ροπής ενός μη ζευγαρωμένου ηλεκτρονίου (m = gbS) με το μαγνητικό πεδίο H) είναι ίση με

όπου g είναι ο συντελεστής Lande, συνήθως ίσος με δύο για τις περισσότερες ενώσεις, b είναι το μαγνητόνιο Bohr, ίσο με 9,27 "10-19 erg/Oe (υπενθυμίζουμε ότι η ενέργεια των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων είναι το κλιμακωτό γινόμενο των διανυσμάτων μαγνητικής ροπής m και H (2) - μια ενεργειακή συνεισφορά που θα πρέπει να ληφθεί υπόψη, καθώς εξαρτάται από τα λεπτά χαρακτηριστικά της ηλεκτρονικής δομής και είναι δύσκολο να εξηγηθεί από την άποψη της κλασικής φυσικής η μικρότητα της ενέργειας μαγνητικής αλληλεπίδρασης (για θερμοκρασίες δωματίου και μαγνητικά πεδία κοινά στο εργαστήριο, η ενέργεια των μαγνητικών αλληλεπιδράσεων είναι τρεις έως τέσσερις τάξεις μεγέθους μικρότερη από την ενέργεια της θερμικής κίνησης των μορίων).

Μετά από μαθηματικούς μετασχηματισμούς, η έκφραση για τη μακροσκοπική μαγνητική επιδεκτικότητα, λαμβάνοντας υπόψη την κατανομή Boltzmann του συνόλου των μαγνητικών ροπών σε ενεργειακά επίπεδα, παίρνει τη μορφή (η παράγωγή της παρουσιάζεται, για παράδειγμα, στο)

Αυτή είναι η εξίσωση Van Vleck - η κύρια στη μαγνητοχημεία, που συνδέει τις μαγνητικές ιδιότητες με τη δομή των μορίων. Εδώ το NA είναι ο αριθμός του Avogadro, το k είναι η σταθερά του Boltzmann. Έχουμε ήδη συναντήσει κάποιες ακραίες περιπτώσεις αυτού παραπάνω. Αν = 0, και μπορεί να αγνοηθεί, τότε λαμβάνουμε ως αποτέλεσμα τον νόμο του Κιουρί (βλ. εξίσωση (3)), αλλά σε πιο αυστηρή μορφή.

Μπορεί να φανεί ότι ο νόμος του Κιουρί αντανακλά τον λεγόμενο καθαρό μαγνητισμό σπιν, χαρακτηριστικό των περισσότερων παραμαγνητικών ενώσεων, για παράδειγμα άλατα χαλκού, σιδήρου, νικελίου και άλλων μετάλλων μετάπτωσης. Αν = 0 και @ kT, τότε η εξίσωση Van Vleck απλοποιείται σημαντικά: όπου Na είναι παραμαγνητισμός ανεξάρτητος από τη θερμοκρασία (van Vleck). Όπως φαίνεται από τα παραπάνω, ο παραμαγνητισμός του Van Vleck είναι ένα καθαρά κβαντικό φαινόμενο και ανεξήγητο από τη σκοπιά της κλασικής φυσικής. Μπορεί να θεωρηθεί ως η ανάμειξη διεγερμένων ενεργειακών επιπέδων στη βασική κατάσταση του μορίου.

Υπάρχουν αρκετές ουσίες που, όταν η θερμοκρασία μειώνεται, αρχικά συμπεριφέρονται ως παραμαγνήτες και στη συνέχεια, όταν φτάσουν σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, αλλάζουν απότομα τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Το πιο διάσημο παράδειγμα είναι οι σιδηρομαγνήτες και η ουσία από την οποία πήραν το όνομά τους - ο σίδηρος, του οποίου οι ατομικές μαγνητικές ροπές κάτω από τη θερμοκρασία Curie (στην περίπτωση αυτή ίση με TC = 770? C) ευθυγραμμίζονται προς μία κατεύθυνση, προκαλώντας αυθόρμητη μαγνήτιση. Ωστόσο, η μακροσκοπική μαγνήτιση δεν συμβαίνει απουσία πεδίου, καθώς το δείγμα χωρίζεται αυθόρμητα σε περιοχές μεγέθους περίπου 1 μm, που ονομάζονται περιοχές, εντός των οποίων οι στοιχειώδεις μαγνητικές ροπές κατευθύνονται με τον ίδιο τρόπο, αλλά οι μαγνητισμοί διαφορετικών Οι τομείς προσανατολίζονται τυχαία και, κατά μέσο όρο, αντισταθμίζουν ο ένας τον άλλον. Οι δυνάμεις που προκαλούν τη σιδηρομαγνητική μετάβαση μπορούν να εξηγηθούν μόνο χρησιμοποιώντας τους νόμους της κβαντικής μηχανικής.

Οι αντισιδηρομαγνήτες χαρακτηρίζονται από το γεγονός ότι οι μαγνητικές ροπές σπιν στη θερμοκρασία της αντισιδηρομαγνητικής μετάπτωσης (Θερμοκρασία Néel TN) ταξινομούνται με τέτοιο τρόπο ώστε να αλληλοεξουδετερώνονται. Η μέγιστη τιμή της μαγνητικής επιδεκτικότητας επιτυγχάνεται στο TN, πάνω από το οποίο το c μειώνεται σύμφωνα με το νόμο Curie-Weiss, κάτω - λόγω των λεγόμενων αλληλεπιδράσεων ανταλλαγής. Οι αντισιδηρομαγνήτες είναι, για παράδειγμα, το MnO και το KNiF3.

Εάν η αντιστάθμιση των μαγνητικών ροπών είναι ατελής, τότε τέτοιες ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνήτες, για παράδειγμα Fe2O3 και FeCr2O4. Οι τρεις τελευταίες κατηγορίες ενώσεων (Πίνακας 1) είναι στερεές και μελετώνται κυρίως από φυσικούς. Τις τελευταίες δεκαετίες, φυσικοί και χημικοί έχουν δημιουργήσει νέα μαγνητικά υλικά, οι ιδιότητες των οποίων μπορούν να βρεθούν με περισσότερες λεπτομέρειες στο.

Σε ένα μόριο που περιέχει ένα ασύζευκτο ηλεκτρόνιο, τα υπόλοιπα (ζευγοποιημένα) ηλεκτρόνια αποδυναμώνουν το μαγνητικό πεδίο, αλλά η συμβολή καθενός από αυτά είναι δύο έως τρεις τάξεις μεγέθους μικρότερη. Ωστόσο, εάν θέλουμε να μετρήσουμε με μεγάλη ακρίβεια τις μαγνητικές ιδιότητες των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, πρέπει να εισαγάγουμε τις λεγόμενες διαμαγνητικές διορθώσεις, ειδικά για μεγάλα οργανικά μόρια, όπου μπορούν να φτάσουν δεκάδες τοις εκατό. Οι διαμαγνητικές ευαισθησίες των ατόμων σε ένα μόριο προστίθενται μεταξύ τους σύμφωνα με τον κανόνα της προσθετικότητας Pascal-Langevin. Για να γίνει αυτό, η διαμαγνητική επιδεκτικότητα των ατόμων κάθε τύπου πολλαπλασιάζεται με τον αριθμό τέτοιων ατόμων στο μόριο και στη συνέχεια εισάγονται συστατικές διορθώσεις για δομικά χαρακτηριστικά (διπλοί και τριπλοί δεσμοί, αρωματικοί δακτύλιοι κ.λπ.). Ας προχωρήσουμε στο να εξετάσουμε πώς μελετώνται πειραματικά οι μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών.

ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΗ ΜΕΤΡΗΣΗ ΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΥΠΟΨΙΑΣ

Οι κύριες πειραματικές μέθοδοι για τον προσδιορισμό της μαγνητικής επιδεκτικότητας δημιουργήθηκαν τον περασμένο αιώνα. Σύμφωνα με τη μέθοδο Gouy (Εικ. 2, α), η μεταβολή του βάρους του δείγματος σε ένα μαγνητικό πεδίο μετριέται σε σύγκριση με την απουσία του, η οποία είναι ίση με όπου Dmg = F είναι η δύναμη που ασκεί η ουσία στο μαγνητικό πεδίο. κλίση πεδίου, c είναι η μετρούμενη μαγνητική επιδεκτικότητα της ουσίας, c0 - μαγνητική επιδεκτικότητα του μέσου (αέρας), S - περιοχή διατομής του δείγματος, Hmax και Hmin - μέγιστη και ελάχιστη ισχύς του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου.

Η μέθοδος Faraday (Εικ. 2, β) μετρά τη δύναμη που ασκείται σε ένα δείγμα σε ένα μη ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο:

Το δείγμα επιλέγεται μικρό έτσι ώστε το H0dH/dz να παραμένει σταθερό εντός των ορίων του και η μέγιστη τιμή της παραμέτρου επιτυγχάνεται με την επιλογή ενός ειδικού προφίλ των άκρων του μαγνήτη. Η κύρια διαφορά μεταξύ της μεθόδου του Gouy και της μεθόδου του Faraday είναι ότι στην πρώτη περίπτωση η ανομοιογένεια διατηρείται κατά μήκος ενός (εκτεταμένου) σχεδίου και στη δεύτερη - κατά μήκος του μαγνητικού πεδίου.

