Každý vie, že v prírode existujú materiály, ktoré majú stabilné magnetické pole, nazývajú sa magnety. Každý z nás ich pozná, no nie každý vie, že každý materiál má magnetické vlastnosti, ktoré ho charakterizujú. Podľa týchto charakteristík sa všetky telesá delia na feromagnety, diamagnety a paramagnety.

Samotný názov „magnet“ pochádza zo starej gréčtiny a znamená „kameň z Magnesia“. Takéto mesto existovalo v starovekej Ázii, vedľa neho bolo v tom čase objavené jedno z prvých veľkých ložísk magnetitu.

Ak vezmeme do úvahy pojem magnety širšie, potom najmenší a najjednoduchší magnet je elektrón, pretože magnetické vlastnosti iných telies sú spôsobené správaním elektrónov v ich vnútri. Magnetické vlastnosti telesa možno vysvetliť pomocou kvantovej teórie poľa.

Elektromagnetickú interakciu nesú špeciálne častice – fotóny, čo sú bozóny bez hmotnosti. Túto časticu možno nazvať kvantovou excitáciou akéhokoľvek elektromagnetického poľa.

Klasifikácia materiálu

Ako bolo uvedené vyššie, všetky materiály sú klasifikované podľa ich magnetických vlastností. Celkovo existujú tri typy takýchto materiálov:

Feromagnety sú materiály, ktoré dokážu výrazne zosilniť akékoľvek magnetické pole, medzi takéto materiály patria permanentné magnety. Zachovávajú si určitú zvyškovú magnetizáciu, dokonca aj po vonkajšej magnetické pole bude zakázaný. Podobné vlastnosti permanentných magnetov sú široko používané v každodennom živote a výrobe, najmä sa používajú ako autonómne zdroje magnetického poľa, ktoré nevyžadujú energiu. Podobné vlastnosti tejto skupiny látok určuje ich molekulárna štruktúra a ich magnetické vlastnosti priamo závisia od sily poľa, v ktorom sa nachádzajú. To by malo zahŕňať materiály ako oceľ, železo, liatina, kobalt, mnohé zliatiny týchto látok atď.

Všetky materiály, ktoré majú slabé magnetické vlastnosti, sa nazývajú paramagnety, to znamená, že ich magnety prakticky nepriťahujú. Nedá sa síce povedať, že tu nie je vôbec žiadna príťažlivosť, len je mnohokrát slabšia ako u feromagnetík, takže príťažlivosť nie je badateľná. Táto príťažlivosť môže byť detekovaná pomocou špeciálneho citlivého zariadenia. Medzi paramagnety patrí hliník, platina, kyslík a iné.

Diamagnetiká sú poslednou skupinou látok. Patrí sem voda, uhlík, plast, meď. Ich zvláštnosť spočíva v tom, že sú magnetizované proti magnetickému poľu, inak povedané, od magnetu sa odpudzujú, hoci aj tento efekt sa prejavuje dosť slabo. Patria sem všetky látky, ktoré nie sú zahrnuté v prvých dvoch skupinách, t. j. veľká väčšina existujúcich látok a materiálov sú diamagnety.

Za zmienku však stojí ešte jedna vlastnosť látok tejto skupiny. Ak vezmete povedzme kúsky olova a umiestnite ich do zóny pôsobenia silného magnetického poľa vytvoreného supravodivým magnetom, potom môžu plávať. A keďže látky ako uhlík a voda sú diamagnetické a sú obsiahnuté takmer vo všetkých živých organizmoch, dokonca aj organické telá a živé organizmy môžu stúpať.

Aplikácia magnetických vlastností

Takéto vlastnosti sú široko používané v rôznych oblastiach výroby av každodennom živote. V prvom rade stojí za to zdôrazniť elektromagnety, ktorých magnetické vlastnosti sú určené tokom elektrického prúdu cez ne. Ide o solenoidovú cievku, vo vnútri ktorej je vložené železné alebo akékoľvek iné feromagnetické jadro.

Kreditné karty, televízory, mikrofóny, slúchadlá, generátory, kompasy – všetky sú založené na magnetických vlastnostiach tiel a zoznam by mohol pokračovať. Nakoniec, najjednoduchším príkladom sú obrázkové magnety pripevnené na chladničku alebo iný kovový povrch. Toto je skutočne príklad najjednoduchšieho použitia magnetu v každodennom živote.

V súčasnosti je najrozšírenejšia oblasť použitia magnetov v priemysle. V skutočnosti sa ani jedno odvetvie a ani jeden jeho smer nezaobíde bez technológií, ktoré využívajú vlastnosti magnetických vlastností rôznych materiálov.

Magnentikas sú látky s magnetickými vlastnosťami. Všetky látky sú magnetické, keďže podľa Amperovej hypotézy magnetické vlastnosti vytvárajú elementárne prúdy (pohyb elektrónu v atóme).

