Ang mga magnetic na katangian ng isang materyal ay isang klase ng mga pisikal na phenomena na pinapamagitan ng mga field. Ang mga electric current at magnetic moment ng elementary particles ay bumubuo ng field na kumikilos sa ibang mga currents. Ang pinakapamilyar na mga epekto ay nangyayari sa mga ferromagnetic na materyales, na malakas na naaakit ng mga magnetic field at maaaring maging permanenteng magnet, na lumilikha ng mga naka-charge na field mismo.
Iilan lang na substance ang ferromagnetic. Upang matukoy ang antas ng pag-unlad ng hindi pangkaraniwang bagay na ito sa isang partikular na sangkap, mayroong isang pag-uuri ng mga materyales ayon sa mga magnetic na katangian. Ang pinakakaraniwan ay iron, nickel at cob alt at ang kanilang mga haluang metal. Ang prefix na ferro- ay tumutukoy sa bakal dahil ang permanenteng magnetism ay unang nakita sa walang laman na bakal, isang anyo ng natural na iron ore na tinatawag na magnetic properties ng materyal, Fe3O4.
Paramagnetic na materyales
Kahit naAng ferromagnetism ay responsable para sa karamihan ng mga epekto ng magnetism na nakatagpo sa pang-araw-araw na buhay, lahat ng iba pang mga materyales ay apektado ng field sa ilang mga lawak, pati na rin ang ilang iba pang mga uri ng magnetism. Ang mga paramagnetic na sangkap tulad ng aluminyo at oxygen ay mahinang naaakit sa isang inilapat na magnetic field. Ang mga diamagnetic na substance gaya ng copper at carbon ay mahinang nagtataboy.
Habang ang mga antiferromagnetic na materyales gaya ng chromium at spin glass ay may mas kumplikadong kaugnayan sa magnetic field. Ang lakas ng magnet sa paramagnetic, diamagnetic, at antiferromagnetic na materyales ay kadalasang masyadong mahina para maramdaman at makikita lamang ng mga instrumento sa laboratoryo, kaya ang mga substance na ito ay hindi kasama sa listahan ng mga materyales na may magnetic properties.
Mga Kundisyon
Ang magnetic state (o phase) ng isang materyal ay nakadepende sa temperatura at iba pang variable gaya ng pressure at inilapat na magnetic field. Ang isang materyal ay maaaring magpakita ng higit sa isang anyo ng magnetism habang nagbabago ang mga variable na ito.
Kasaysayan
Ang magnetic properties ng isang materyal ay unang natuklasan sa sinaunang mundo nang mapansin ng mga tao na ang mga magnet, na natural na magnetized na mga piraso ng mineral, ay maaaring makaakit ng bakal. Ang salitang "magnet" ay nagmula sa salitang Griyego na Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesian stone, footstone".
Sa sinaunang Greece, iniuugnay ni Aristotle ang una sa maaaring tawaging siyentipikong talakayan tungkol sa magnetic properties ng mga materyales,pilosopo na si Thales ng Miletus, na nabuhay mula 625 BC. e. bago ang 545 BC e. Inilalarawan ng sinaunang tekstong medikal ng India na Sushruta Samhita ang paggamit ng magnetite upang alisin ang mga arrow na naka-embed sa katawan ng tao.
Sinaunang Tsina
Sa sinaunang Tsina, ang pinakaunang literary reference sa mga electrical at magnetic na katangian ng mga materyales ay matatagpuan sa isang ika-4 na siglong BC na aklat na pinangalanang ayon sa may-akda nito, The Sage of the Valley of Ghosts. Ang pinakamaagang pagbanggit ng pag-akit ng karayom ay nasa 1st century work na Lunheng (Balanced Requests): "The magnet attracts the needle."
Ang ika-11 siglong Chinese scientist na si Shen Kuo ang unang taong naglarawan - sa Dream Pool Essay - isang magnetic compass na may karayom at pinahusay nito ang katumpakan ng nabigasyon sa pamamagitan ng astronomical na pamamaraan. konsepto ng totoong hilaga. Noong ika-12 siglo, kilala na ang mga Tsino na gumamit ng magnet compass para sa nabigasyon. Ginawa nila ang gabay na kutsara mula sa bato upang ang hawakan ng kutsara ay laging nakaturo sa timog.