Η μέθοδος Quincke (Εικ. 2, γ) χρησιμοποιείται μόνο για υγρά και διαλύματα. Μετρά τη μεταβολή του ύψους μιας στήλης υγρού σε ένα τριχοειδές υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου.

Σε αυτή την περίπτωση, για τα διαμαγνητικά υγρά το ύψος της στήλης μειώνεται, για τα παραμαγνητικά υγρά αυξάνεται.

Η μέθοδος ιξωδόμετρου μετρά το χρόνο ροής του υγρού μέσα από μια μικρή οπή με το μαγνητικό πεδίο ενεργοποιημένο (tH) και απενεργοποιημένο (t0). Ο χρόνος ροής των παραμαγνητικών υγρών σε ένα μαγνητικό πεδίο είναι αισθητά μικρότερος από ό,τι σε περίπτωση απουσίας πεδίου για τα διαμαγνητικά υγρά, είναι το αντίθετο. Η διαφορά μεταξύ των δύο χρόνων ροής καθορίζεται από τη μαγνητική επιδεκτικότητα και η τιμή της σταθεράς βαθμονόμησης k προσδιορίζεται με τη μέτρηση ενός υγρού με γνωστή μαγνητική επιδεκτικότητα. Οι ογκομετρικές μαγνητικές επιδεκτικότητες ορισμένων κοινών διαλυτών δίνονται παρακάτω.

Η μαγνητική ευαισθησία μπορεί επίσης να μετρηθεί χρησιμοποιώντας ένα φασματόμετρο NMR. Μπορείτε να διαβάσετε για τα φυσικά θεμέλια της μεθόδου NMR στο. Θα περιοριστούμε στο να σημειώσουμε απλώς: το μέγεθος της χημικής μετατόπισης του σήματος NMR στη γενική περίπτωση καθορίζεται όχι μόνο από τη σταθερά διαλογής, η οποία είναι ένα μέτρο της πυκνότητας ηλεκτρονίων στον υπό μελέτη πυρήνα, αλλά και από τη μαγνητική ευαισθησία του δείγματος. Για ένα δείγμα κυβοειδούς σχήματος, η χημική μετατόπιση καθορίζεται επίσης από τον προσανατολισμό του δείγματος στο μαγνητικό πεδίο, όπου οι σταθερές βαθμονόμησης Α και Β προσδιορίζονται με μέτρηση δύο υγρών με γνωστή μαγνητική επιδεκτικότητα (συνήθως νερό και ακετόνη). Αυτή η μέθοδος αναπτύχθηκε στο Τμήμα Ανόργανης Χημείας του Πανεπιστημίου του Καζάν και είναι η μόνη που σας επιτρέπει να βαθμονομήσετε τη συσκευή χρησιμοποιώντας διαμαγνητικά πρότυπα και στη συνέχεια να πραγματοποιήσετε μετρήσεις και με παραμαγνητικά δείγματα. Με αυτόν τον τρόπο μετρήθηκε η μαγνητική επιδεκτικότητα πολλών ουσιών. Τι μας επέτρεψαν να μάθουμε για τη δομή τους;

Η προκύπτουσα τιμή της μαγνητικής επιδεκτικότητας για τα παραμαγνητικά υλικά προσδιορίζεται από τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων (βλ. (9) για ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο)

Με αυτόν τον τρόπο, είναι δυνατός ο προσδιορισμός του κβαντικού αριθμού σπιν S, και επομένως του αριθμού των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων. Θα πρέπει να σημειωθεί ότι στις πραγματικές ενώσεις ο παράγοντας g ποικίλλει ελαφρώς από την τιμή «καθαρής περιστροφής», ίση με δύο, όπως σημειώθηκε παραπάνω.

Οι τιμές των cm για τις παραμαγνητικές ουσίες είναι μικρές και δεν είναι πολύ βολικές στην εξήγηση της δομής των ενώσεων. Επομένως, η παραμαγνητική επιδεκτικότητα χαρακτηρίζεται συχνότερα από την αποτελεσματική μαγνητική ροπή meff, η οποία καθορίζεται από την εξίσωση.

Στη συνέχεια, σε θερμοκρασία 298 K η τιμή "καθαρής σπιν" για ένα μη ζευγαρωμένο ηλεκτρόνιο ms = 1,73 μαγνητόνια Bohr (mB), για δύο - 3,46 mB, κ.λπ. (Πίνακας 2). Η συμβολή άλλων παραγόντων, κυρίως της αλληλεπίδρασης σπιν-τροχιάς, αντανακλάται στην τιμή του παράγοντα g και οδηγεί στο γεγονός ότι το meff διαφέρει από το ms.

Η γνώση του αριθμού των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων βοηθά στην κατανόηση ορισμένων από τα χαρακτηριστικά της τοποθέτησης στοιχείων στον Περιοδικό Πίνακα D.I. Μεντελέεφ. Έτσι, τα ηλεκτρονικά κελύφη που είναι πλήρως ή ακριβώς μισογεμισμένα έχουν αυξημένη σταθερότητα. Με την αύξηση της σχετικής ατομικής μάζας, το συναντάμε για πρώτη φορά στο χρώμιο. Ας συγκρίνουμε τις ηλεκτρονικές διαμορφώσεις στη βασική κατάσταση: Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, το επόμενο χρώμιο δεν είναι 3d 44s 2, αλλά 3d 54s 1, το πιο σταθερό μισογεμάτο κέλυφος είναι υπογραμμισμένο:

Και αυτό διαπιστώθηκε ακριβώς από τις μετρήσεις της μαγνητικής επιδεκτικότητας, όταν ανακαλύφθηκε ότι το άτομο του χρωμίου περιέχει έξι ασύζευκτα ηλεκτρόνια και όχι τέσσερα. Είναι αλήθεια ότι γι 'αυτό ήταν απαραίτητο να πραγματοποιηθούν μάλλον λεπτές μετρήσεις σε μεμονωμένα άτομα στην αέρια φάση, καθώς οι μαγνητικές ιδιότητες των αγωγών δεν σχετίζονται με τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων (επειδή τα ηλεκτρόνια σθένους στα μέταλλα δεν συνδέονται με συγκεκριμένα άτομα, αλλά κινούνται χαοτικά σε όλο τον κρύσταλλο), αλλά καθορίζονται από κβαντικούς νόμους (ο λεγόμενος διαμαγνητισμός Fermi και παραμαγνητισμός Landau). Ταυτόχρονα, για παράδειγμα, η σειρά πλήρωσης των τροχιακών 5d και 4f στη σειρά λανθανιδών δεν αλλάζει τον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων, επομένως οι σωστές ηλεκτρονικές διαμορφώσεις καθορίστηκαν μόνο στη δεκαετία του '60 με κβαντομηχανικούς υπολογισμούς (είναι αδύνατο να διάκριση μεταξύ των διαμορφώσεων 5d 1 και 4f από τις μαγνητικές μετρήσεις 1). Ωστόσο, οι μαγνητοχημικές μελέτες καθιστούν δυνατό τον καθορισμό της ηλεκτρονικής διαμόρφωσης, όπως πιθανότατα έχει ήδη παρατηρήσει ο προσεκτικός αναγνώστης, των ενώσεων μετάλλων μετάπτωσης, που αποτελούν τη βάση της χημείας των ενώσεων συντονισμού (σύνθετων).

Οι ενώσεις συντονισμού σχηματίζονται, κατά κανόνα, λόγω ενός δεσμού δότη-δέκτη, δηλαδή μεμονωμένα ζεύγη ηλεκτρονίων των προσδεμάτων καταλαμβάνουν κενές θέσεις στα τροχιακά του κεντρικού ατόμου. Σε αυτή την περίπτωση, ο αριθμός των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων και η μαγνητική ροπή των ιόντων που σχηματίζουν σύμπλοκο παραμένει ο ίδιος με αυτόν ενός ελεύθερου ιόντος στην αέρια φάση. Αυτό ισχύει για υδάτινα σύμπλοκα μετάλλων μετάπτωσης, για παράδειγμα σίδηρο(II) (Εικ. 3). Ωστόσο, υπάρχουν και μαγνητικά ανώμαλα σύμπλοκα, των οποίων η μαγνητική ροπή είναι μικρότερη από αυτή του αερίου ιόντος. Η ηλεκτρονική τους δομή μπορεί να εξηγηθεί στο πλαίσιο της μεθόδου του δεσμού σθένους ως εξής. Πολλές σύνθετες ενώσεις έχουν αριθμό συντονισμού έξι. Έξι συνδέτες βρίσκονται συμμετρικά στις κορυφές του οκταέδρου. Για να ληφθούν έξι υβριδικά τροχιακά, έξι τροχιακά σθένους του κεντρικού ατόμου πρέπει να συμμετέχουν στο σχηματισμό τους: μια τέτοια ανακατανομή της πυκνότητας ηλεκτρονίων ονομάζεται υβριδισμός sp3d 2 (συγκρίνετε με τον υβριδισμό sp3 του ατόμου άνθρακα στα αλκάνια, όπου τέσσερις δεσμοί είναι που κατευθύνεται στις κορυφές του τετραέδρου). Σημειώστε ότι τα d-τροχιακά με τον ίδιο ατομικό αριθμό με τα s και τα p-τροχιακά συμμετέχουν στο σχηματισμό υβριδικών τροχιακών. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι τα εσωτερικά d-τροχιακά που βρίσκονται χαμηλότερα σε ενέργεια καταλαμβάνονται από τα ίδια τα ηλεκτρόνια του μεταλλικού ιόντος. Προκειμένου να καταλάβουν τροχιακά χαμηλότερης ενέργειας, οι συνδέτες πρέπει να αναγκάσουν τα ίδια τα ηλεκτρόνια του μεταλλικού ιόντος να ζευγαρώσουν και να απελευθερώσουν τα εσωτερικά d τροχιακά για τον λεγόμενο υβριδισμό d 2sp 3. Αυτό μπορεί να γίνει μόνο από προσδέματα υψηλού πεδίου που σχηματίζουν ισχυρούς δεσμούς με το μεταλλικό ιόν, για παράδειγμα, ιόντα κυανιδίου σε σύμπλοκο εξακυανοφερρικό (II) (βλ. Εικ. 3).