Elektrón rotujúci na uzavretej dráhe je prúd, ktorého smer je opačný ako pohyb elektrónu. Potom tento pohyb vytvorí magnetické pole, magnetický moment koho pm = IS smerované podľa pravidla pravej ruky kolmo na rovinu obežnej dráhy.

Okrem toho, bez ohľadu na orbitálny pohyb, elektróny majú vlastný magnetický moment (točiť). Magnetizmus atómov je teda spôsobený dvoma dôvodmi: pohybom elektrónov na obežných dráhach a ich vlastným magnetickým momentom.

Keď sa magnet zavedie do vonkajšieho magnetického poľa s indukciou B 0 je magnetizovaný, to znamená, že vytvára vlastné magnetické pole s indukciou V", čo sa pridáva k vonkajšiemu:

B = B 0 + V"

Indukcia vlastného magnetického poľa závisí od vonkajšieho poľa aj od magnetická susceptibilita χ látky:

B = χ B 0

Potom B = B 0 + χ B 0 = B0 (1+ χ)

Ale magnetická indukcia vo vnútri magnetu závisí od magnetickej permeability veci:

B = μ B 0

Odtiaľ μ = 1 + χ.

Na rozdiel od dielektrickej konštanty látky, ktorá je vždy väčšia ako jedna, môže byť magnetická permeabilita väčšia alebo menšia ako jedna. Rozlišujte medzi diamagnetmi (μ < 1) , paramagnety (μ> 1) a feromagnetiky (μ >> 1) .

Diamagnetika

Diamagnety sú látky, ktoré sú magnetizované vo vonkajšom magnetickom poli v smere opačnom ako je smer vektora magnetickej indukcie poľa.

Diamagnety zahŕňajú látky, ktorých magnetické momenty atómov, molekúl alebo iónov sú nulové v neprítomnosti vonkajšieho magnetického poľa. Diamagnety sú inertné plyny, molekulárny vodík a dusík, zinok, meď, zlato, bizmut, parafín a mnoho ďalších organických a anorganických zlúčenín.

V neprítomnosti magnetického poľa je diamagnet nemagnetický, pretože v tomto prípade sú magnetické momenty elektrónov vzájomne kompenzované a celkový magnetický moment atómu je nulový.

Pretože diamagnetický efekt je spôsobený pôsobením vonkajšieho magnetického poľa na elektróny atómov látky, potom je diamagnetizmus vlastný všetkým látkam.

Je potrebné poznamenať, že magnetická permeabilita diamagnetov µ < 1 ... Napríklad na zlato µ = 0,999961 pre meď µ = 0,9999897 atď.

V magnetickom poli sú diamagnety umiestnené kolmo na siločiary vonkajšieho magnetického poľa.

Paramagnety

Paramagnety – látky zmagnetizované vo vonkajšom magnetickom poli v smere poľa.

V paramagnetických látkach sa pri absencii vonkajšieho magnetického poľa magnetické momenty elektrónov navzájom nekompenzujú a atómy (molekuly) paramagnetov majú vždy magnetický moment. V dôsledku tepelného pohybu molekúl sú však ich magnetické momenty orientované náhodne, preto paramagnetické látky nemajú magnetické vlastnosti. Keď sa paramagnety zavedú do vonkajšieho magnetického poľa, prevláda orientácia magnetických momentov atómov pozdĺž poľa (plná orientácia je obmedzená tepelným pohybom atómov).

Paramagnet sa teda zmagnetizuje, čím sa vytvorí vlastné magnetické pole, ktoré sa v smere zhoduje s vonkajším poľom a posilňovanie jeho.

Pri zoslabení vonkajšieho magnetického poľa na nulu sa naruší orientácia magnetických momentov v dôsledku tepelného pohybu a paramagnet sa demagnetizuje.

Niektoré paramagnetické látky sú: aluminium µ = 1,000023; vvzduchu µ = 1,00000038.

Vo vonkajšom magnetickom poli sú paramagnety umiestnené pozdĺž siločiar.

Feromagnety

Feromagnety sa nazývajú tuhé látky, ktoré majú spontánnu (samovoľnú) magnetizáciu pri nie príliš vysokých teplotách, ktoré sa vplyvom vonkajších vplyvov veľmi menia - magnetické pole, deformácie, zmeny teploty.

Feromagnety, na rozdiel od slabo magnetických dia- a paramagnetov, sú vysoko magnetické médiá:

vnútorné magnetické pole v nich môže prekročiť vonkajšie pole stokrát a tisíckrát.

Feromagnetické materiály vykazujú vo väčšej alebo menšej miere magnetickú anizotropiu, t.j. vlastnosť magnetizácie s rôznym stupňom obtiažnosti v rôznych smeroch.

