MAGNETSKA SVOJSTVA I GRAĐA TVARI

Magnetokemija je grana kemije koja proučava magnetska svojstva tvari, kao i njihov odnos sa strukturom molekula. Njegovo formiranje kao znanosti može se datirati početkom 20. stoljeća, kada su otkriveni osnovni zakoni magnetizma.

MAGNETSKA SVOJSTVA TVARI

Magnetizam je temeljno svojstvo materije. Sposobnost permanentnih magneta da privlače željezne predmete poznata je od davnina. Razvoj elektromagnetizma omogućio je stvaranje elektromagneta jačih od trajnih koji postoje u prirodi. Općenito, razni instrumenti i uređaji koji se temelje na korištenju elektromagnetskih pojava toliko su rašireni da je danas nemoguće zamisliti život bez njih.

Međutim, s magnetskim poljem ne djeluju samo trajni magneti, već i sve druge tvari. Magnetsko polje, u interakciji s materijom, mijenja svoju vrijednost u usporedbi s vakuumom (u nastavku su sve formule napisane u SI sustavu):

gdje je µ 0 magnetska konstanta jednaka 4p 10 -7 H/m, µ je magnetska permeabilnost tvari, B je magnetska indukcija (u T), H je jakost magnetskog polja (u A/m). Za većinu tvari m je vrlo blizu jedinici, stoga je u magnetokemiji, gdje je glavni objekt molekula, prikladnije koristiti vrijednost c, koja se naziva magnetska susceptibilnost. Može se pripisati jedinici volumena, mase ili količine tvari, pa se prema tome naziva volumetrijskim (bez dimenzija). cv, specifično CD(u cm3/g) ili molarni cm(u cm3/mol) magnetska susceptibilnost.

Tvari se mogu podijeliti u dvije kategorije: one koje slabe magnetsko polje (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – paramagnetski. Možemo zamisliti da u nejednolikom magnetskom polju na dijamagnetski materijal djeluje sila koja ga gura izvan polja, dok na paramagnetski materijal, naprotiv, djeluje sila koja ga uvlači. Na tome se temelje dolje razmotrene metode za mjerenje magnetskih svojstava tvari. Dijamagneti (a to je velika većina organskih i visokomolekularnih spojeva) i uglavnom paramagneti predmet su proučavanja magnetokemije.

Dijamagnetizam je najvažnije svojstvo materije, zbog činjenice da pod utjecajem magnetskog polja elektroni u ispunjenim elektronskim ljuskama (koje možemo zamisliti kao male vodiče) počinju precesirati, a, kao što je poznato, svako kretanje električni naboj uzrokuje magnetsko polje, koje će, prema Lenzovom pravilu, biti usmjereno na ovaj način da smanji utjecaj vanjskog polja. U ovom slučaju elektronička precesija može se smatrati kružnim strujama. Dijamagnetizam je karakterističan za sve tvari osim atomskog vodika, jer sve tvari imaju sparene elektrone i ispunjene elektronske ljuske.

Paramagnetizam uzrokuju nespareni elektroni, koji se tako nazivaju jer njihov vlastiti magnetski moment (spin) nije ni na koji način uravnotežen (prema tome, spinovi uparenih elektrona su usmjereni u suprotnim smjerovima i međusobno se poništavaju). U magnetskom polju, spinovi se nastoje poredati u smjeru polja, jačajući ga, iako je ovaj poredak poremećen kaotičnim toplinskim gibanjem. Stoga je jasno da paramagnetska osjetljivost ovisi o temperaturi - što je niža temperatura, to je veća vrijednost osjetljivosti.

Ova vrsta magnetske susceptibilnosti naziva se i orijentacijski paramagnetizam, jer je njen uzrok orijentacija elementarnih magnetskih momenata u vanjskom magnetskom polju.

Magnetska svojstva elektrona u atomu mogu se opisati na dva načina. U prvoj metodi vjeruje se da vlastiti (spinski) magnetski moment elektrona ne utječe na orbitalni (zbog kretanja elektrona oko jezgre) moment ili obrnuto. Točnije, takav međusobni utjecaj uvijek postoji (spin-orbitalna interakcija), ali za 3d ione je malen, a magnetska svojstva se mogu s dovoljnom točnošću opisati s dva kvantna broja L (orbitalni) i S (spin). Za teže atome takva aproksimacija postaje neprihvatljiva i uvodi se drugi kvantni broj ukupnog magnetskog momenta J, koji može poprimiti vrijednosti od | L+S | prije | L–S |

Treba obratiti pozornost na malenost energije magnetske interakcije (za sobne temperature i magnetska polja uobičajena u laboratoriju, energija magnetske interakcije je tri do četiri reda veličine manja od energije toplinskog gibanja molekula).