Middle Ages
Alexander Neckam, noong 1187, ang una sa Europe na naglalarawan sa compass at sa paggamit nito para sa pag-navigate. Ang mananaliksik na ito sa unang pagkakataon sa Europa ay lubusang itinatag ang mga katangian ng mga magnetic na materyales. Noong 1269 isinulat ni Peter Peregrine de Maricourt ang Epistola de magnete, ang unang nabubuhay na treatise na naglalarawan sa mga katangian ng magnet. Noong 1282, ang mga katangian ng mga compass at materyales na may espesyal na magnetic properties ay inilarawan ni al-Ashraf, isang Yemeni physicist, astronomer at geographer.
Renaissance
Noong 1600, inilathala ni William Gilbertkanyang "Magnetic Corpus" at "Magnetic Tellurium" ("Sa Magnet at Magnetic Bodies, at gayundin sa Great Earth Magnet"). Sa papel na ito, inilalarawan niya ang marami sa kanyang mga eksperimento sa kanyang modelong earth, na tinatawag na terrella, kung saan nagsagawa siya ng pananaliksik sa mga katangian ng magnetic materials.
Mula sa kanyang mga eksperimento, nakuha niya ang konklusyon na ang Earth mismo ay magnetic at ito ang dahilan kung bakit ang mga compass ay nakaturo sa hilaga (noong una, ang ilan ay naniniwala na ito ay ang pole star (Polaris) o isang malaking magnetic island sa North Pole na umaakit sa compass).
Bagong oras
Ang pag-unawa sa ugnayan sa pagitan ng kuryente at mga materyales na may espesyal na magnetic properties ay lumitaw noong 1819 sa gawain ni Hans Christian Oersted, isang propesor sa Unibersidad ng Copenhagen, na natuklasan sa pamamagitan ng aksidenteng pagkibot ng compass needle malapit sa wire na isang electric Ang kasalukuyang ay maaaring lumikha ng isang magnetic field. Ang landmark na eksperimentong ito ay kilala bilang Oersted Experiment. Sinundan ng ilang iba pang mga eksperimento kasama si André-Marie Ampère, na natuklasan noong 1820 na ang magnetic field na umiikot sa isang saradong landas ay nauugnay sa isang kasalukuyang dumadaloy sa paligid ng perimeter ng landas.
Carl Friedrich Gauss ay nakatuon sa pag-aaral ng magnetism. Si Jean-Baptiste Biot at Felix Savart noong 1820 ay nakabuo ng batas ng Biot-Savart, na nagbibigay ng nais na equation. Michael Faraday, na natuklasan noong 1831 na ang isang pag-iiba-iba ng oras na magnetic flux sa pamamagitan ng isang loop ng wire ay nagdulot ng boltahe. At iba pang mga siyentipiko ang nakahanap ng karagdagang koneksyon sa pagitan ng magnetism at kuryente.
XX siglo at ang amingoras
James Clerk Maxwell ay nag-synthesize at nagpalawak ng pang-unawang ito sa mga equation ni Maxwell sa pamamagitan ng pag-iisa ng kuryente, magnetism at optika sa larangan ng electromagnetism. Noong 1905, ginamit ni Einstein ang mga batas na ito para hikayatin ang kanyang teorya ng espesyal na relativity sa pamamagitan ng pag-aatas na ang mga batas ay matupad sa lahat ng inertial reference frame.
Ang electromagnetism ay patuloy na umusbong sa ika-21 siglo, na isinama sa mas pangunahing mga teorya ng gauge theory, quantum electrodynamics, electroweak theory, at panghuli sa karaniwang modelo. Ngayong mga araw na ito, pinag-aaralan na ng mga siyentipiko ang magnetic properties ng nanostructured materials na may lakas at pangunahing. Ngunit ang pinakadakilang at pinakakahanga-hangang pagtuklas sa larangang ito ay malamang na nauuna pa rin sa atin.