Magnetické vlastnosti feromagnetických materiálov sú zachované, kým ich teplota nedosiahne hodnotu nazývanú Curieov bod. Pri teplotách nad Curieho bodom sa feromagnet správa vo vonkajšom magnetickom poli ako paramagnetická látka. Stráca nielen svoje feromagnetické vlastnosti, ale mení sa aj tepelná kapacita, elektrická vodivosť a niektoré ďalšie fyzikálne vlastnosti.

Curieov bod sa líši pre rôzne materiály:

Povaha feromagnetizmu:

Podľa názorov Weissa (1865-1940), jeho popisnej teórie feromagnetizmu, feromagnetiky pri teplotách pod Curieovým bodom majú spontánnu magnetizáciu bez ohľadu na prítomnosť vonkajšieho magnetizačného poľa. To však vnieslo určitý rozpor, keďže mnohé feromagnetické materiály nie sú magnetizované pri teplotách pod Curieovým bodom.

Na odstránenie tohto rozporu zaviedol Weiss hypotézu, podľa ktorej je feromagnet pod Curieovým bodom rozdelený na veľké množstvo malých mikroskopických (asi 10 -3 - 10 -2 cm) oblastí - domén spontánne magnetizované do nasýtenia.

Pri absencii vonkajšieho magnetického poľa sú magnetické momenty jednotlivých atómov chaoticky orientované a navzájom sa kompenzujú, preto je výsledný magnetický moment feromagnetika nulový, t.j. feromagnet nie je zmagnetizovaný.

Vonkajšie magnetické pole orientuje pozdĺž poľa magnetické momenty nie jednotlivých atómov ako v paramagnete, ale celých oblastí spontánnej magnetizácie. Preto s rastom H magnetizácia J a magnetickou indukciou B už na slabých poliach rastie pomerne rýchlo.

Rôzne feromagnetické materiály majú rôznu schopnosť viesť magnetický tok. Hlavnou charakteristikou feromagnetického materiálu je magnetická hysterézna slučka B (H)... Táto závislosť určuje hodnotu magnetickej indukcie, ktorá sa vybudí v magnetickom jadre vyrobenom z daného materiálu pri vystavení určitej intenzite poľa.

Zvážte proces obrátenia magnetizácie feromagnetika. Predpokladajme, že bol pôvodne úplne demagnetizovaný. Spočiatku sa indukcia rýchlo zvyšuje kvôli tomu, že magnetické dipóly orientované pozdĺž siločiar poľa, pričom k vonkajšiemu pridávajú svoj vlastný magnetický tok. Potom sa jej rast spomaľuje, keď klesá počet neorientovaných dipólov a nakoniec, keď sú takmer všetky orientované vonkajším poľom, rast indukcie sa zastaví a nastupuje režim nasýtenia.

Hysteréza oneskorenie zmeny indukcie od intenzity magnetického poľa sa nazýva.

Symetrická hysterézna slučka získaná pri maximálnej intenzite poľa H m zodpovedajúce nasýteniu feromagnetika sa nazýva limitný cyklus.

Pre limitný cyklus sú nastavené aj hodnoty indukcie B r pri H= 0, čo sa nazýva zvyšková indukcia a hodnotu H c pri B= 0, tzv donucovacia sila ... Koercitívna (prídržná) sila ukazuje, aká intenzita vonkajšieho poľa by mala pôsobiť na látku, aby sa zvyšková indukcia znížila na nulu.

Tvar a charakteristické body limitného cyklu určujú vlastnosti feromagnetika. Nazývajú sa látky s vysokou zvyškovou indukciou, koercitívnou silou a oblasťou hysteréznej slučky magneticky tvrdé .

Používajú sa na výrobu permanentných magnetov. Látky s nízkou zvyškovou indukciou a oblasťou hysteréznej slučky (krivka 2 na obr. 8a) sú tzv. mäkké magnetické a používajú sa na výrobu magnetických obvodov elektrických zariadení, najmä tých, ktoré pracujú s periodicky sa meniacim magnetickým tokom.

Oblasť hysteréznej slučky charakterizuje prácu, ktorá sa musí vykonať na zvrátenie magnetizácie feromagnetika. Ak by mal byť podľa prevádzkových podmienok magnetizovaný feromagnet, potom by mal byť vyrobený z magneticky mäkkého materiálu, ktorého plocha hysteréznej slučky je malá. Jadrá transformátorov sú vyrobené z mäkkých feromagnetík.

Permanentné magnety sú vyrobené z tvrdých feromagnetík (oceľ a jej zliatiny).

Všetky materiály majú v tej či onej miere magnetické vlastnosti, pretože tieto vlastnosti sú odrazom štrukturálnych zákonov, ktoré sú hmote vlastné na mikroúrovni. Vlastnosti štruktúry spôsobujú rozdiely v magnetických vlastnostiach látok, to znamená v povahe ich interakcie s magnetickým poľom.