Αντίστοιχα, ο πρώτος τύπος συμπλεγμάτων, που έχει υψηλή μαγνητική ροπή, ονομάζεται σύμπλεγμα εξωτερικού τροχιακού και ο δεύτερος τύπος με μειωμένη μαγνητική ροπή ονομάζεται ενδοκογχικό σύμπλεγμα. Αυτή η διαφορά, που οδηγεί σε αλλαγή στον αριθμό των μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων στο σύμπλοκο, οδηγεί σε αλλαγή στις μαγνητικές ροπές του συμπλέγματος εξωτερικού και εσωτερικού τροχιακού, αντίστοιχα, και προκαλείται από την ενεργειακή διαφορά των αντίστοιχων d-τροχιακών (συνήθως ονομάζεται ενέργεια διάσπασης στο πεδίο του συνδέτη και συμβολίζεται με D ή 10Dq).

Με βάση την ικανότητά τους να σχηματίζουν ενδοκογχικά σύμπλοκα (με βάση την τιμή D), όλοι οι συνδέτες μπορούν να διαταχθούν σε μια σειρά, η οποία ονομάζεται φασματοχημική σειρά προσδεμάτων:

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

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

Πήρε το όνομά του επειδή το χρώμα του συμπλόκου εξαρτάται από τη θέση του συνδέτη αυτής της σειράς, και αυτό αποκαλύπτει τη σύνδεση μεταξύ των οπτικών και μαγνητικών ιδιοτήτων των ενώσεων συντονισμού.

Έτσι, μετρώντας τη μαγνητική επιδεκτικότητα, μπορεί κανείς εύκολα να κρίνει τον βαθμό οξείδωσης και τη γεωμετρία της πρώτης σφαίρας συντονισμού στο σύμπλεγμα. Τα δεδομένα για τη μαγνητική επιδεκτικότητα ενός αριθμού ιόντων μετάλλου μεταπτώσεως και λανθανιδών δίνονται στον Πίνακα. 2. Μπορεί να φανεί ότι οι μαγνητικές ιδιότητες των ιόντων 3d στις περισσότερες περιπτώσεις αντιστοιχούν καλά σε αμιγώς τιμές spin ms, και για να εξηγηθούν οι μαγνητικές ιδιότητες των λανθανιδών, απαιτείται ένα πιο περίπλοκο μοντέλο που περιλαμβάνει τον προαναφερθέντα κβαντικό αριθμό J.

Είναι γνωστό ότι οι περισσότερες χημικές αντιδράσεις που είναι σημαντικές στην πράξη συμβαίνουν σε διαλύματα, συμπεριλαμβανομένων των αντιδράσεων σχηματισμού συμπλόκων, επομένως στην επόμενη ενότητα θα εξετάσουμε τις μαγνητικές ιδιότητες των διαλυμάτων στα οποία οι ενώσεις μετάλλων μεταπτώσεως πραγματοποιούνται με τη μορφή συμπλόκων.

ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΥΠΟΨΙΑ ΛΥΜΑΤΩΝ

Κατά τη μετάβαση από ένα στερεό σε ένα διάλυμα, πρέπει να λαμβάνεται υπόψη η μαγνητική επιδεκτικότητα του διαλύτη και όλων των διαλυμένων ουσιών. Σε αυτήν την περίπτωση, ο απλούστερος τρόπος για να ληφθεί αυτό υπόψη είναι να συνοψιστούν οι συνεισφορές όλων των συστατικών του διαλύματος σύμφωνα με τον κανόνα της προσθετικότητας. Η αρχή της προσθετικότητας είναι μια από τις θεμελιώδεις αρχές στην επεξεργασία των πειραματικών δεδομένων. Μερικές φορές αποτυγχάνουν ακόμη και οι πειραματιστές, γιατί είναι δύσκολο για το ανθρώπινο μυαλό να φανταστεί έναν άλλο μηχανισμό για την αλληλεπίδραση διαφόρων παραγόντων εκτός από την απλή πρόσθεσή τους. Οποιεσδήποτε αποκλίσεις από αυτό συνδέονται συχνότερα με το γεγονός ότι εκπληρώνεται η ίδια η αρχή της προσθετικότητας και τα συστατικά του διαλύματος αλλάζουν τις ιδιότητές τους. Επομένως, θεωρείται ότι η μαγνητική επιδεκτικότητα ενός διαλύματος είναι ίση με το άθροισμα της μαγνητικής επιδεκτικότητας των επιμέρους συστατικών, λαμβάνοντας υπόψη τη συγκέντρωση όπου ci είναι η συγκέντρωση (σε mol/l), cmi είναι η μοριακή μαγνητική επιδεκτικότητα του το i-ο συστατικό του διαλύματος, χρησιμοποιείται συντελεστής 1/1000 για να πάει στη μοριακή συγκέντρωση. Στην περίπτωση αυτή, η άθροιση πραγματοποιείται σε όλες τις διαλυμένες ουσίες και τον διαλύτη. Μπορεί να σημειωθεί ότι οι συνεισφορές παραμαγνητικών και διαμαγνητικών ουσιών στη μετρούμενη μαγνητική επιδεκτικότητα είναι αντίθετες σε πρόσημο και μπορούν να διαχωριστούν

cv(μετρημένο) = cv(ζεύγος) - cv(dia).

Κατά τη μελέτη των μαγνητικών ιδιοτήτων της ίδιας ουσίας σε διαφορετικούς διαλύτες (Πίνακας 3), είναι σαφές ότι μπορούν να εξαρτηθούν σημαντικά από τη φύση του διαλύτη. Αυτό μπορεί να εξηγηθεί από την είσοδο των μορίων του διαλύτη στην πρώτη σφαίρα συντονισμού και μια αντίστοιχη αλλαγή στην ηλεκτρονική δομή του συμπλόκου, τις ενέργειες των d-τροχιακών (D) και άλλες ιδιότητες του συμπλόκου διαλυτώματος. Έτσι, η μαγνητοχημεία καθιστά επίσης δυνατή τη μελέτη της διαλυτότητας, δηλαδή της αλληλεπίδρασης μιας διαλυμένης ουσίας με έναν διαλύτη.

Στα διαλύματα, ο προσδιορισμός των ενώσεων συντονισμού cm και meff επιτρέπει, όπως φαίνεται από το θεωρητικό υλικό που παρουσιάζεται παραπάνω, να προσδιοριστεί ένας αριθμός δομικών παραμέτρων (l, S, D), γεγονός που καθιστά πολύτιμες τις μαγνητοχημικές μελέτες. Διαφορετικά σύμπλοκα του ίδιου μεταλλικού ιόντος μπορεί να διαφέρουν σημαντικά ως προς την τιμή της ενεργού μαγνητικής ροπής. Χρησιμοποιώντας το παράδειγμα του χαλκού (II), μπορεί να φανεί ότι κατά τον σχηματισμό συμπλόκου, η αποτελεσματική μαγνητική ροπή αυξάνεται, και όταν σχηματίζεται ένα διμερές σύμπλοκο, μειώνεται λόγω της αντισιδηρομαγνητικής αλληλεπίδρασης μη ζευγαρωμένων ηλεκτρονίων ιόντων χαλκού (II). Οι μαγνητικές ιδιότητες των σύνθετων ενώσεων χαλκού(II) δίνονται παρακάτω. (Κατά τη σύνταξη των τύπων, χρησιμοποιήθηκαν συντομευμένες ονομασίες για προσδέματα που υιοθετήθηκαν στη χημεία συντονισμού: acac - ακετυλακετόνη CH3COCH3COCH3, H4Tart - τρυγικό οξύ HOOC(CHOH)2COOH.)