Essence
Ang mga magnetic na katangian ng mga materyales ay pangunahing dahil sa mga magnetic moment ng mga orbital electron ng kanilang mga atomo. Ang mga magnetic moment ng atomic nuclei ay kadalasang libu-libong beses na mas maliit kaysa sa mga electron, at samakatuwid sila ay bale-wala sa konteksto ng magnetization ng mga materyales. Gayunpaman, napakahalaga ng mga nuclear magnetic moment sa ibang konteksto, lalo na sa nuclear magnetic resonance (NMR) at magnetic resonance imaging (MRI).
Karaniwan, ang malaking bilang ng mga electron sa isang materyal ay inaayos sa paraang ang kanilang mga magnetic moment (parehong orbital at panloob) ay mapawalang-bisa. Sa ilang lawak, ito ay dahil sa katotohanan na ang mga electron ay nagsasama-sama nang pares na may magkasalungat na intrinsic magnetic moments bilang resulta ng Pauli principle (tingnan ang Electron configuration) at pinagsama sa mga punong subshell na may zero net orbital motion.
BSa parehong mga kaso, ang mga electron ay pangunahing gumagamit ng mga circuit kung saan ang magnetic moment ng bawat electron ay kinansela ng kabaligtaran na sandali ng isa pang electron. Bukod dito, kahit na ang pagsasaayos ng electron ay tulad na may mga hindi pares na mga electron at/o mga hindi napunan na mga subshell, madalas na ang iba't ibang mga electron sa isang solid ay mag-aambag ng mga magnetic moment na tumuturo sa iba't ibang, random na direksyon, upang ang materyal ay hindi magnetic.
Minsan, kusang-loob man o dahil sa isang inilapat na panlabas na magnetic field, ang bawat magnetic moment ng mga electron ay magkakahanay sa karaniwan. Ang tamang materyal ay maaaring lumikha ng isang malakas na net magnetic field.
Ang magnetic na pag-uugali ng isang materyal ay nakasalalay sa istraktura nito, lalo na sa electronic configuration nito, para sa mga kadahilanang ibinigay sa itaas, at gayundin sa temperatura. Sa mataas na temperatura, ang random na thermal motion ay nagpapahirap sa mga electron na mag-align.
Diamagnetism
Diamagnetism ay matatagpuan sa lahat ng mga materyales at ito ay ang ugali ng isang materyal upang labanan ang isang inilapat na magnetic field at samakatuwid ay pagtataboy sa magnetic field. Gayunpaman, sa isang materyal na may mga paramagnetic na katangian (iyon ay, na may posibilidad na palakasin ang isang panlabas na magnetic field), ang paramagnetic na pag-uugali ay nangingibabaw. Kaya, sa kabila ng unibersal na pangyayari, ang diamagnetic na pag-uugali ay sinusunod lamang sa isang purong diamagnetic na materyal. Walang mga hindi magkapares na electron sa isang diamagnetic na materyal, kaya ang intrinsic magnetic moments ng mga electron ay hindi maaaring lumikhaanumang epekto ng volume.
Pakitandaan na ang paglalarawang ito ay inilaan bilang isang heuristic lamang. Ang Bohr-Van Leeuwen theorem ay nagpapakita na ang diamagnetism ay imposible ayon sa klasikal na pisika, at na ang tamang pag-unawa ay nangangailangan ng isang quantum mechanical na paglalarawan.
Tandaan na ang lahat ng materyal ay dumadaan sa orbital na tugon na ito. Gayunpaman, sa mga paramagnetic at ferromagnetic substance, ang diamagnetic na epekto ay pinipigilan ng mas malakas na epekto na dulot ng hindi magkapares na mga electron.