Štruktúra hmoty a magnetizmus

Prvú teóriu, vysvetľujúcu podstatu magnetizmu prostredníctvom vzťahu elektrických a magnetických javov, vytvoril francúzsky fyzik J.-M. Ampere v 20. rokoch XIX storočia. V rámci tejto teórie Ampere predpokladal prítomnosť mikroskopických uzavretých prúdov vo fyzických telách, ktoré sa zvyčajne navzájom kompenzujú. Ale v látkach s magnetickými vlastnosťami takéto "molekulové prúdy" vytvárajú povrchový prúd, v dôsledku čoho sa materiál stáva permanentným magnetom. Táto hypotéza sa nepotvrdila, s výnimkou jednej najdôležitejšej myšlienky – o mikroprúdoch ako zdrojoch magnetických polí.

Mikroprúdy v hmote skutočne existujú vďaka pohybu elektrónov v atómoch a vytvárajú magnetický moment. Okrem toho majú elektróny svoj vlastný magnetický moment kvantovej povahy.

Celkový magnetický moment látky, to znamená súhrn elementárnych prúdov v nej vo vzťahu k jednotkovému objemu, určuje stav magnetizácie makroskopického telesa. Vo väčšine látok sú momenty častíc neusporiadane orientované (hlavnú úlohu v tom zohrávajú tepelné chaotické oscilácie) a magnetizácia je prakticky nulová.

Správanie sa hmoty v magnetickom poli

Pôsobením vonkajšieho magnetického poľa menia vektory magnetických momentov častíc smer - telo sa zmagnetizuje a objaví sa v ňom vlastné magnetické pole. Povaha tejto zmeny a jej intenzita, ktoré určujú magnetické vlastnosti látok, sú spôsobené rôznymi faktormi:

• vlastnosti štruktúry elektrónových obalov v atómoch a molekulách hmoty;
• medziatómové a medzimolekulové interakcie;
• znaky štruktúry kryštálovej mriežky (anizotropia);
• teplota látky;
• silu a konfiguráciu magnetického poľa a pod.

Magnetizácia látky je úmerná sile magnetického poľa v nej. Ich pomer je určený špeciálnym koeficientom - magnetickou susceptibilitou. Vo vákuu sa rovná nule, v niektorých látkach je záporná.

Hodnota charakterizujúca pomer magnetickej indukcie a intenzity poľa v látke sa zvyčajne nazýva magnetická permeabilita. Vo vákuu sa indukcia a napätie zhodujú a jeho priepustnosť sa rovná jednote. Magnetickú permeabilitu látky možno vyjadriť ako relatívnu hodnotu. Toto je pomer jeho absolútnych hodnôt pre danú látku a pre vákuum (posledná hodnota sa berie ako magnetická konštanta).

Klasifikácia látok podľa magnetických vlastností

Podľa typu správania rôznych pevných materiálov, kvapalín, plynov v magnetickom poli sa rozlišuje niekoľko skupín:

• diamagnety;
• paramagnety;
• feromagnety;
• Ferimagnety;
• antiferomagnetiká.

Hlavné magnetické charakteristiky látky, ktoré sú základom klasifikácie, sú magnetická susceptibilita a magnetická permeabilita. Poďme charakterizovať hlavné vlastnosti, ktoré sú vlastné každej skupine.

Diamagnetika

Kvôli niektorým štrukturálnym vlastnostiam elektrónových oblakov nemajú atómy (alebo molekuly) diamagnetov magnetický moment. Objaví sa, keď sa objaví vonkajšie pole. Indukované, indukované pole má opačný smer a výsledné pole sa ukazuje byť o niečo slabšie ako vonkajšie. Je pravda, že tento rozdiel nemôže byť významný.

Magnetická susceptibilita diamagnetov sa vyjadruje v záporných číslach rádovo od 10-4 do 10-6 a nezávisí od intenzity poľa; magnetická permeabilita je nižšia ako permeabilita vákua, o rovnakú veľkosť.

Vloženie nehomogénneho magnetického poľa vedie k tomu, že diamagnet je týmto poľom vytlačený, pretože má tendenciu posúvať sa do oblasti, kde je pole slabšie. Účinok diamagnetickej levitácie je založený na tejto vlastnosti magnetických vlastností látok tejto skupiny.

Diamagnety predstavujú širokú skupinu látok. Zahŕňa také kovy ako meď, zinok, zlato, striebro, bizmut. Zahŕňa tiež kremík, germánium, fosfor, dusík, vodík, inertné plyny. Z komplexných látok - voda, mnohé soli, organické zlúčeniny. Ideálne diamagnety sú supravodiče. Ich magnetická permeabilita je nulová. Pole nemôže preniknúť do supravodiča.