Λίγα λόγια για το «μαγνητικό» νερό ή ακριβέστερα για τα υδατικά διαλύματα (καθώς ακόμη και το απεσταγμένο νερό περιέχει ακαθαρσίες, όπως διαλυμένο οξυγόνο, το οποίο είναι παραμαγνητικό). Αυτό το θέμα, φυσικά, απαιτεί ξεχωριστή εξέταση, θα το θίξουμε μόνο σε σχέση με τη μαγνητοχημεία. Εάν ένα μαγνητικό πεδίο επηρεάζει τις ιδιότητες ενός διαλύματος και πολλά πειραματικά γεγονότα (μετρήσεις πυκνότητας, ιξώδους, ηλεκτρικής αγωγιμότητας, συγκέντρωσης πρωτονίων, μαγνητική επιδεκτικότητα) δείχνουν ότι αυτό συμβαίνει, τότε θα πρέπει να αναγνωριστεί ότι η ενέργεια των αλληλεπιδράσεων μεταξύ των μεμονωμένα συστατικά του διαλύματος και το σύνολο των μορίων του νερού είναι αρκετά υψηλό, τότε είναι συγκρίσιμο ή υπερβαίνει την ενέργεια της θερμικής κίνησης των σωματιδίων σε ένα διάλυμα, η οποία υπολογίζει τον μέσο όρο κάθε επίδρασης στο διάλυμα. Ας θυμηθούμε ότι η ενέργεια της μαγνητικής αλληλεπίδρασης ενός σωματιδίου (μορίου) είναι μικρή σε σύγκριση με την ενέργεια της θερμικής κίνησης. Μια τέτοια αλληλεπίδραση είναι δυνατή εάν δεχθούμε ότι σε νερό και υδατικά διαλύματα, λόγω της συνεργατικής φύσης των δεσμών υδρογόνου, πραγματοποιούνται μεγάλα δομικά σύνολα μορίων νερού που μοιάζουν με πάγο, τα οποία μπορούν να ενισχυθούν ή να καταστραφούν υπό την επίδραση διαλυμένων ουσιών. Η ενέργεια σχηματισμού τέτοιων «συνόλων» είναι προφανώς συγκρίσιμη με την ενέργεια της θερμικής κίνησης και υπό μαγνητική επίδραση το διάλυμα μπορεί να τη θυμηθεί και να αποκτήσει νέες ιδιότητες, αλλά η κίνηση Brown ή η αύξηση της θερμοκρασίας εξαλείφει αυτή τη «μνήμη» για κάποιο χρονικό διάστημα.

Σημειώστε ότι επιλέγοντας προσεκτικά τις συγκεντρώσεις των παραμαγνητικών ουσιών σε έναν διαμαγνητικό διαλύτη, είναι δυνατό να δημιουργηθεί ένα μη μαγνητικό υγρό, δηλαδή ένα του οποίου η μέση μαγνητική επιδεκτικότητα είναι μηδέν ή στο οποίο τα μαγνητικά πεδία διαδίδονται με τον ίδιο ακριβώς τρόπο όπως στο ένα κενό. Αυτή η ενδιαφέρουσα ιδιότητα δεν έχει βρει ακόμη εφαρμογή στην τεχνολογία.

Μαγνητισμός της ύλης.Οι μόνιμοι μαγνήτες μπορούν να κατασκευαστούν από σχετικά λίγες μόνο ουσίες, αλλά όλες οι ουσίες που τοποθετούνται σε ένα μαγνητικό πεδίο μαγνητίζονται, δηλ. γίνονται οι ίδιες πηγές ενός μαγνητικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής παρουσία ύλης διαφέρει από το διάνυσμα μαγνητικής επαγωγής στο κενό.

Η υπόθεση του Ampere.Ο λόγος για τον οποίο τα σώματα έχουν μαγνητικές ιδιότητες καθιερώθηκε από τον Γάλλο επιστήμονα Ampere. Στην αρχή, υπό την άμεση εντύπωση της παρατήρησης μιας μαγνητικής βελόνας που γυρίζει κοντά σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα στα πειράματα του Oersted, ο Lmyer πρότεινε ότι ο μαγνητισμός της Γης προκλήθηκε από ρεύματα που περνούσαν μέσα στη σφαίρα. Το κύριο βήμα έχει γίνει: οι μαγνητικές ιδιότητες ενός σώματος μπορούν να εξηγηθούν από τα ρεύματα που κυκλοφορούν μέσα του. Στη συνέχεια, το Ampere κατέληξε σε ένα γενικό συμπέρασμα: οι μαγνητικές ιδιότητες οποιουδήποτε σώματος καθορίζονται από κλειστά ηλεκτρικά ρεύματα μέσα σε αυτό. Αυτό το αποφασιστικό βήμα από τη δυνατότητα εξήγησης των μαγνητικών ιδιοτήτων ενός σώματος με ρεύματα μέχρι την κατηγορηματική δήλωση ότι οι μαγνητικές αλληλεπιδράσεις είναι οι αλληλεπιδράσεις των ρευμάτων είναι απόδειξη του μεγάλου επιστημονικού θάρρους του Ampere.

Σύμφωνα με την υπόθεση του Ampere, στοιχειώδη ηλεκτρικά ρεύματα κυκλοφορούν μέσα στα μόρια και τα άτομα. (Τώρα γνωρίζουμε καλά ότι αυτά τα ρεύματα σχηματίζονται λόγω της κίνησης των ηλεκτρονίων στα άτομα.) Εάν τα επίπεδα στα οποία κυκλοφορούν αυτά τα ρεύματα βρίσκονται τυχαία σε σχέση μεταξύ τους λόγω της θερμικής κίνησης των μορίων (Εικ. 1.28, α) , τότε οι ενέργειές τους αντισταθμίζονται αμοιβαία και το σώμα δεν παρουσιάζει μαγνητικές ιδιότητες. Σε μαγνητισμένη κατάσταση, τα στοιχειώδη ρεύματα στο σώμα προσανατολίζονται έτσι ώστε οι δράσεις τους να αθροίζονται (Εικ. 1.28, β).

Η υπόθεση του Ampere εξηγεί γιατί μια μαγνητική βελόνα και ένα πλαίσιο (κύκλωμα) με ρεύμα σε μαγνητικό πεδίο συμπεριφέρονται με τον ίδιο τρόπο (βλ. § 2). Το βέλος μπορεί να θεωρηθεί ως μια συλλογή από μικρά κυκλώματα ρεύματος, προσανατολισμένα με τον ίδιο τρόπο.

Τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται από ουσίες που ονομάζονται σιδηρομαγνήτες. Τα μαγνητικά πεδία δημιουργούνται από τους σιδηρομαγνήτες όχι μόνο λόγω της περιστροφής των ηλεκτρονίων γύρω από τους πυρήνες, αλλά και λόγω της δικής τους περιστροφής.

Η περιστροφική ροπή του ηλεκτρονίου (γωνιακή ορμή) ονομάζεται σπιν. Τα ηλεκτρόνια φαίνεται πάντα να περιστρέφονται γύρω από τον άξονά τους και, έχοντας φορτίο, δημιουργούν ένα μαγνητικό πεδίο μαζί με το πεδίο που εμφανίζεται λόγω της τροχιακής τους κίνησης γύρω από τους πυρήνες. Στους σιδηρομαγνήτες, υπάρχουν περιοχές με παράλληλους προσανατολισμούς σπιν που ονομάζονται τομείς. τα μεγέθη τομέα είναι περίπου 0,5 μm. Ο παράλληλος προσανατολισμός των περιστροφών παρέχει ελάχιστη δυναμική ενέργεια. Εάν ο σιδηρομαγνήτης δεν είναι μαγνητισμένος, τότε ο προσανατολισμός των περιοχών είναι χαοτικός και το συνολικό μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται από τους τομείς είναι μηδέν. Όταν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι ενεργοποιημένο, οι περιοχές προσανατολίζονται κατά μήκος των γραμμών μαγνητικής επαγωγής αυτού του πεδίου και η επαγωγή του μαγνητικού πεδίου στους σιδηρομαγνήτες αυξάνεται, καθιστώντας χιλιάδες ή ακόμη και εκατομμύρια φορές μεγαλύτερη από την επαγωγή του εξωτερικού πεδίου.

Θερμοκρασία Κιουρί.Σε θερμοκρασίες πάνω από κάποιες συγκεκριμένες για έναν δεδομένο σιδηρομαγνήτη, οι σιδηρομαγνητικές του ιδιότητες εξαφανίζονται. Αυτή η θερμοκρασία ονομάζεται θερμοκρασία Κιουρί από τον Γάλλο επιστήμονα που ανακάλυψε αυτό το φαινόμενο. Εάν ζεστάνετε ένα μαγνητισμένο καρφί πολύ ζεστό, θα χάσει την ικανότητά του να έλκει σιδερένια αντικείμενα. Η θερμοκρασία Κιουρί για το σίδηρο είναι 753 °C, για το νικέλιο 365 °C και για το κοβάλτιο 1000 °C. Υπάρχουν σιδηρομαγνητικά κράματα με θερμοκρασία Κιουρί μικρότερη από 100 °C.