May mga hindi magkapares na electron sa isang paramagnetic na materyal; ibig sabihin, atomic o molecular orbitals na may eksaktong isang electron sa kanila. Bagama't ang prinsipyo ng pagbubukod ng Pauli ay nangangailangan ng mga ipinares na electron na magkaroon ng kanilang sariling ("spin") magnetic moments na tumuturo sa magkasalungat na direksyon, na nagiging sanhi ng pagkakansela ng kanilang mga magnetic field, maaaring ihanay ng isang hindi magkapares na electron ang magnetic moment nito sa alinmang direksyon. Kapag inilapat ang isang panlabas na field, ang mga sandaling ito ay malamang na mag-align sa parehong direksyon tulad ng inilapat na field, na magpapalakas dito.
Ferromagnets
Ang isang ferromagnet, bilang isang paramagnetic substance, ay may hindi magkapares na mga electron. Gayunpaman, bilang karagdagan sa tendensya ng intrinsic magnetic moment ng mga electron na maging parallel sa inilapat na field, sa mga materyales na ito ay mayroon ding tendensya para sa mga magnetic moment na ito na i-orient ang kanilang mga sarili parallel sa isa't isa upang mapanatili ang isang estado ng nabawasan. enerhiya. Kaya, kahit na sa kawalan ng isang inilapat na laranganang mga magnetic moment ng mga electron sa materyal ay kusang umaayon sa isa't isa.
Ang bawat ferromagnetic substance ay may sariling indibidwal na temperatura, na tinatawag na Curie temperature, o Curie point, kung saan nawawala ang ferromagnetic properties nito. Ito ay dahil ang thermal tendency sa kaguluhan ay lumalampas sa pagbawas ng enerhiya dahil sa ferromagnetic order.
Ferromagnetism ay nangyayari lamang sa ilang substance; pangkaraniwan ang iron, nickel, cob alt, ang mga haluang metal nito, at ilang rare earth alloys.
Ang mga magnetic moment ng mga atom sa isang ferromagnetic material ay nagdudulot sa kanila na kumilos tulad ng maliliit na permanenteng magnet. Magkadikit ang mga ito at magsasama-sama sa maliliit na rehiyon ng higit o hindi gaanong pare-parehong pagkakahanay na tinatawag na magnetic domain o Weiss domain. Maaaring obserbahan ang mga magnetic domain gamit ang magnetic force microscope upang ipakita ang mga hangganan ng magnetic domain na kahawig ng mga puting linya sa isang sketch. Maraming siyentipikong eksperimento na maaaring pisikal na magpakita ng mga magnetic field.
Tungkulin ng mga domain
Kapag ang isang domain ay naglalaman ng napakaraming molekula, ito ay nagiging hindi matatag at nahahati sa dalawang domain na nakahanay sa magkasalungat na direksyon upang magkadikit nang mas matatag, tulad ng ipinapakita sa kanan.
Kapag nalantad sa magnetic field, gumagalaw ang mga hangganan ng domain upang ang mga domain na may magnetically aligned ay lumaki at mangibabaw sa istraktura (may tuldok na dilaw na lugar), tulad ng ipinapakita sa kaliwa. Kapag ang magnetizing field ay inalis, ang mga domain ay maaaring hindi bumalik sa isang non-magnetized na estado. Ito ay humahantong sadahil ang ferromagnetic material ay magnetized, na bumubuo ng permanenteng magnet.
Kapag ang magnetization ay sapat na malakas upang ang dominanteng domain ay nag-overlap sa lahat ng iba pa, na humahantong sa pagbuo ng isang hiwalay na domain lamang, ang materyal ay magnetically saturated. Kapag ang isang magnetized ferromagnetic na materyal ay pinainit sa temperatura ng Curie point, ang mga molekula ay naghahalo hanggang sa punto kung saan ang mga magnetic domain ay nawawalan ng organisasyon at ang mga magnetic na katangian na sanhi ng mga ito ay tumigil. Kapag pinalamig ang materyal, ang istraktura ng pagkakahanay ng domain na ito ay kusang bumabalik, halos kahalintulad sa kung paano maaaring mag-freeze ang isang likido sa isang mala-kristal na solid.