Paramagnety

Látky patriace do tejto skupiny sa vyznačujú pozitívnou magnetickou susceptibilitou (veľmi nízkou, rádovo 10-5 - 10-6). Magnetizujú paralelne s vektorom vnúteného poľa, to znamená, že sú doň vťahované, ale interakcia paramagnetov s ním je veľmi slabá, podobne ako u diamagnetov. Ich magnetická permeabilita sa blíži hodnote vákuovej permeability, len ju mierne prevyšuje.

Pri absencii vonkajšieho poľa paramagnety spravidla nemajú magnetizáciu: ich atómy majú svoje vlastné magnetické momenty, ale sú orientované náhodne v dôsledku tepelných vibrácií. Pri nízkych teplotách môžu mať paramagnety malú vlastnú magnetizáciu, ktorá silne závisí od vonkajších vplyvov. Vplyv tepelného pohybu je však príliš veľký, v dôsledku čoho sa elementárne magnetické momenty paramagnetov nikdy nenastavia presne v smere poľa. To je dôvod ich nízkej magnetickej susceptibility.

Významnú úlohu zohrávajú aj sily medziatómových a medzimolekulových interakcií, ktoré podporujú alebo naopak bránia usporiadaniu elementárnych magnetických momentov. To vedie k širokej škále magnetických vlastností látky paramagnetov.

Do tejto skupiny látok patria mnohé kovy, ako volfrám, hliník, mangán, sodík, horčík. Kyslík, soli železa a niektoré oxidy sú paramagnety.

Feromagnety

Existuje malá skupina látok, ktoré majú vďaka svojim štruktúrnym vlastnostiam veľmi vysoké magnetické vlastnosti. Prvým kovom, ktorý tieto vlastnosti vykazoval, bolo železo a vďaka nemu dostala táto skupina názov feromagnety.

Štruktúra feromagnetík sa vyznačuje prítomnosťou špeciálnych štruktúr - domén. Sú to oblasti, kde sa magnetizácia vytvára spontánne. Vzhľadom na zvláštnosti medziatómových a medzimolekulových interakcií vo feromagnetoch je stanovené energeticky najvýhodnejšie usporiadanie atómových a elektronických magnetických momentov. Nadobudnú paralelnú orientáciu v takzvaných smeroch ľahkej magnetizácie. Celý objem napríklad kryštálu železa však nemôže nadobudnúť jednosmernú spontánnu magnetizáciu – tým by sa zvýšila celková energia systému. Preto je systém rozdelený na sekcie, ktorých spontánna magnetizácia sa vo feromagnetickom telese navzájom kompenzuje. Takto vznikajú domény.

Magnetická susceptibilita feromagnetík je extrémne vysoká, môže sa pohybovať od niekoľkých desiatok do stoviek tisíc a do značnej miery závisí od sily vonkajšieho poľa. Dôvodom je, že orientácia domén v smere poľa sa tiež ukazuje ako energeticky priaznivá. Smer vektora magnetizácie niektorých domén sa bude nevyhnutne zhodovať s vektorom intenzity poľa a ich energia bude najmenšia. Takéto oblasti sa rozširujú a zároveň sa nevýhodne orientované domény zmenšujú. Zvyšuje sa magnetizácia a zvyšuje sa magnetická indukcia. Proces je nerovnomerný a graf vzťahu medzi indukciou a silou vonkajšieho poľa sa nazýva magnetizačná krivka feromagnetickej látky.

Keď teplota stúpne na určitú prahovú hodnotu, nazývanú Curieho bod, štruktúra domény je narušená v dôsledku zvýšeného tepelného pohybu. Za týchto podmienok feromagnetikum vykazuje paramagnetické vlastnosti.

Okrem železa a ocele sú feromagnetické vlastnosti vlastné kobaltu a niklu, niektorým zliatinám a kovom vzácnych zemín.

Ferimagnety a antiferomagnety

Štruktúra domény je charakteristická aj pre dva typy magnetov, ale magnetické momenty v nich sú orientované antiparalelne. Ide o skupiny ako:

• Antiferomagnetiká. Magnetické momenty domén v týchto látkach sú číselne rovnaké a vzájomne kompenzované. Z tohto dôvodu sa magnetické vlastnosti antiferomagnetických materiálov vyznačujú extrémne nízkou magnetickou susceptibilitou. Vo vonkajšom poli sa prejavujú ako veľmi slabé paramagnety. Nad prahovou teplotou, nazývanou Neelov bod, sa takáto látka stáva obyčajným paramagnetom. Antiferomagnetiká sú chróm, mangán, niektoré kovy vzácnych zemín, aktinidy. Niektoré antiferomagnetické zliatiny majú dva Neelove hroty. Keď je teplota pod dolnou hranicou, materiál sa stáva feromagnetickým.
• Ferrimagnety. Pre látky tejto triedy nie sú hodnoty magnetických momentov rôznych štruktúrnych jednotiek rovnaké, v dôsledku čoho nedochádza k ich vzájomnej kompenzácii. Ich magnetická susceptibilita závisí od teploty a sily magnetizačného poľa. Ferimagnety zahŕňajú ferity obsahujúce oxid železa.