Οι πρώτες λεπτομερείς μελέτες των μαγνητικών ιδιοτήτων των σιδηρομαγνητών πραγματοποιήθηκαν από τον εξαιρετικό Ρώσο φυσικό A. G. Stoletov (1839-1896).

Σιδηρομαγνήτες και οι εφαρμογές τους.Αν και δεν υπάρχουν τόσα πολλά σιδηρομαγνητικά σώματα στη φύση, είναι οι μαγνητικές τους ιδιότητες που έχουν λάβει τη μεγαλύτερη πρακτική εφαρμογή. Ο πυρήνας από σίδηρο ή χάλυβα στο πηνίο ενισχύει το μαγνητικό πεδίο που δημιουργεί πολλές φορές χωρίς να αυξάνει το ρεύμα στο πηνίο. Αυτό εξοικονομεί ενέργεια. Οι πυρήνες των μετασχηματιστών, των γεννητριών, των ηλεκτροκινητήρων κ.λπ. είναι κατασκευασμένοι από σιδηρομαγνήτες.

Όταν το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι απενεργοποιημένο, ο σιδηρομαγνήτης παραμένει μαγνητισμένος, δηλαδή δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι οι τομείς δεν επιστρέφουν στην προηγούμενη θέση τους και ο προσανατολισμός τους διατηρείται εν μέρει. Γι' αυτό υπάρχουν μόνιμοι μαγνήτες.

Οι μόνιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται ευρέως σε ηλεκτρικά όργανα μέτρησης, μεγάφωνα και τηλέφωνα, συσκευές εγγραφής ήχου, μαγνητικές πυξίδες κ.λπ.

Οι φερρίτες, σιδηρομαγνητικά υλικά που δεν μεταφέρουν ηλεκτρικό ρεύμα, χρησιμοποιούνται ευρέως. Είναι χημικές ενώσεις οξειδίων του σιδήρου με οξείδια άλλων ουσιών. Ένα από τα γνωστά σιδηρομαγνητικά υλικά - το μαγνητικό σιδηρομετάλλευμα - είναι ο φερρίτης.

Μαγνητική καταγραφή πληροφοριών.Οι μαγνητικές ταινίες και οι λεπτές μαγνητικές μεμβράνες κατασκευάζονται από σιδηρομαγνητικά υλικά. Οι μαγνητικές ταινίες χρησιμοποιούνται ευρέως για εγγραφή ήχου σε μαγνητόφωνα και για εγγραφή βίντεο σε VCR.

Η μαγνητική ταινία είναι μια εύκαμπτη βάση από πολυβινυλοχλωρίδιο ή άλλες ουσίες. Ένα στρώμα εργασίας εφαρμόζεται σε αυτό με τη μορφή μαγνητικού βερνικιού, που αποτελείται από πολύ μικρά σωματίδια σιδήρου σε σχήμα βελόνας ή άλλου σιδηρομαγνητικού υλικού και συνδετικά.

Ο ήχος εγγράφεται σε κασέτα χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρομαγνήτη, το μαγνητικό πεδίο του οποίου αλλάζει με την πάροδο του χρόνου με τις ηχητικές δονήσεις. Καθώς η ταινία κινείται κοντά στη μαγνητική κεφαλή, διάφορα τμήματα του φιλμ μαγνητίζονται. Το κύκλωμα της κεφαλής μαγνητικής επαγωγής φαίνεται στο Σχήμα 1.29, α, όπου 1 είναι ο πυρήνας του ηλεκτρομαγνήτη. 2 - μαγνητική ταινία. 3 - κενό εργασίας. 4 - περιέλιξη ηλεκτρομαγνήτη.

Κατά την αναπαραγωγή ήχου, παρατηρείται η αντίθετη διαδικασία: η μαγνητισμένη ταινία διεγείρει ηλεκτρικά σήματα στη μαγνητική κεφαλή, τα οποία, μετά την ενίσχυση, αποστέλλονται στο ηχείο του μαγνητοφώνου.

Οι λεπτές μαγνητικές μεμβράνες αποτελούνται από ένα στρώμα σιδηρομαγνητικού υλικού με πάχος από 0,03 έως 10 μικρά.

Χρησιμοποιούνται σε συσκευές αποθήκευσης ηλεκτρονικών υπολογιστών (υπολογιστές). Τα μαγνητικά φιλμ είναι σχεδιασμένα για εγγραφή, αποθήκευση και αναπαραγωγή πληροφοριών. Εφαρμόζονται σε λεπτό δίσκο ή τύμπανο αλουμινίου. Οι πληροφορίες καταγράφονται και αναπαράγονται με τον ίδιο σχεδόν τρόπο όπως σε ένα συμβατικό μαγνητόφωνο. Η εγγραφή πληροφοριών σε υπολογιστή μπορεί να γίνει και σε μαγνητικές ταινίες.

Η ανάπτυξη της τεχνολογίας μαγνητικής εγγραφής οδήγησε στην εμφάνιση μαγνητικών μικροκεφαλών, οι οποίες χρησιμοποιούνται σε υπολογιστές, επιτρέποντας τη δημιουργία ασύλληπτης μαγνητικής πυκνότητας εγγραφής. Ένας σιδηρομαγνητικός σκληρός δίσκος με διάμετρο μικρότερη από 8 cm αποθηκεύει έως και αρκετά terabyte (10 12 byte) πληροφοριών. Η ανάγνωση και η εγγραφή πληροφοριών σε έναν τέτοιο δίσκο πραγματοποιείται χρησιμοποιώντας μια μικροκεφαλή που βρίσκεται στον περιστροφικό μοχλό (Εικ. 1.29, β). Ο ίδιος ο δίσκος περιστρέφεται με τεράστια ταχύτητα και η κεφαλή επιπλέει από πάνω του στη ροή του αέρα, γεγονός που αποτρέπει την πιθανότητα μηχανικής βλάβης στο δίσκο.

Όλες οι ουσίες που τοποθετούνται σε ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργούν το δικό τους πεδίο. Τα ισχυρότερα πεδία δημιουργούνται από σιδηρομαγνήτες. Χρησιμοποιούνται για την κατασκευή μόνιμων μαγνητών, καθώς το σιδηρομαγνητικό πεδίο δεν εξαφανίζεται μετά την απενεργοποίηση του πεδίου μαγνήτισης. Οι σιδηρομαγνήτες χρησιμοποιούνται ευρέως στην πράξη.

1. Ποιες ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνήτες!
2. Για ποιους σκοπούς χρησιμοποιούνται τα σιδηρομαγνητικά υλικά;
3. Πώς καταγράφονται οι πληροφορίες σε έναν υπολογιστή!

Περιεχόμενο μαθήματος σημειώσεις μαθήματοςυποστήριξη μεθόδων επιτάχυνσης παρουσίασης μαθήματος διαδραστικές τεχνολογίες Πρακτική εργασίες και ασκήσεις αυτοδιαγνωστικά εργαστήρια, προπονήσεις, περιπτώσεις, αποστολές ερωτήσεις συζήτησης εργασιών για το σπίτι ρητορικές ερωτήσεις από μαθητές εικονογραφήσεις ήχου, βίντεο κλιπ και πολυμέσαφωτογραφίες, εικόνες, γραφικά, πίνακες, διαγράμματα, χιούμορ, ανέκδοτα, αστεία, κόμικ, παραβολές, ρήσεις, σταυρόλεξα, αποσπάσματα Πρόσθετα περιλήψειςάρθρα κόλπα για την περίεργη κούνια σχολικά βιβλία βασικά και επιπλέον λεξικό όρων άλλα Βελτίωση σχολικών βιβλίων και μαθημάτωνδιόρθωση λαθών στο σχολικό βιβλίοενημέρωση ενός τμήματος σε ένα σχολικό βιβλίο, στοιχεία καινοτομίας στο μάθημα, αντικατάσταση ξεπερασμένων γνώσεων με νέες Μόνο για δασκάλους τέλεια μαθήματαημερολογιακό σχέδιο για το έτος Ολοκληρωμένα Μαθήματα

1.2.2 Δυνάμεις στη μηχανική

1.2.3 Έργο δυνάμεων στη μηχανική, ενέργεια. Νόμος διατήρησης της ενέργειας στη μηχανική

1.3 Δυναμική περιστροφικής κίνησης άκαμπτων σωμάτων

1.3.1 Ροπή δύναμης, γωνιακή ορμή. Νόμος διατήρησης της γωνιακής ορμής

1.3.2 Κινητική ενέργεια περιστροφικής κίνησης. Ροπή αδράνειας

II Ενότητα μοριακή φυσική και θερμοδυναμική

2.1 Βασικές αρχές της μοριακής κινητικής θεωρίας των αερίων

2.1.1 Συνολικές καταστάσεις της ύλης και τα χαρακτηριστικά τους. Μέθοδοι για την περιγραφή των φυσικών ιδιοτήτων της ύλης

2.1.2 Ιδανικό αέριο. Πίεση και θερμοκρασία αερίου. Κλίμακα θερμοκρασίας

2.1.3 Νόμοι για τα ιδανικά αέρια

2.2 Κατανομή Maxwell και Boltzmann

2.2.1 Ταχύτητες μορίων αερίου

2.3. Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

2.3.1 Εργασία και ενέργεια στις θερμικές διεργασίες. Πρώτος νόμος της θερμοδυναμικής

