Magnetické vlastnosti látek. Klasifikace látek magnetickými vlastnostmi

Tak či onak, všechny materiály mají magnetické vlastnosti, protože tyto vlastnosti jsou odrazem strukturálních vzorků vlastních hmotě na mikro úrovni. Vlastnosti struktury způsobují rozdíly v magnetických vlastnostech látek, tj. V povaze jejich interakce s magnetickým polem.

Struktura hmoty a magnetismus

První teorie vysvětlující povahu magnetismu prostřednictvím vzájemného vztahu elektrických a magnetických jevů vytvořil francouzský fyzik J.-M. Ampere v 20. letech 19. století. V rámci této teorie navrhl Ampere přítomnost mikroskopických uzavřených proudů ve fyzických tělech, které se obvykle navzájem kompenzují. Pro látky s magnetickými vlastnostmi vytvářejí tyto "molekulární proudy" povrchový proud, v důsledku čehož se materiál stává permanentní magnet. Tato hypotéza nebyla potvrzena, s výjimkou jedné velmi důležité myšlenky - o mikrocurrents jako zdroje magnetických polí.

Mikrokurenty v hmotě existují kvůli pohybu elektronů v atomu a vytvářejí magnetický moment. Kromě toho elektrony mají svůj vlastní magnetický moment kvantové povahy.

Celkový magnetický moment látky, tj. Agregát elementárních proudů v ní, ve vztahu k jednotkovému objemu, určuje stav magnetizace makroskopického tělesa. Pro většinu látek jsou momenty částic namířeny náhodně (tepelné chaotické kmity hrají hlavní roli v tomto) a magnetizace je téměř nulová.

Chování látky v magnetickém poli

Pod působením vnějšího magnetického pole vektory magnetických momentů částic mění směr - tělo je magnetizováno a v něm se objevuje vlastní magnetické pole. Povaha této změny a její intenzita, které určují magnetické vlastnosti látek, jsou způsobeny různými faktory:

• strukturní znaky elektronových skořepin v atomech a molekulách hmoty;
• interatomická a intermolekulární interakce;
• funkce krystalové mřížové struktury (anizotropie);
• teplota látky;
• intenzita a konfigurace magnetického pole a tak dále.

Magnetizace látky je úměrná intenzita magnetického pole v něm. Jejich poměr je určen zvláštním koeficientem - magnetickou citlivostí. Ve vakuu je nulová, některé látky jsou negativní.

Hodnota charakterizující poměr magnetické indukce a intenzita pole v látce se obvykle nazývá magnetickou permeabilitou. Ve vakuu se indukce a intenzita shodují a jeho propustnost se rovná jednotě. Magnetická propustnost látky může být vyjádřena jako relativní hodnota. To je poměr jeho absolutních hodnot pro danou látku a pro vakuum (druhá hodnota je považována za magnetickou konstantu).

Klasifikace látek magnetickými vlastnostmi

Podle typu chování různých pevných látek, kapalin a plynů v magnetickém poli se rozlišují různé skupiny:

• diamagnetické;
• paramagnetický;
• ferromagnety;
• ferimagnetika;
• antiferromagnetiky.

Hlavní magnetické charakteristiky látky, která je základem klasifikace, jsou magnetická citlivost a magnetická permeabilita. Charakterizujeme základní vlastnosti jednotlivých skupin.

Diamagnetika

Vzhledem k některým strukturním charakteristikám elektronových mraků nemají atomy (nebo molekuly) diamagnetických materiálů žádný magnetický moment. Objeví se, když se objeví externí pole. Indukované indukované pole má opačný směr a výsledné pole je poněkud slabší než vnější. Je pravda, že tento rozdíl nemůže být významný.

Magnetická citlivost diamagnetického je vyjádřena zápornými čísly řádově ^10-4 až ^10-6 a nezávisí na intenzitě pole; magnetická permeabilita je nižší než u vakua, stejným pořadím.

Uložení nerovnoměrného magnetického pole vede k tomu, že diamagnetické pole je vytlačeno tímto polem, protože má sklon k posunu do oblasti, kde je pole slabší. Účinek diamagnetické levitace je založen na této vlastnosti magnetických vlastností látek této skupiny.