Antiferromagnetics
Sa isang antiferromagnet, hindi tulad ng isang ferromagnet, ang mga intrinsic magnetic moment ng mga kalapit na valence electron ay may posibilidad na tumuro sa magkasalungat na direksyon. Kapag ang lahat ng mga atom ay nakaayos sa isang sangkap upang ang bawat kapitbahay ay antiparallel, ang sangkap ay antiferromagnetic. Ang mga antiferromagnets ay may net magnetic moment na zero, na nangangahulugang hindi sila gumagawa ng field.
Ang mga antiferromagnet ay mas bihira kaysa sa iba pang uri ng pag-uugali at kadalasang nakikita sa mababang temperatura. Sa iba't ibang temperatura, nagpapakita ang mga antiferromagnetic ng diamagnetic at ferromagnetic na katangian.
Sa ilang mga materyales, mas gusto ng mga kalapit na electron na tumuro sa magkasalungat na direksyon, ngunit walang geometric na kaayusan kung saan ang bawat pares ng mga kapitbahay ay anti-aligned. Ito ay tinatawag na spin glass atay isang halimbawa ng geometric na pagkabigo.
Magnetic na katangian ng mga ferromagnetic na materyales
Tulad ng ferromagnetism, pinapanatili ng ferrimagnets ang kanilang magnetization sa kawalan ng field. Gayunpaman, tulad ng mga antiferromagnets, ang mga katabing pares ng mga electron spin ay may posibilidad na tumuro sa magkasalungat na direksyon. Ang dalawang katangiang ito ay hindi nagkakasalungat sa isa't isa dahil, sa isang pinakamainam na geometric na kaayusan, ang magnetic moment mula sa isang sublattice ng mga electron na tumuturo sa parehong direksyon ay mas malaki kaysa mula sa isang sublattice na tumuturo sa kabaligtaran ng direksyon.
Karamihan sa mga ferrite ay ferrimagnetic. Ang mga magnetic na katangian ng mga ferromagnetic na materyales ngayon ay itinuturing na hindi maikakaila. Ang unang magnetic substance na natuklasan, magnetite, ay isang ferrite at orihinal na naisip na isang ferromagnet. Gayunpaman, pinabulaanan ito ni Louis Neel sa pamamagitan ng pagtuklas ng ferrimagnetism.
Kapag ang isang ferromagnet o ferrimagnet ay sapat na maliit, ito ay gumaganap bilang isang magnetic spin na napapailalim sa Brownian motion. Ang tugon nito sa isang magnetic field ay qualitatively katulad ng sa isang paramagnet, ngunit higit pa.
Electromagnets
Ang electromagnet ay isang magnet kung saan ang magnetic field ay nalilikha ng isang electric current. Nawawala ang magnetic field kapag naka-off ang kasalukuyang. Ang mga electromagnet ay karaniwang binubuo ng isang malaking bilang ng malapit na pagitan ng mga pagliko ng wire na lumilikha ng magnetic field. Ang mga wire coils ay kadalasang nasusugatan sa paligid ng isang magnetic core na gawa sa ferromagnetic o ferrimagnetic na materyal.isang materyal tulad ng bakal; tinutuon ng magnetic core ang magnetic flux at lumilikha ng mas malakas na magnet.
Ang pangunahing bentahe ng isang electromagnet sa isang permanenteng magnet ay ang magnetic field ay maaaring mabilis na mabago sa pamamagitan ng pagkontrol sa dami ng electric current sa winding. Gayunpaman, hindi tulad ng isang permanenteng magnet, na hindi nangangailangan ng kapangyarihan, ang isang electromagnet ay nangangailangan ng tuluy-tuloy na supply ng kasalukuyang upang mapanatili ang magnetic field.
Ang mga electromagnet ay malawakang ginagamit bilang mga bahagi ng iba pang mga de-koryenteng device gaya ng mga motor, generator, relay, solenoid, loudspeaker, hard drive, MRI machine, siyentipikong instrumento at magnetic separation equipment. Ginagamit din ang mga electromagnet sa industriya upang hawakan at ilipat ang mga mabibigat na bagay na bakal tulad ng scrap metal at bakal. Natuklasan ang electromagnetism noong 1820. Kasabay nito, nai-publish ang unang pag-uuri ng mga materyales ayon sa magnetic properties.