2.3.2 Θερμοχωρητικότητα αερίου. Εφαρμογή του πρώτου θερμοδυναμικού νόμου στις ισοδιεργασίες

2.4. Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής

2.4.1. Λειτουργία θερμικών μηχανών. Κύκλος Carnot

2.4.2 Δεύτερος νόμος της θερμοδυναμικής. Εντροπία

2.5 Πραγματικά αέρια

2.5.1 Εξίσωση Van der Waals. Ισόθερμες πραγματικού αερίου

2.5.2 Εσωτερική ενέργεια πραγματικού αερίου. Εφέ Joule-Thomson

III Ηλεκτρισμός και μαγνητισμός

3.1 Ηλεκτροστατική

3.1.1 Ηλεκτρικά φορτία. ο νόμος του Κουλόμπ

3.1.2 Ένταση ηλεκτρικού πεδίου. Γραμμική ροή του διανύσματος τάσης

3.1.3 Το θεώρημα Ostrogradsky-Gauss και η εφαρμογή του στον υπολογισμό των πεδίων

3.1.4 Δυναμικό ηλεκτροστατικού πεδίου. Εργαστείτε και φορτίστε ενέργεια σε ένα ηλεκτρικό πεδίο

3.2 Ηλεκτρικό πεδίο στα διηλεκτρικά

3.2.1 Ηλεκτρική χωρητικότητα αγωγών, πυκνωτών

3.2.2 Διηλεκτρικά. Δωρεάν και δεσμευμένες χρεώσεις, πόλωση

3.2.3 Διάνυσμα ηλεκτροστατικής επαγωγής. Σιδηροηλεκτρικά

3.3 Ενέργεια ηλεκτροστατικού πεδίου

3.3.1 Ηλεκτρικό ρεύμα. Οι νόμοι του Ohm για το συνεχές ρεύμα

3.3.2 Διακλαδισμένες αλυσίδες. Οι κανόνες του Kirchhoff. Λειτουργία και ισχύς DC

3.4 Μαγνητικό πεδίο

3.4.1 Μαγνητικό πεδίο. Ο νόμος του Ampere. Αλληλεπίδραση παράλληλων ρευμάτων

3.4.2 Κυκλοφορία του διανύσματος επαγωγής μαγνητικού πεδίου. Νόμος του συνολικού ρεύματος.

3.4.3 Νόμος Biot-Savart-Laplace. Μαγνητικό πεδίο συνεχούς ρεύματος

3.4.4 Δύναμη Lorentz Κίνηση φορτισμένων σωματιδίων σε ηλεκτρικά και μαγνητικά πεδία

3.4.5 Προσδιορισμός του ειδικού φορτίου ενός ηλεκτρονίου. Επιταχυντές φορτισμένων σωματιδίων

3.5 Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης

3.5.1 Μαγνητικά. Μαγνητικές ιδιότητες ουσιών

3.5.2 Μόνιμοι μαγνήτες

3.6 Ηλεκτρομαγνητική επαγωγή

3.6.1 Φαινόμενα ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής. Ο νόμος του Faraday. Τόκι Φούκο

3.6.2 Ρεύμα πόλωσης. Ηλεκτρικό πεδίο στροβιλισμού Εξισώσεις Maxwell

3.6.3 Ενέργεια μαγνητικού πεδίου ρευμάτων

IV Οπτική και βασικά στοιχεία της πυρηνικής φυσικής

4.1. Φωτομετρία

4.1.1 Βασικές φωτομετρικές έννοιες. Μονάδες μέτρησης μεγεθών φωτός

4.1.2 Λειτουργία ορατότητας. Σχέση φωτισμού και ενεργειακών ποσοτήτων

4.1.3 Μέθοδοι μέτρησης μεγεθών φωτός

4.2 Παρεμβολή φωτός

4.2.1 Μέθοδοι παρατήρησης παρεμβολών φωτός

4.2.2 Παρεμβολή φωτός σε λεπτές μεμβράνες

4.2.3 Συσκευές παρεμβολής, γεωμετρικές μετρήσεις

4.3 Περίθλαση φωτός

4.3.1 Αρχή Huygens-Fresnel. Μέθοδος ζώνης Fresnel. Πινακίδα ζώνης

4.3.2 Γραφικός υπολογισμός του πλάτους που προκύπτει. Εφαρμογή της μεθόδου Fresnel στα πιο απλά φαινόμενα περίθλασης

4.3.3 Περίθλαση σε παράλληλες δέσμες

4.3.4 Πίνακες φάσεων

4.3.5 Περίθλαση ακτίνων Χ. Πειραματικές μέθοδοι παρατήρησης περίθλασης ακτίνων Χ. Προσδιορισμός του μήκους κύματος των ακτίνων Χ

4.4 Βασικές αρχές της κρυσταλλικής οπτικής

4.4.1 Περιγραφή των κύριων πειραμάτων. Διθλαση

4.4.2 Πόλωση φωτός. ο νόμος του Malus

4.4.3 Οπτικές ιδιότητες μονοαξονικών κρυστάλλων. Παρεμβολή πολωμένων ακτίνων

4.5 Τύποι ακτινοβολίας

4.5.1 Βασικοί νόμοι της θερμικής ακτινοβολίας. Απόλυτα μαύρο σώμα. Πυρομετρία

4.6 Δράση φωτός

4.6.1 Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο. Νόμοι του εξωτερικού φωτοηλεκτρικού φαινομένου

4.6.2 Φαινόμενο Compton

4.6.3 Ελαφριά πίεση. Τα πειράματα του Λεμπέντεφ

4.6.4 Φωτοχημική δράση του φωτός. Βασικοί φωτοχημικοί νόμοι. Βασικά στοιχεία φωτογραφίας

4.7 Ανάπτυξη κβαντικών εννοιών του ατόμου

4.7.1 Τα πειράματα του Rutherford σχετικά με τη σκέδαση σωματιδίων άλφα. Πλανητικό πυρηνικό μοντέλο του ατόμου

4.7.2 Φάσμα ατόμων υδρογόνου. Τα αξιώματα του Bohr

4.7.3 Δυαδικότητα κύματος-σωματιδίου. Ο De Broglie κυματίζει

4.7.4 Συνάρτηση κυμάτων. Σχέση αβεβαιότητας Heisenberg

4.8 Φυσική του ατομικού πυρήνα

4.8.1 Δομή του πυρήνα. Ενέργεια δέσμευσης του ατομικού πυρήνα. Πυρηνικές δυνάμεις

4.8.2 Ραδιενέργεια. Νόμος της Ραδιενεργής Διάσπασης

4.8.3 Ραδιενεργές εκπομπές

4.8.4 Κανόνες μετατόπισης και ραδιενεργές σειρές

4.8.5 Πειραματικές μέθοδοι πυρηνικής φυσικής. Μέθοδοι ανίχνευσης σωματιδίων

4.8.6 Σωματιδιακή φυσική

4.8.7 Κοσμικές ακτίνες. Μεσόνια και υπερόνια. Ταξινόμηση στοιχειωδών σωματιδίων

Περιεχόμενο

3.5 Μαγνητικές ιδιότητες της ύλης

3.5.1 Μαγνητικά. Μαγνητικές ιδιότητες ουσιών

Στο προηγούμενο κεφάλαιο θεωρήθηκε ότι τα καλώδια μέσα από τα οποία περνούν τα ρεύματα, δημιουργώντας ένα μαγνητικό πεδίο, βρίσκονται σε κενό. Εάν τα καλώδια που μεταφέρουν ρεύμα βρίσκονται σε οποιοδήποτε περιβάλλον, το μαγνητικό πεδίο αλλάζει. Αυτό εξηγείται από το γεγονός ότι κάθε ουσία είναι μαγνητική, δηλ. ικανή να αποκτήσει μαγνητική ροπή (μαγνητισμένη) υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου. Μια μαγνητισμένη ουσία δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο ΣΕ " , το οποίο υπερτίθεται στο πεδίο που προκαλείται από τα ρεύματα ΣΕ 0 . Και τα δύο πεδία αθροίζονται στο πεδίο που προκύπτει

ΣΕ = ΣΕ 0 + ΣΕ "

Αυτό το φαινόμενο ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά από τον Ampere, ο οποίος ανακάλυψε ότι η προσθήκη ενός πυρήνα σιδήρου σε ένα σωληνοειδές ισοδυναμούσε με την αύξηση του αριθμού των στροφών του αμπέρ αυτού του σωληνοειδούς. Στη συνέχεια διαπιστώθηκε ότι η επαγωγή ΣΕ Το μαγνητικό πεδίο σε μια ουσία μπορεί να είναι μεγαλύτερο ή μικρότερο από την επαγωγή σι 0 το ίδιο πεδίο στο κενό. Αυτό συμβαίνει επειδή κάθε ουσία, σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό, έχει το δικό της μαγνητικό ΣΕ ".