Pojem hysteréza. Permanentný magnetizmus

Feromagnetické a ferimagnetické materiály majú vlastnosť remanencie. Táto vlastnosť je spôsobená fenoménom hysterézie - oneskorenia. Jeho podstata spočíva v oneskorení zmeny magnetizácie materiálu od zmeny vonkajšieho poľa. Ak sa po dosiahnutí saturácie zníži intenzita poľa, magnetizácia sa nezmení v súlade s magnetizačnou krivkou, ale šetrnejším spôsobom, pretože významná časť domén zostáva orientovaná v súlade s vektorom poľa. Vďaka tomuto javu existujú permanentné magnety.

K demagnetizácii dochádza pri zmene smeru poľa, keď dosiahne určitú hodnotu, nazývanú koercitívna (retardujúca) sila. Čím väčšia je jeho hodnota, tým lepšie si látka zachováva zvyškovú magnetizáciu. Uzavretie hysteréznej slučky nastáva pri ďalšej zmene napätia v smere a veľkosti.

Magnetická tvrdosť a mäkkosť

Fenomén hysterézie silne ovplyvňuje magnetické vlastnosti materiálov. Látky, v ktorých je slučka roztiahnutá na hysteréznom grafe a vyžadujúce na demagnetizáciu značnú koercitívnu silu, sa nazývajú magneticky tvrdé, materiály s úzkou slučkou, ktoré sa demagnetizujú oveľa ľahšie, sa nazývajú magneticky mäkké.

V striedavých poliach je magnetická hysteréza obzvlášť výrazná. Vždy je sprevádzané uvoľňovaním tepla. Okrem toho vznikajú v magnete v striedavom magnetickom poli vírivé indukčné prúdy, ktoré uvoľňujú obzvlášť veľké množstvo tepla.

Mnohé feromagnety a ferimagnety sa používajú v zariadeniach pracujúcich na striedavý prúd (napríklad jadrá elektromagnetov) a sú počas prevádzky neustále magnetizované. Aby sa znížili straty energie spôsobené hysteréziou a dynamické straty spôsobené vírivými prúdmi, takéto zariadenia používajú mäkké magnetické materiály, ako je čisté železo, ferity, elektroocele, zliatiny (napríklad permalloy). Existujú aj iné spôsoby, ako minimalizovať plytvanie energiou.

Naproti tomu pevné látky sa používajú v zariadeniach pracujúcich v konštantnom magnetickom poli. Zvyškovú magnetizáciu si zachovajú oveľa dlhšie, no ťažšie sa zmagnetizujú do nasýtenia. Mnohé z nich sú v súčasnosti rôzne typy kompozitov, napríklad cermetové alebo neodýmové magnety.

Trochu viac o použití magnetických materiálov

Moderné high-tech odvetvia vyžadujú použitie magnetov vyrobených z konštrukčných materiálov, vrátane kompozitných materiálov so špecifikovanými magnetickými vlastnosťami látok. Takými sú napríklad magnetické nanokompozity feromagnet-supravodič alebo feromagnet-paramagnet využívané v spintronike, alebo magnetopolyméry - gély, elastoméry, latexy, ferofluidy, ktoré sú široko používané.

Rôzne magnetické zliatiny sú tiež veľmi žiadané. Zliatina neodýmu, železa a bóru sa vyznačuje vysokou odolnosťou voči demagnetizácii a napájaniu: vyššie uvedené neodýmové magnety, ktoré sú doteraz najsilnejšími permanentnými magnetmi, sa používajú v širokej škále priemyselných odvetví, a to aj napriek niektorým nevýhodám, ako napr. ako krehkosť. Používajú sa v magnetických rezonančných strojoch, veterných turbínach, pri čistení technických kvapalín a pri zdvíhaní ťažkých bremien.

Veľmi zaujímavé sú perspektívy využitia antiferomagnetov v nízkoteplotných nanoštruktúrach na výrobu pamäťových buniek, ktoré umožňujú výrazne zvýšiť hustotu záznamu bez narušenia stavu susedných bitov.

Je potrebné predpokladať, že využitie magnetických vlastností látok s danými vlastnosťami sa bude stále viac rozširovať a prináša vážne technologické prelomy v rôznych oblastiach.

Akákoľvek látka je magnetická, t.j. je schopný získať magnetický moment (magnetizáciu) vplyvom magnetického poľa. Podľa veľkosti a smeru tohto momentu, ako aj z dôvodov, ktoré ho vyvolali, sú všetky látky rozdelené do skupín. Hlavnými sú dia- a paramagnety.