Postoji dosta tvari koje se pri sniženju temperature najprije ponašaju kao paramagneti, a zatim pri postizanju određene temperature naglo mijenjaju svoja magnetska svojstva. Najpoznatiji primjer su feromagneti i tvar po kojoj su dobili ime, željezo, čiji se atomski magnetski momenti ispod Curiejeve temperature nižu u jednom smjeru, uzrokujući spontanu magnetizaciju. Međutim, makroskopska magnetizacija se ne događa u odsutnosti polja, budući da je uzorak spontano podijeljen u regije veličine oko 1 μm, koje se nazivaju domene, unutar kojih su elementarni magnetski momenti usmjereni na isti način, ali magnetizacije različitih domene su orijentirane nasumično i, u prosjeku, kompenziraju jedna drugu. Sile koje uzrokuju feromagnetski prijelaz mogu se objasniti samo korištenjem zakona kvantne mehanike.

Za antiferomagnete je karakteristično da su spinski magnetski momenti na temperaturi antiferomagnetskog prijelaza (Néelova temperatura TN) raspoređeni na takav način da se međusobno poništavaju.

Ako je kompenzacija magnetskih momenata nepotpuna, tada se takve tvari nazivaju ferimagneti, na primjer Fe2O3 i FeCr2O4. Zadnje tri klase spojeva su čvrste tvari i uglavnom ih proučavaju fizičari. Tijekom proteklih desetljeća fizičari i kemičari stvorili su nove magnetske materijale.

U molekuli koja sadrži nespareni elektron, preostali (spareni) elektroni slabe magnetsko polje, ali je doprinos svakog od njih dva do tri reda veličine manji. Međutim, ako želimo vrlo precizno izmjeriti magnetska svojstva nesparenih elektrona, moramo uvesti tzv. dijamagnetske korekcije, posebno za velike organske molekule, gdje one mogu doseći desetke postotaka. Dijamagnetske osjetljivosti atoma u molekuli međusobno se zbrajaju u skladu s Pascal-Langevinovim pravilom aditivnosti. Da bi se to postiglo, dijamagnetska osjetljivost atoma svake vrste množi se s brojem takvih atoma u molekuli, a zatim se uvode konstitutivne korekcije za strukturne značajke (dvostruke i trostruke veze, aromatski prstenovi itd.). Prijeđimo na razmatranje kako se eksperimentalno proučavaju magnetska svojstva tvari.

EKSPERIMENTALNO MJERENJE MAGNETSKE SUMPITIVNOSTI

Glavne eksperimentalne metode za određivanje magnetske osjetljivosti stvorene su u prošlom stoljeću. Prema Gouyevoj metodi mjeri se promjena težine uzorka u magnetskom polju u odnosu na njegovu odsutnost.

Faradayeva metoda mjeri silu koja djeluje na uzorak u nejednolikom magnetskom polju.

Glavna razlika između Gouyeve metode i Faradayeve metode je u tome što se u prvom slučaju nehomogenost održava duž (proširenog) uzorka, au drugom - duž magnetskog polja.

Quinckeova metoda koristi se samo za tekućine i otopine. Mjeri promjenu visine stupca tekućine u kapilari pod utjecajem magnetskog polja

U ovom slučaju, za dijamagnetske tekućine visina stupca se smanjuje, za paramagnetske tekućine se povećava.

Metodom viskozimetra mjeri se vrijeme protoka tekućine kroz malu rupu s uključenim (tH) i isključenim (t0) magnetskim poljem. Vrijeme protoka paramagnetskih tekućina u magnetskom polju je znatno kraće nego u odsutnosti polja; za dijamagnetske tekućine vrijedi suprotno.

Magnetska osjetljivost također se može mjeriti pomoću NMR spektrometra. Napomena: veličina kemijskog pomaka NMR signala u općem slučaju određena je ne samo konstantom probira, koja je mjera gustoće elektrona na jezgri koja se proučava, već i magnetskom susceptibilnošću uzorka.

Dobivena vrijednost magnetske susceptibilnosti za paramagnetske materijale određena je brojem nesparenih elektrona (za jedan nespareni elektron)

Magnetokemijska istraživanja omogućuju utvrđivanje elektronske konfiguracije spojeva prijelaznih metala, koji čine osnovu kemije koordinacijskih (kompleksnih) spojeva.