Συνήθως ονομάζονται ουσίες που μπορούν να αλλάξουν τις παραμέτρους ενός μαγνητικού πεδίου μαγνήτες. Για να χαρακτηρίσετε τις μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών, την ποσότητα μ = σι/ σι 0 , που ονομάζεται μαγνητική διαπερατότητααυτής της ουσίας. Σύμφωνα με την τιμή της μαγνητικής διαπερατότητας, όλοι οι μαγνήτες χωρίζονται σε τρεις ομάδες.

α) Εφόσον το εσωτερικό μαγνητικό πεδίο σε ένα διαμαγνητικό υλικό κατευθύνεται απέναντι από το εξωτερικό πεδίο, ο συντελεστής επαγωγής του προκύπτοντος πεδίου σε ένα διαμαγνητικό υλικό είναι μικρότερος από το μέτρο επαγωγής του πεδίου στο κενό, δηλ. ΣΕ<ΣΕ 0 . Να γιατί ουσίες που έχουν μ<. μεγάλο, που ονομάζεται διαμαγνητικά υλικά. Αυτά περιλαμβάνουν, για παράδειγμα, τα στοιχεία Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, αδρανή αέρια και άλλες ουσίες. Μαγνητική διαπερατότητα μ Ο διαμαγνητισμός δεν εξαρτάται από την επαγωγή ΣΕ 0 εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

β) Οι παραμαγνητικές ουσίες αποτελούνται από άτομα στα οποία δεν αντισταθμίζονται οι τροχιακές μαγνητικές ροπές των ηλεκτρονίων. Επομένως, τα άτομα ενός διαμαγνητικού υλικού έχουν μη μηδενικές μαγνητικές ροπές. Ωστόσο, ελλείψει εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, η θερμική κίνηση των ατόμων οδηγεί σε μια χαοτική διάταξη των μαγνητικών ροπών τους, ως αποτέλεσμα της οποίας οποιοσδήποτε όγκος ενός παραμαγνητικού υλικού στο σύνολό του δεν διαθέτει μαγνητική ροπή.

Όταν μια παραμαγνητική ουσία εισάγεται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, τα άτομα της, σε μεγαλύτερο ή μικρότερο βαθμό (ανάλογα με την επαγωγή αυτού του πεδίου), είναι διατεταγμένα έτσι ώστε οι μαγνητικές ροπές τους να προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση του εξωτερικού πεδίου. Ως αποτέλεσμα, δημιουργείται ένα εσωτερικό μαγνητικό πεδίο στον παραμαγνήτη, η επαγωγή Β του οποίου συμπίπτει στην κατεύθυνση με την επαγωγή Β“ του εξωτερικού πεδίου. Επομένως, η μονάδα επαγωγής ΣΕτο προκύπτον μαγνητικό πεδίο σε ένα παραμαγνητικό υλικό είναι μεγαλύτερο από το μέτρο επαγωγής ΣΕ 0 πεδία σε κενό, δηλ. Β>Β 0 . Να γιατί παραμαγνητικόςείναι ουσίες για τις οποίες μ>1. Αυτά περιλαμβάνουν, ειδικότερα, Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, οξυγόνο και πολλά άλλα στοιχεία, καθώς και διαλύματα ορισμένων αλάτων. Μαγνητική διαπερατότητα μ το παραμαγνητικό, όπως και το διαμαγνητικό, δεν εξαρτάται από την επαγωγή ΣΕ 0 εξωτερικό μαγνητικό πεδίο.

Πρέπει να σημειωθεί ότι η τιμή μ για δια- και παραμαγνητικά υλικά διαφέρει από τη μονάδα πολύ λίγο, μόνο κατά μια ποσότητα της τάξης των 10 -5 - 10 -6, επομένως τα δια- και τα παραμαγνητικά υλικά ταξινομούνται ως ασθενώς μαγνητικές ουσίες.

γ) Σε αντίθεση με τους δια- και τους παραμαγνήτες, των οποίων οι μαγνητικές ιδιότητες καθορίζονται από τις τροχιακές μαγνητικές ροπές των ατομικών ηλεκτρονίων, οι μαγνητικές ιδιότητες των σιδηρομαγνητών καθορίζονται από τις μαγνητικές ροπές σπιν των ηλεκτρονίων. Οι σιδηρομαγνητικές ουσίες (που έχουν πάντα κρυσταλλική δομή) αποτελούνται από άτομα στα οποία δεν έχουν όλα τα ηλεκτρόνια μαγνητικές ροπές σπιν που αντισταθμίζονται αμοιβαία.

Σε έναν σιδηρομαγνήτη υπάρχουν περιοχές αυθόρμητων (αυθόρμητος ) μαγνήτιση, η οποία ονομάζεται τομείς. (Το μέγεθος των περιοχών είναι περίπου 10 -4 - 10 -7 m.) Σε κάθε τομέα, οι μαγνητικές ροπές σπιν των ατομικών ηλεκτρονίων έχουν τον ίδιο προσανατολισμό, με αποτέλεσμα η περιοχή να μαγνητίζεται σε κατάσταση κορεσμού. Εφόσον απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου οι μαγνητικές ροπές των περιοχών είναι τυχαία προσανατολισμένες, το σιδηρομαγνητικό δείγμα υπό τέτοιες συνθήκες γενικά δεν μαγνητίζεται.

Υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, οι μαγνητικές ροπές των περιοχών προσανατολίζονται προς την κατεύθυνση αυτού του πεδίου. Ως αποτέλεσμα, ένα ισχυρό εσωτερικό μαγνητικό πεδίο με μαγνητική επαγωγή προκύπτει στον σιδηρομαγνήτη ΣΕ", που συμπίπτει κατά διεύθυνση με τη μαγνητική επαγωγή του εξωτερικού πεδίου ΣΕ 0 . Επομένως, η μονάδα επαγωγής ΣΕΤο μαγνητικό πεδίο που προκύπτει σε έναν σιδηρομαγνήτη είναι πολύ μεγαλύτερο από το πεδίο στο κενό, δηλ. ΒΒ 0 . Όταν όλες οι μαγνητικές ροπές των περιοχών υπό την επίδραση ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου προσανατολίζονται κατά μήκος του πεδίου, εμφανίζεται κορεσμός του σιδηρομαγνητικού δείγματος.

Με την επίτευξη συγκεκριμένων σημείων θερμοκρασίας για κάθε ουσία, που ονομάζεται παραπάνω σημείο Κιουρί, η δομή του τομέα καταστρέφεται και ο σιδηρομαγνήτης χάνει τις εγγενείς ιδιότητές του.

Έτσι ονομάζονται ουσίες για τις οποίες μ»1 σιδηρομαγνήτες. Αυτά περιλαμβάνουν τα στοιχεία Fe, Co, Ni, Gd και πολλά κράματα. Σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ένα σιδηρομαγνητικό δείγμα συμπεριφέρεται σαν παραμαγνητικό υλικό. Ωστόσο, η μαγνητική διαπερατότητα μ ενός σιδηρομαγνήτη εξαρτάται από την ισχύ Νεξωτερικό μαγνητικό πεδίο και ποικίλλει σε αρκετά μεγάλο εύρος, με αποτέλεσμα η εξάρτηση Β =φά(H) είναι μη γραμμικό . Οι τιμές μ ορισμένων κραμάτων φτάνουν τις δεκάδες χιλιάδες. Ως εκ τούτου, οι σιδηρομαγνήτες ταξινομούνται ως εξαιρετικά μαγνητικές ουσίες.

Για κάθε σιδηρομαγνήτη υπάρχει μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, που ονομάζεται Σημείο Κιουρί, όταν θερμαίνεται πάνω από την οποία η ουσία χάνει τις σιδηρομαγνητικές της ιδιότητες και μετατρέπεται σε παραμαγνητική. Για παράδειγμα, για το Fe το σημείο Curie είναι 1043 K και για το Ni - 631 K.

Για να εξηγήσει τη διαδικασία μαγνήτισης των σωμάτων, ο Ampere πρότεινε ότι κυκλικά ρεύματα (μοριακά ρεύματα) κυκλοφορούν στα μόρια της ουσίας. Κάθε τέτοιο ρεύμα έχει μια μαγνητική ροπή και δημιουργεί ένα μαγνητικό πεδίο στον περιβάλλοντα χώρο. Ελλείψει εξωτερικού πεδίου, τα μοριακά ρεύματα προσανατολίζονται τυχαία, με αποτέλεσμα το προκύπτον πεδίο που οφείλεται σε αυτά να είναι ίσο με μηδέν. Λόγω του χαοτικού προσανατολισμού των μαγνητικών ροπών μεμονωμένων μορίων, η συνολική μαγνητική ροπή του σώματος είναι επίσης μηδενική. Υπό την επίδραση ενός πεδίου, οι μαγνητικές ροπές των μορίων αποκτούν κυρίαρχο προσανατολισμό προς μία κατεύθυνση, με αποτέλεσμα ο μαγνήτης να μαγνητίζεται - η συνολική του μαγνητική ροπή γίνεται μη μηδενική. Τα μαγνητικά πεδία μεμονωμένων μοριακών ρευμάτων σε αυτή την περίπτωση δεν αντισταθμίζουν πλέον το ένα το άλλο και δημιουργείται ένα πεδίο ΣΕ". Είναι φυσικό να χαρακτηρίζεται η μαγνήτιση ενός μαγνήτη με τη μαγνητική ροπή ανά μονάδα όγκου. Αυτή η ποσότητα ονομάζεται μαγνήτισηκαι συμβολίζεται με το γράμμα J. Η μαγνήτιση συνήθως δεν συνδέεται με μαγνητική επαγωγή, αλλά με ένταση πεδίου. Πιστεύεται ότι σε κάθε σημείο

Σε αντίθεση με τη διηλεκτρική επιδεκτικότητα, η οποία μπορεί να έχει μόνο θετικές τιμές (πόλωση Rσε ένα ισότροπο διηλεκτρικό κατευθύνεται πάντα κατά μήκος του πεδίου μι), μαγνητική επιδεκτικότητα χ μπορεί να είναι και θετικό και αρνητικό. Επομένως, μαγνητική διαπερατότητα μ μπορεί να είναι είτε μεγαλύτερο είτε μικρότερο από ένα.