Molekuly diamagnetu nemajú svoj vlastný magnetický moment. Vzniká v nich len vplyvom vonkajšieho magnetického poľa a smeruje proti nemu. Výsledné magnetické pole v diamagnete je teda menšie ako vonkajšie pole, aj keď o veľmi malé množstvo. To vedie k tomu, že keď je diamagnet umiestnený v nehomogénnom magnetickom poli, má tendenciu posúvať sa do oblasti, kde je napätie magnetického poľa menšie.

Molekuly (alebo atómy) paramagnetu majú svoje vlastné magnetické momenty, ktoré sa pôsobením vonkajších polí orientujú pozdĺž poľa a vytvárajú tak výsledné pole, ktoré prevyšuje vonkajšie pole. Paramagnety sú vťahované do magnetického poľa. Takže napríklad kvapalný kyslík je paramagnetický, priťahuje ho magnet.

Magnetická permeabilita konkrétnej látky závisí od mnohých faktorov: sila magnetického poľa, tvar uvažovaného poľa (keďže konečné rozmery akéhokoľvek magnetu vedú k vzniku protipoľa, ktoré znižuje počiatočné pole), teplota , frekvencia zmien magnetického poľa, prítomnosť štrukturálnych defektov atď.

Existuje množstvo látok, v ktorých kvantové účinky medziatómových interakcií vedú k objaveniu sa špecifických magnetických vlastností.

Najzaujímavejšou vlastnosťou je feromagnetizmus. Je charakteristická pre skupinu látok v pevnom kryštalickom stave (feromagnety), vyznačujúca sa paralelnou orientáciou magnetických momentov atómových nosičov magnetizmu.

Paralelná orientácia magnetických momentov existuje v pomerne veľkých oblastiach hmoty - doménach. Celkové magnetické momenty jednotlivých domén sú veľmi veľké, ale samotné domény sú zvyčajne v hmote orientované náhodne. Pri pôsobení magnetického poľa sú domény orientované, čo vedie k vzniku celkového magnetického momentu v celom objeme feromagnetika a v dôsledku toho k jeho magnetizácii.

Prirodzene, feromagnety, podobne ako paramagnety, sa pohybujú do bodu poľa, kde je intenzita maximálna (sú vťahované do magnetického poľa). Vzhľadom na veľkú hodnotu magnetickej permeability je sila pôsobiaca na ne oveľa väčšia.

Existencia domén vo feromagnetikách je možná len pod určitou teplotou (Curieho bod). Nad Curieho bodom tepelný pohyb porušuje usporiadanú štruktúru domén a feromagnet sa stáva obyčajným paramagnetom.

Teplotný rozsah Curie pre feromagnetika je veľmi široký: pre radolínium je Curieho teplota 20 0 C, pre čisté železo - 1043 K. Takmer vždy je možné vybrať látku s požadovanou Curieho teplotou.

S poklesom teploty všetky paramagnety, okrem tých, v ktorých je paramagnetizmus spôsobený vodivými elektrónmi, prechádzajú buď do feromagnetického alebo antiferomagnetického stavu.

Niektoré látky (chróm, mangán) majú svoje magnetické momenty elektrónov orientované antiparalelne (k sebe). Táto orientácia pokrýva susedné atómy a ich magnetické momenty sa navzájom rušia. Výsledkom je, že antiferomagnety majú extrémne nízku magnetickú susceptibilitu a správajú sa ako veľmi slabé paramagnety.

Pre antiferomagnety existuje aj teplota, pri ktorej mizne antiparalelná orientácia spinov. Táto teplota sa nazýva antiferomagnetický Curieov bod alebo Néelov bod.

Niektoré feromagnety (erbín, diobrozín, mangán a zliatiny medi) majú dve takéto teploty (horný a dolný Neelov bod) a antiferomagnetické vlastnosti sa pozorujú iba pri stredných teplotách. Nad horným bodom sa látka správa ako paramagnet a pri teplotách pod dolným bodom Néel sa z nej stáva feromagnet.

Nevratná zmena magnetizácie feromagnetickej vzorky v slabom konštantnom magnetickom poli s cyklickou zmenou teploty sa nazýva teplotná magnetická hysteréza. Existujú dva typy hysterézie spôsobené zmenami v doméne a kryštálovej štruktúre. V druhom prípade je Curieov bod pri zahrievaní vyšší ako pri chladení.