Mjerenjem magnetske susceptibilnosti lako se može prosuditi stupanj oksidacije i geometrija prve koordinacijske sfere u kompleksu.

Poznato je da se većina kemijskih reakcija važnih u praksi odvija u otopinama, uključujući i reakcije stvaranja kompleksa, pa ćemo u sljedećem odjeljku razmotriti magnetska svojstva otopina u kojima se spojevi prijelaznih metala ostvaruju u obliku kompleksa.

MAGNETSKA SUSPEKTIVNOST OTOPINA

Pri prelasku iz krutine u otopinu mora se uzeti u obzir magnetska osjetljivost otapala i svih otopljenih tvari. U ovom slučaju, najjednostavniji način da se to uzme u obzir je da se zbroje doprinosi svih komponenti otopine prema pravilu aditivnosti. Načelo aditivnosti jedno je od temeljnih načela u obradi eksperimentalnih podataka. Sva odstupanja od njega najčešće su povezana s činjenicom da je sam princip aditivnosti ispunjen, a komponente otopine mijenjaju svoja svojstva. Stoga se pretpostavlja da je magnetska osjetljivost otopine jednaka zbroju magnetske osjetljivosti pojedinačnih komponenti, uzimajući u obzir koncentraciju

Iz proučavanja magnetskih svojstava iste tvari u različitim otapalima jasno je da ona mogu značajno ovisiti o prirodi otapala. To se može objasniti ulaskom molekula otapala u prvu koordinacijsku sferu i odgovarajućom promjenom elektronske strukture kompleksa, energije d-orbitala (D) i drugih svojstava solvatnog kompleksa. Dakle, magnetokemija omogućuje i proučavanje solvatacije, odnosno interakcije otopljene tvari s otapalom.

Ako magnetsko polje utječe na svojstva otopine, a brojne eksperimentalne činjenice (mjerenja gustoće, viskoznosti, električne vodljivosti, koncentracije protona, magnetske susceptibilnosti) upućuju na to, onda treba priznati da je energija međudjelovanja između pojedinih komponenti otopine i skupa molekula vode je prilično visoka, zatim je usporediva ili premašuje energiju toplinskog gibanja čestica u otopini, što u prosjeku isključuje svaki učinak na otopinu. Prisjetimo se da je energija magnetske interakcije jedne čestice (molekule) mala u usporedbi s energijom toplinskog gibanja. Takva interakcija je moguća ako prihvatimo da se u vodi i vodenim otopinama, zbog kooperativne prirode vodikovih veza, ostvaruju veliki ledeni strukturni sklopovi molekula vode, koji mogu ojačati ili uništiti pod utjecajem otopljenih tvari energija formiranja takvih "sklopova" naizgled je usporediva s energijom toplinskog gibanja i pod magnetskim utjecajem, otopina je može zapamtiti i steći nova svojstva, ali Brownovo gibanje ili porast temperature eliminiraju ovo "sjećanje" tijekom nekog vremena.

Preciznim odabirom koncentracija paramagnetskih tvari u dijamagnetskom otapalu moguće je stvoriti nemagnetsku tekućinu, odnosno onu čija je prosječna magnetska susceptibilnost jednaka nuli ili u kojoj se magnetska polja šire na isti način kao u vakuumu. Ovo zanimljivo svojstvo još nije našlo primjenu u tehnologiji.

Brojni pokusi pokazuju da se sve tvari koje se nalaze u magnetskom polju magnetiziraju i stvaraju vlastito magnetsko polje čije se djelovanje pribraja djelovanju vanjskog magnetskog polja:

gdje je indukcija magnetskog polja u tvari; - magnetska indukcija polja u vakuumu, - magnetska indukcija polja koja nastaje zbog magnetizacije tvari.

U tom slučaju tvar može ojačati ili oslabiti magnetsko polje. Utjecaj tvari na vanjsko magnetsko polje karakterizira veličina koja se naziva magnetska permeabilnost tvari

Magnetska propusnost je fizikalna skalarna veličina koja pokazuje koliko se puta indukcija magnetskog polja u određenoj tvari razlikuje od indukcije magnetskog polja u vakuumu.

Tvari koje oslabljuju vanjsko magnetsko polje nazivaju se dijamagnetski materijali(bizmut, dušik, helij, ugljikov dioksid, voda, srebro, zlato, cink, kadmij itd.).

Tvari koje pojačavaju vanjsko magnetsko polje - paramagneti(aluminij, kisik, platina, bakar, kalcij, krom, mangan, kobaltove soli itd.).