Η μαγνήτιση ασθενώς μαγνητικών ουσιών ποικίλλει γραμμικά ανάλογα με την ένταση του πεδίου. Η μαγνήτιση των σιδηρομαγνητών s, κρέμεται από Νμε σύνθετο τρόπο. Στην εικόνα - 3,39 δεδομένο καμπύλη μαγνήτισηςένας σιδηρομαγνήτης του οποίου η μαγνητική ροπή ήταν αρχικά ίση με μηδέν. Ήδη σε πεδία της τάξεως πολλών οερστέδων (~100 A/m), η μαγνήτιση J φτάνει σε κορεσμό. Βασική καμπύλη μαγνήτισης στο διάγραμμα Β - Ηφαίνεται στο Σχ. 59,2 (καμπύλη 0-1). Μόλις φτάσει στον κορεσμό ΣΕσυνεχίζει να αυξάνεται από Νσύμφωνα με τον γραμμικό νόμο. Εάν η μαγνήτιση φτάσει σε κορεσμό (σημείο 1 στο Σχήμα - 3.40) και στη συνέχεια μειώστε την ένταση του μαγνητικού πεδίου και μετά την επαγωγή ΣΕδεν ακολουθεί την αρχική καμπύλη 0-1, a ποικίλλει ανάλογα με την καμπύλη 1-2. Ως αποτέλεσμα, όταν η ισχύς του εξωτερικού πεδίου μηδενίζεται (σημείο 2), η μαγνήτιση δεν εξαφανίζεται και χαρακτηρίζεται από το μέγεθος ΣΕ r , η οποία ονομάζεται υπολειπόμενη επαγωγή. Σημασία έχει η μαγνήτιση J r, που ονομάζεται υπολειπόμενη μαγνήτιση.

Εικόνα - 3.39	Εικόνα - 3.40

Επαγωγή ΣΕεξαφανίζεται μόνο υπό την επίδραση του γηπέδου Ν Με , έχοντας κατεύθυνση αντίθετη από το πεδίο που προκάλεσε τη μαγνήτιση. Ενταση Ν Με που ονομάζεται καταναγκαστική δύναμη.

Η ύπαρξη υπολειπόμενης μαγνήτισης καθιστά δυνατή την κατασκευή μόνιμων μαγνητών, δηλαδή σωμάτων που, χωρίς να ξοδεύουν ενέργεια για τη διατήρηση μακροσκοπικών ρευμάτων, έχουν μαγνητική ροπή και δημιουργούν μαγνητικό πεδίο στον χώρο που τους περιβάλλει. Ένας μόνιμος μαγνήτης διατηρεί καλύτερα τις ιδιότητές του, όσο μεγαλύτερη είναι η δύναμη καταναγκασμού του υλικού από το οποίο είναι κατασκευασμένος.

Όταν ένας σιδηρομαγνήτης εκτίθεται σε εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο, η επαγωγή αλλάζει σύμφωνα με την καμπύλη /- 2 -3-4-5-1 (Εικόνα - 3.40), το οποίο καλείται βρόχος υστέρησης(Ένας παρόμοιος βρόχος εμφανίζεται στο διάγραμμα J- H). Εάν οι μέγιστες τιμές Νείναι τέτοια ώστε η μαγνήτιση να φτάσει σε κορεσμό, προκύπτει ένας λεγόμενος βρόχος μέγιστης υστέρησης (συμπαγής βρόχος στο σχήμα 3.40). Αν σε τιμές πλάτους Νδεν επιτυγχάνεται κορεσμός, λαμβάνεται ένας βρόχος που ονομάζεται ιδιωτικός κύκλος (ο διακεκομμένος βρόχος στο σχήμα). Υπάρχει ένας άπειρος αριθμός ιδιωτικών κύκλων, όλοι βρίσκονται μέσα στον βρόχο μέγιστης υστέρησης. Η υστέρηση οδηγεί στο γεγονός ότι η μαγνήτιση ενός σιδηρομαγνήτη δεν είναι μια μοναδική συνάρτηση Ν,εξαρτιόταν σε μεγάλο βαθμό από την προϊστορία του δείγματος - από τα πεδία στα οποία βρισκόταν πριν.

Λόγω της ασάφειας της εξάρτησης ΣΕαπό ΝΗ έννοια της μαγνητικής διαπερατότητας ισχύει μόνο για τη βασική καμπύλη μαγνήτισης. Μαγνητική διαπερατότητα σιδηρομαγνητών μ Επομένως, η μαγνητική επιδεκτικότητα χ είναι συνάρτηση της έντασης του πεδίου. Στην εικόνα - 3.41 ,ΕΝΑΕμφανίζεται η κύρια καμπύλη μαγνήτισης. (σχεδιάζουμε μια ευθεία γραμμή από την αρχή των συντεταγμένων, που διέρχεται από ένα αυθαίρετο σημείο της καμπύλης. Η εφαπτομένη της γωνίας κλίσης: η ευθεία είναι ανάλογη του λόγου V/N, t.ε. μαγνητική διαπερατότητα μ, για την αντίστοιχη τιμή τάσης Ν.Όταν αυξάνεται Ναπό το μηδέν η γωνία κλίσης (και επομένως μ ) πρώτα μεγαλώνει. Στο σημείο 2 φτάνει στο μέγιστο (ευθεία ΣΧΕΤΙΚΑ ΜΕεφάπτεται στην καμπύλη) και μετά μειώνεται. Στο σχήμα - 3.41, σιδίνεται ένα γράφημα εξάρτησης μ από Ν.Το σχήμα δείχνει ότι η μέγιστη τιμή διαπερατότητας επιτυγχάνεται λίγο νωρίτερα από τον κορεσμό. Με απεριόριστη αύξηση Νδιαπερατός προσεγγίζει ασυμπτωτικά την ενότητα. Αυτό προκύπτει από το γεγονός ότι / στην έκφραση μ = 1 - J/ H δεν μπορεί να υπερβαίνει την τιμή 1.

Εικόνα - 3.41

Ποσότητες ΣΕ r (ή J r ), Ν Με Και μ είναι τα κύρια χαρακτηριστικά ενός σιδηρομαγνήτη. Αν η καταναγκαστική δύναμη Ν Με έχει ένα μεγάλο ονομάζεται η ποσότητα ενός σιδηρομαγνήτη σκληρός. Χαρακτηρίζεται από έναν ευρύ βρόχο υστέρησης. Σιδηρομαγνητικό με χαμηλό Ν Με (και κατά συνέπεια ένας στενός βρόχος υστέρησης) ονομάζεται μαλακός. Ανάλογα με το σκοπό, λαμβάνονται σιδηρομαγνήτες με ένα ή άλλο χαρακτηριστικό. Έτσι, χρησιμοποίησα σκληρούς σιδηρομαγνήτες για μόνιμους μαγνήτες και μαλακούς για πυρήνες μετασχηματιστών. Η παρουσία του σημείου Κιουρί στους σιδηρομαγνήτες μπορεί να γίνει κατανοητή δεδομένου ότι τα άτομα συμμετέχουν στη θερμική κίνηση: όσο η θερμοκρασία είναι χαμηλή, τα άτομα διατηρούν έναν παράλληλο προσανατολισμό των μαγνητικών ροπών τους εντός των περιοχών. Αλλά καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, αυξάνεται επίσης η θερμική κίνηση Όταν μια ουσία φτάσει σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία για μια δεδομένη ουσία, η θερμική κίνηση καταστρέφει αυτόν τον προσανατολισμό - η περιοχή εξαφανίζεται. Επιπλέον, ο σιδηρομαγνήτης συμπεριφέρεται σαν παραμαγνητικός.

Τα θεμέλια της θεωρίας του σιδηρομαγνητισμού δημιουργήθηκαν από τους Ya I. Frenkel και W. Heisenberg το 1928. Σήμερα, οι μαγνήτες και οι μαγνητικές τους ιδιότητες χρησιμοποιούνται ευρέως στην επιστήμη και την τεχνολογία.