Diamagnetické představují rozsáhlou skupinu látek. Zahrnuje kovy jako měď, zinek, zlato, stříbro, vizmut. Obsahuje také křemík, germanium, fosfor, dusík, vodík, inertní plyny. Z komplexních látek - voda, mnoho solí, organické sloučeniny. Ideální diamagnety jsou supravodiče. Jejich magnetická propustnost je nulová. Pole uvnitř supravodiče nemůže proniknout.

Paramagnetika

Látky patřící do této skupiny jsou charakterizovány pozitivní magnetickou susceptibilitou (velmi nízkou, řadu ^10-5-10-6 ). Jsou magnetizovány paralelně s vektorem aplikovaného pole, to znamená, že jsou do něj vtaženy, ale interakce paramagnetického s ním je velmi slabá, jako u diamagnetického. Jejich magnetická permeabilita je blízká hodnotě propustnosti pro vakuum, jen nepatrně překračuje.

Při absenci vnějšího pole paramagnetické materiály zpravidla nemají magnetizaci: jejich atomy mají své vlastní magnetické momenty, ale jsou náhodně orientovány kvůli tepelným oscilacím. Při nízkých teplotách mohou mít paramagnetické materiály vlastní malou magnetizaci, která je silně závislá na vnějších vlivech. Ovšem vliv tepelného pohybu je příliš velký, v důsledku čehož nejsou elementární magnetické momenty paramagnetických materiálů nastaveny přesně ve směru pole. To je důvod jejich nízké magnetické náchylnosti.

Síly interatomických a intermolekulárních interakcí také hrají významnou roli, ať už přispívají k, nebo naopak odporují uspořádání elementárních magnetických momentů. To způsobuje širokou škálu magnetických vlastností látky paramagnetických materiálů.

Tato skupina látek obsahuje mnoho kovů, jako například wolfram, hliník, mangan, sodík, hořčík. Paramagnetické jsou kyslík, soli železa, některé oxidy.

Ferromagnetics

Existuje malá skupina látek, které vzhledem ke zvláštnostem struktury mají velmi vysoké magnetické vlastnosti. První kov, ve kterém byly tyto vlastnosti objeveny, byl železo a díky němu mu tato skupina dostala jméno feromagnetika.

Struktura feromagnetů se vyznačuje přítomností speciálních struktur - domén. Jsou to oblasti, kde se magnetizace spontánně vytváří. Vzhledem k zvláštnostem interatomických a intermolekulárních interakcí ferromagnety vytvářejí energeticky nejvýhodnější uspořádání atomových a elektronických magnetických momentů. Získávají paralelní směr v takzvaných směrech snadné magnetizace. Celý objem, například železného krystalu, nemůže získat jednosměrnou spontánní magnetizaci - což by zvýšilo celkovou energii systému. Proto je systém rozdělen na části, jejichž spontánní magnetizace se v feromagnetickém těle vzájemně kompenzuje. Tak vzniknou domény.

Magnetická citlivost ferromagnetů je extrémně vysoká, může být od několika desítek do stovek tisíc a do značné míry závisí na síle vnějšího pole. Důvodem je, že orientace domén ve směru pole se také ukazuje jako energeticky příznivá. Směr magnetizačního vektoru části domén se nutně shoduje s vektorem intenzity pole a jejich energie bude nejmenší. Tyto oblasti narůstají a zároveň se snižují neziskové orientované domény. Magnetizace se zvyšuje a magnetická indukce se zvyšuje. Proces je nerovnoměrný a graf spojení indukce s intenzitou vnějšího pole se nazývá magnetizační křivka feromagnetické látky.

Když teplota stoupne na určitou prahovou hodnotu nazývanou bod Curie, struktura domény je narušena kvůli zvýšenému tepelnému pohybu. Za těchto podmínek má feromagnet paramagnetické vlastnosti.

Kromě železa a oceli jsou feromagnetické vlastnosti spojené s kobaltem a niklem, některými slitinami a kovy vzácných zemin.

Ferimagnetika a antiferromagnety

Struktura domény je také charakteristická pro dva typy magnetických materiálů, ale magnetické momenty v nich jsou orientované protiparalelně. Jedná se o skupiny, jako jsou:

• Antiferromagnetika. Magnetické momenty domén v těchto látkách jsou v číselné hodnotě stejné a vzájemně kompenzovány. Z tohoto důvodu jsou magnetické vlastnosti materiálů antiferromagnetů charakterizovány extrémně nízkou magnetickou citlivostí. Ve vnější oblasti se projevují jako velmi slabé paramagnetiky. Nad prahovou teplotou nazývanou bodem Neel se taková látka stává obyčejným paramagnetickým. Antiferromagnety jsou chróm, mangan, některé kovy vzácných zemin, aktinidy. Některé antiferomagnetické slitiny mají dva Neelovy body. Když je teplota pod dolní hranicí, materiál se stává feromagnetickým.
• Ferimagnetika. Pro látky této třídy nejsou velikosti magnetických momentů různých strukturních jednotek stejné, kvůli nimž nedochází k jejich vzájemné kompenzaci. Jejich magnetická citlivost závisí na teplotě a intenzitě magnetizačního pole. Ferrimagnetika zahrnuje ferity, které zahrnují oxid železa.

Koncept hystereze. Trvalý magnetismus

Feromagnetické a ferimagnetické materiály mají vlastnost zbytkové magnetizace. Tato vlastnost je způsobena fenoménem hystereze - zpoždění. Její podstatou je zpomalení změny magnetizace materiálu ze změny vnějšího pole. Pokud se při dosažení saturace sníží intenzita pole, magnetizace se nezmění v souladu s křivkou magnetizace, ale jemnějším způsobem, jelikož významná část domén zůstává orientována podle vektorového pole. Kvůli tomuto jevu existují permanentní magnety.

Degaussing nastane, když pole změní směr, když dosáhne určité hodnoty, nazvaný donucovací (retarding) síla. Čím větší je hodnota, tím lépe uchovává zbytkovou magnetizaci. Uzavření hystereze se provádí při další změně napětí ve směru a velikosti.

Magnetická tvrdost a měkkost

Fenomén hystereze výrazně ovlivňuje magnetické vlastnosti materiálů. Látky, u nichž je smyčka na grafu hystereze rozšířena a vyžadují značnou koercitivní sílu pro demagnetizaci, se nazývají magneticky tvrdé materiály s úzkou smyčkou, které jsou mnohem snazší demagnetizovat - magneticky měkké.

Ve střídavých polích se zdá, že magnetická hystereze je zvláště jasná. Je vždy doprovázena teplem. Navíc ve střídavém magnetickém poli v magnetickém poli se vyskytují vířivé indukční proudy, které emitují obzvláště velké množství tepla.

Mnoho feromagnetů a ferimagnetů se používá v zařízeních pracujících na střídavém proudu (například jádra elektromagnetů) a během provozu se remagnetizují. Za účelem snížení energetických ztrát způsobených hysterezí a dynamickými ztrátami vířivých proudů se v takovém zařízení používají magnetické zařízení, jako je čistá železo, ferity, elektrické oceli a slitiny (například permalloy). Existují další způsoby, jak minimalizovat ztráty energie.

Pevná tělesa jsou naopak používána v zařízeních pracujících na konstantním magnetickém poli. Ponechávají si zbytkovou magnetizaci mnohem déle, ale jsou těžší magnetizovat až do nasycení. Mnohé z nich jsou v současnosti kompozity různých druhů, například kov-keramické nebo neodymové magnety.

Trochu víc o používání magnetických materiálů.

Moderní špičkové technologie vyžadují použití magnetů vyrobených ze strukturních materiálů, včetně kompozitních materiálů se specifikovanými magnetickými vlastnostmi látek. Jsou to například magnetické nanokompozity feromagnetového supravodiče nebo feromagnetového paramagnetu používaného ve spintronice nebo magnetopolymery - gely, elastomery, latexy, ferrofluidy, které jsou široce používány.

Různé magnetické slitiny jsou také velmi žádané. Slitina neodymu, železa a bóru je charakterizována vysokou odolností vůči demagnetizaci a výkonu: výše uvedené neodymové magnety, které jsou dnes nejmocnějšími permanentními magnety, se používají v nejrůznějších průmyslových odvětvích navzdory přítomnosti některých nevýhod jako je křehkost. Používají se v magnetických rezonančních snímačích, větrných turbínách, při čištění technických kapalin a při zvedání těžkých břemen.

Velmi zajímavé jsou vyhlídky na použití antiferromagnetů v nízkoteplotních nanostrukturách pro výrobu paměťových buněk, které umožňují podstatné zvýšení hustoty záznamu bez narušení stavu sousedních bitů.

Je třeba předpokládat, že aplikace magnetických vlastností látek s danými vlastnostmi se bude stále více rozšiřovat a poskytne vážné technologické průlomy v různých oblastech.