Ferrimagnetizmus - (alebo nekompenzovaný antiferomagnetizmus) súbor magnetických vlastností látok (feromagnetov) v pevnom skupenstve, v dôsledku prítomnosti interakcie výmeny elektrónov a elektrónov vo vnútri tela, ktorá má tendenciu vytvárať antiparalelnú orientáciu susedných magnetických momentov atómu. Na rozdiel od antiferomagnetov sa susedné opačne orientované magnetické momenty z nejakého dôvodu navzájom úplne nekompenzujú. Správanie sa ferimagnetu vo vonkajšom poli je v mnohých ohľadoch podobné feromagnetiku, ale teplotná závislosť vlastností má inú podobu: niekedy existuje kompenzačný bod pre celkový magnetický moment pri teplote pod Néelovým bodom. Podľa elektrických vlastností sú feromagnety dielektriká alebo polovodiče.

Superparamagnetizmus je kváziparamagnetické správanie systémov pozostávajúcich zo súboru extrémne malých fero- alebo ferimagnetických častíc. Častice týchto látok v rozhodne malých veľkostiach prechádzajú do jednodoménového stavu s homogénnou spontánnou magnetizáciou v celom objeme častice. Súbor takýchto látok sa správa vo vzťahu k pôsobeniu vonkajšieho magnetického poľa a teploty ako paramagnetický plyn (zliatiny medi a kobaltu, jemný niklový prášok a pod.).

Veľmi malé častice antiferomagnetík majú tiež špeciálne vlastnosti, podobné superparamagnetizmu, pretože porušujú úplnú kompenzáciu magnetických momentov. Podobné vlastnosti majú tenké feromagnetické filmy.

Superparamagnetizmus sa používa v jemných štruktúrnych štúdiách, v metódach nedeštruktívneho určovania veľkosti, tvaru, množstva a zloženia magnetickej fázy atď.

Piezomagnety sú látky, v ktorých pri pôsobení elastických napätí dochádza k spontánnemu magnetickému efektu, úmernému prvej mocnine veľkosti napätí. Tento efekt je veľmi malý a najľahšie sa dá zistiť v antiferomagnetikách.

Magnetoelektriká sú látky, v ktorých po umiestnení do elektrického poľa vzniká magnetický moment, úmerný hodnote poľa.

Pri interakcii s magnetickým poľom sa menia nielen magnetické vlastnosti látok, ale aj iné – mechanické, tepelné, elektrické, optické a dokonca aj chemické.

V praxi sa využívajú všetky zmeny vlastností látky v magnetickom poli.

Jedna zo zaujímavých príklady využitia pôsobenia magnetického poľa na látku je "Magnetizácia" vody... Voda po prechode magnetickým poľom získava nové vlastnosti. Takáto voda netvorí vodný kameň v parných kotloch, čo umožňuje jej použitie bez dodatočnej chemickej úpravy. Betón zmiešaný s „magnetizovanou“ vodou je pevnejší ako obyčajný betón.

Fenomén zosilnenia magnetického poľa feromagnetmi sa využíva v rôznych elektrické spotrebiče: elektromagnetické žeriavy, relé, elektromotory, transformátory. Na to sa používajú špeciálne druhy elektroocele (obr. 6.34).

Je ťažké si predstaviť modernu rádiovej elektroniky bez prvkov vyrobených z umelých feromagnetík - ferit... Vyrábajú sa z nich antény, jadrá oscilačných obvodov a transformátory. Feritové permanentné magnety sú široko používané.

Je ťažké si predstaviť moderné metódy zaznamenávania informácií... Typickým príkladom magnetofónu je magnetofón (obrázok 6.35). Toto zariadenie používa špeciálny film pokrytý tenkou vrstvou feromagnetického materiálu. Striedavý elektrický prúd zo zosilňovača vstupuje do špeciálnej záznamovej hlavy - cievky s feromagnetickým jadrom, v ktorej je úzka štrbina. Pri prechode striedavého prúdu cievkou sa v štrbine hlavy objaví striedavé magnetické pole, ktorého magnetická indukcia sa mení. Keď fólia prechádza cez hlavu, zostáva na nej séria magnetizovaných oblastí, ktoré zodpovedajú striedavému prúdu, ktorý je privádzaný do hlavy. Podobný fyzikálny proces nastáva, keď sa informácie zaznamenávajú na pevný disk v modernom počítači (obr. 6.36).

Pri prehrávaní zaznamenanej informácie sa film posúva nad magnetickou hlavou, kde vplyvom elektromagnetickej indukcie vzniká striedavý elektrický prúd, ktorý sa po zosilnení elektrónkovým zosilňovačom privádza do reproduktora alebo iného analyzačného zariadenia. Materiál zo stránky

Ryža. 6.36. Pevný disk počítača

Na tejto stránke materiál k témam:

• Stručný prehľad magnetických vlastností hmoty

• Správa o aplikácii magnetických vlastností v látkach

• Využitie magnetických vlastností látok

• Povaha magnetických vlastností hmoty

• Ostroha ampérovej sily

Otázky k tomuto materiálu: