Магнитни свойства на веществата. Класификация на веществата чрез магнитни свойства

По един или друг начин всички материали имат магнитни свойства, тъй като тези свойства са отражение на структурните модели, присъщи на материята на микроравнище. Характеристиките на структурата причиняват разлики в магнитните свойства на веществата, т.е. в характера на тяхното взаимодействие с магнитното поле.

Структурата на материята и магнетизма

Първата теория, обясняваща природата на магнетизма чрез взаимовръзката между електрически и магнитни явления, е създадена от френския физик Й.-М. Ампер през 20-те години на XIX век. В рамките на тази теория Амър предлага наличието на микроскопични затворени течения във физически тела, които обикновено се компенсират. Но за вещества с магнитни свойства такива "молекулярни течения" създават повърхностен ток, в резултат на което материалът става постоянен магнит. Тази хипотеза не беше потвърдена, с изключение на една много важна идея - за микрострумите като източници на магнитни полета.

Микрострумите в материята съществуват поради движението на електрони в атомите и създават магнитен момент. Освен това електроните имат свой магнитен момент на квантовата природа.

Общият магнитен момент на вещество, т.е. агрегатът от елементарни токове в него, по отношение на единица обем, определя състоянието на намагнитване на макроскопичното тяло. За повечето от веществата моментите на частиците са ориентирани случайно (термичните хаотични осцилации играят водеща роля в това) и намагнитването е почти нулево.

Поведение на веществото в магнитно поле

Под действието на външно магнитно поле векторите на магнитните моменти на частиците променят посоката си - тялото е намагничено и в него се появява собствено магнитно поле. Природата на тази промяна и нейната интензивност, които определят магнитните свойства на веществата, се дължат на различни фактори:

• структурни особености на електронните обвивки в атомите и молекулите на материята;
• междуатомни и междумолекулни взаимодействия;
• характеристики на структурата на кристалната решетка (анизотропия);
• температура на веществото;
• интензивност и конфигурация на магнитното поле и т.н.

Намагнитването на веществото е пропорционално силата на магнитното поле в него. Съотношението им се определя от специален коефициент - магнитна чувствителност. При вакуум е нула, някои вещества са отрицателни.

Стойността, характеризираща съотношението на магнитната индукция и силата на полето в дадено вещество, обикновено се нарича магнитна проницаемост. Във вакуум индукцията и интензивността съвпадат и нейната пропускливост е равна на единството. Магнитната пропускливост на веществото може да бъде изразена като относителна стойност. Това е съотношението на неговите абсолютни стойности за дадено вещество и за вакуум (последната стойност се приема като магнитна константа).

Класификация на веществата чрез магнитни свойства

В зависимост от типа поведение на различни твърди материали, течности, газове в магнитно поле, се различават няколко групи:

• диамагнитно;
• парамагнитен;
• ferromagnets;
• ferrimagnets;
• antiferromagnets.

Основните магнитни характеристики на веществото, което е в основата на класификацията, са магнитната чувствителност и магнитната пропускливост. Характеризираме основните свойства, присъщи на всяка група.

diamagnetics

Поради някои структурни особености на електронните облаци, атомите (или молекулите) на диамагнитните материали нямат магнитен момент. Тя се появява, когато се появи външно поле. Индуцираното индуцирано поле има обратна посока, а полученото поле е малко по-слабо от външното. Вярно е, че тази разлика не може да бъде значителна.

Магнитната възприемчивост на диамагнетик се изразява с отрицателни числа с порядък от 10 ^-4 до 10 ^-6 и не зависи от силата на полето; магнитната пропускливост е по-ниска от тази на вакуума, със същия порядък.

Налагането на неравномерно магнитно поле води до факта, че диамагнетикът е изтласкан от това поле, тъй като има тенденция да се измести към област, където полето е по-слабо. Влиянието на диамагнитната левитация се основава на тази характеристика на магнитните свойства на веществата от тази група.

Диамагнетикът представлява обширна група вещества. Той включва метали като мед, цинк, злато, сребро, бисмут. Той включва също силиций, германий, фосфор, азот, водород, инертни газове. От сложните вещества - вода, много соли, органични съединения. Идеалните диамагнети са свръхпроводници. Тяхната магнитна пропускливост е нула. Полето в свръхпроводника не може да проникне.

парамагнитен

Веществата, принадлежащи към тази група, се характеризират с положителна магнитна чувствителност (много ниска, от порядъка на 10 ^-5 - 10 ^-6 ). Те са намагнетизирани успоредно на вектора на наложеното поле, т.е. те са вкарани в него, но взаимодействието на парамагнитното с него е много слабо, както при диамагнитното. Тяхната магнитна пропускливост е близка до стойността на вакуумната пропускливост, но само леко надвишава тази.

При липса на външно поле парамагнитните материали, като правило, не притежават намагнитване: техните атоми имат свои собствени магнитни моменти, но са произволно ориентирани поради термични колебания. При ниски температури парамагнитните материали могат да имат собствена малка намагнитност, която е силно зависима от външни влияния. Влиянието на топлинното движение обаче е твърде голямо, в резултат на което елементарните магнитни моменти на парамагнитни материали никога не се поставят точно по посока на полето. Това е причината за тяхната ниска магнитна възприемчивост.

Силите на междуатомните и междумолекулните взаимодействия също играят значителна роля, допринасяйки или, напротив, противопоставяйки се на подреждането на елементарни магнитни моменти. Това причинява голямо разнообразие от магнитни свойства на веществото от парамагнитни материали.

Тази група вещества включва много метали, като волфрам, алуминий, манган, натрий, магнезий. Парамагнитните са кислород, железни соли, някои оксиди.

ferromagnets

Има малка група вещества, които поради особеностите на структурата имат много високи магнитни свойства. Първият метал, в който са открити тези качества, е желязо и благодарение на него тази група е получила името феромагнетици.

Структурата на феромагнитите се характеризира с наличието на специални структури - домейни. Това са зони, където намагнитването се формира спонтанно. Поради особеностите на междуатомните и междумолекулните взаимодействия, феромагнетите създават най-енергично благоприятното разположение на атомните и електронните магнитни моменти. Те придобиват паралелна посока в т. Нар. Посоки на лесна намагнитване. Обаче целият обем, например на кристал от желязо, не може да придобие еднопосочно спонтанно намагнитване - това би увеличило общата енергия на системата. Следователно, системата е разделена на секции, спонтанното намагнитване на които в феромагнитното тяло се компенсира. Така се формират домейните.

Магнитната чувствителност на феромагнитите е изключително висока, може да бъде от няколко десетки до стотици хиляди и до голяма степен зависи от силата на външното поле. Причината за това е, че ориентацията на областите в посоката на полето също се оказва енергийно благоприятна. Посоката на вектора на намагнитването на част от областите непременно ще съвпадне с вектора на напрегнатостта на полето, а тяхната енергия ще бъде най-малка. Подобни области нарастват и в същото време се намаляват нерентабилните ориентирани области. Намагничаването се увеличава и магнитната индукция се увеличава. Процесът е неравномерен, а графиката на връзката на индукцията с интензитета на външното поле се нарича крива на намагнитване на феромагнитната субстанция.

Когато температурата се повиши до определена прагова стойност, наречена точка на Кюри, структурата на домейна се нарушава поради увеличеното топлинно движение. При тези условия феромагнетикът проявява парамагнитни свойства.

В допълнение към желязото и стоманата, феромагнитните свойства са присъщи на кобалт и никел, някои сплави и редкоземни метали.

Феримагнетици и антиферомагнети

Структурата на домейна е характерна и за два вида магнитни материали, но магнитните моменти в тях са ориентирани антипаралелно. Това са групи като:

• Antiferromagnets. Магнитните моменти на областите в тези вещества са равни по числена стойност и взаимно компенсирани. Поради тази причина магнитните свойства на материалите на антиферомагнетиците се характеризират с изключително ниска магнитна възприемчивост. Във външното поле те се проявяват като много слаби парамагнетици. Над праговата температура, наречена точка Neel, такова вещество става обикновен парамагнит. Антиферомагнетиците са хром, манган, някои редкоземни метали, актиниди. Някои антиферромагнитни сплави имат две точки Neel. Когато температурата е под долния праг, материалът става феромагнетик.
• Ferrimagnets. За вещества от този клас, магнитудите на магнитните моменти на различните структурни единици не са равни, поради което не възниква тяхната взаимна компенсация. Магнитната им чувствителност зависи от температурата и интензивността на полето на намагнитване. Феримагнетиците включват ферити, които включват железен оксид.

Концепцията за хистерезис. Постоянен магнетизъм

Феромагнитните и феримагнитните материали имат свойството на остатъчна намагнитване. Това свойство се дължи на явлението хистерезис - лаг. Същността му се състои в изоставане на промяната в намагнитването на материала от промяната във външното поле. Ако при достигане на насищане силата на полето се намали, намагнитването няма да се промени в съответствие с кривата на намагнитване, но по по-нежен начин, тъй като значителна част от домейните остават ориентирани съответно към вектора на полето. Поради това явление има постоянни магнити.

Размагнитването се случва, когато полето променя посоката, когато достигне определена стойност, наречена принудителна (забавяща) сила. Колкото по-голяма е неговата стойност, толкова по-добре веществото запазва остатъчното намагнитване. Затварянето на хистерезисната линия се случва със следващата промяна в напрежението в посока и величина.

Магнитна твърдост и мекота

Явлението хистерезис силно влияе върху магнитните свойства на материалите. Вещества, в които е разширена веригата на хистерезисната графика, изискващи значителна коерцитивна сила за размагнитване, се наричат ​​магнитно твърди материали с тясна верига, които са много по-лесни за размагнитяване - магнитно мека.

В редуващи се полета магнитният хистерезис изглежда особено ярък. Тя винаги е придружена от топлина. Освен това в променливо магнитно поле в магнитно поле възникват вихрови индукционни токове, които отделят особено голямо количество топлина.

Много феромагнети и феримагнети се използват в оборудването, работещо на променлив ток (например, ядрата на електромагнитите) и по време на работа се ремагнитват. За да се намалят загубите на енергия поради хистерезис и динамични загуби на вихрови токове, в такова оборудване се използват магнитни устройства като чисто желязо, ферити, електрически стомани и сплави (например пермалои). Има и други начини за намаляване на енергийните загуби.

Твърдите твърди вещества, за разлика от тях, се използват в оборудване, работещо на постоянно магнитно поле. Те запазват остатъчното си намагнитване много по-дълго, но са по-трудни за намагничаване до насищане. Много от тях в момента са композитни материали от различни видове, например металокерамични или неодимови магнити.

Малко повече за използването на магнитни материали.

Съвременните високотехнологични индустрии изискват използването на магнити, произведени от конструктивни материали, включително композитни материали с определени магнитни свойства на веществата. Такива са например магнитните нанокомпозити на феромагнетик-свръхпроводник или феромагнетик-парамагнетиз, използван в спинтрониката, или магнитополимери - гелове, еластомери, латекси, ферофлуиди, които се използват широко.

Различни магнитни сплави също са изключително търсени. Неодимово-желязо-борната сплав се характеризира с висока устойчивост на размагнитване и мощност: гореспоменатите неодимови магнити, които са най-мощните постоянни магнити днес, се използват в различни индустрии, въпреки наличието на някои недостатъци, като крехкост. Използват се в магнитно-резонансни апарати, вятърни турбини, при почистване на технически течности и повдигане на тежки товари.

Много интересни са перспективите за използване на антиферомагнетици в нискотемпературните наноструктури за производството на клетки от паметта, които могат значително да увеличат плътността на запис, без да нарушават състоянието на съседните битове.

Трябва да се приеме, че прилагането на магнитните свойства на вещества с дадените характеристики ще се разширява все повече и ще осигури сериозни технологични пробиви в различни области.