Za dijamagnetske materijale >1. Ali u oba slučaja razlika od 1 je mala (nekoliko desettisućinki ili stotisućinki jedinice). Tako je, na primjer, za bizmut = 0,9998 = 1,000.

Neke tvari (željezo, kobalt, nikal, gadolinij i razne legure) uzrokuju vrlo veliko pojačanje vanjskog polja. Zovu se feromagneti. Za njih = 10 3 -10 5.

Ampere je prvi objasnio razloge zašto tijela imaju magnetska svojstva. Prema njegovoj hipotezi, unutar molekula i atoma cirkuliraju elementarne električne struje koje određuju magnetska svojstva bilo koje tvari.

Sada je utvrđeno da svi atomi i elementarne čestice zapravo imaju magnetska svojstva. Magnetska svojstva atoma uglavnom su određena elektronima koje sadrže.

Prema semiklasičnom modelu atoma, koji su predložili E. Rutherford i N. Bohr, elektroni u atomima gibaju se oko jezgre u zatvorenim orbitama (u prvoj aproksimaciji možemo pretpostaviti da su kružne). Gibanje elektrona može se prikazati kao elementarna kružna struja, gdje je e naboj elektrona, v je frekvencija rotacije elektrona u njegovoj orbiti. Ova struja tvori magnetsko polje, koje je karakterizirano magnetskim momentom; njegov modul je određen formulom, gdje je S područje orbite.

Magnetski moment elektrona zbog njegovog gibanja oko jezgre naziva se orbitalni magnetski moment. Orbitalni magnetski moment je vektorska veličina, a smjer je određen pravilom desnog vijka. Ako se elektron giba u smjeru kazaljke na satu (slika 1), tada su struje usmjerene suprotno od kazaljke na satu (u smjeru kretanja pozitivnog naboja), a vektor je okomit na orbitalnu ravninu.

Budući da se orbitalne ravnine različitih elektrona u atomu ne podudaraju, njihovi su magnetski momenti međusobno usmjereni pod različitim kutovima. Rezultirajući orbitalni magnetski moment višeelektronskog atoma jednak je vektorskom zbroju orbitalnih magnetskih momenata pojedinačnih elektrona.

Atomi s djelomično ispunjenim elektronskim ljuskama imaju nekompenzirani orbitalni magnetski moment. U atomima s ispunjenim elektronskim ljuskama jednak je 0.

Osim orbitalnog magnetskog momenta elektron ima i intrinzički (spinski) magnetski moment, koji su prvi ustanovili O. Stern i W. Gerlach 1922. Postojanje magnetskog polja u elektronu objašnjeno je njegovom rotacijom oko vlastite osi, iako ne treba doslovno uspoređivati ​​elektron s rotirajućom nabijenom kuglicom (vrh ).

Pouzdano je utvrđeno da je magnetsko polje elektrona isto integralno svojstvo kao njegova masa i naboj. Elektron se, u vrlo gruboj aproksimaciji, može zamisliti kao vrlo mala kuglica okružena električnim i magnetskim poljima (slika 2). Magnetska polja svih elektrona su ista, kao i njihove mase i naboji. Magnetski moment spina je vektor usmjeren duž osi rotacije. Može se orijentirati samo na dva načina: ili duž... ili protiv... Ako je na mjestu gdje se nalazi elektron vanjsko magnetsko polje, onda ili uz polje ili protiv polja. Kao što je prikazano u kvantnoj fizici, samo dva elektrona čiji su spinski magnetski momenti suprotni mogu biti u istom energetskom stanju (Paulijev princip).

U višeelektronskim atomima, spinski magnetski momenti pojedinačnih elektrona, kao i orbitalni momenti, zbrajaju se kao vektori. U ovom slučaju, rezultirajući spinski magnetski moment atoma za atome s ispunjenim elektronskim ljuskama jednak je 0.

Ukupni magnetski moment atoma (molekule) jednak je vektorskom zbroju magnetskih momenata (orbitalnih i spinskih) elektrona koji ulaze u atom (molekulu):

Dijamagneti se sastoje od atoma koji, u nedostatku vanjskog magnetskog polja, nemaju svoje magnetske momente, budući da su svi spinski i svi orbitalni magnetski momenti kompenzirani za njih.

Vanjsko magnetsko polje ne djeluje na cijeli atom dijamagnetskog materijala, već djeluje na pojedinačne elektrone atoma, čiji su magnetski momenti različiti od nule. Neka brzina elektrona u određenom trenutku zaklapa određeni kut (slika 3) s magnetskom indukcijom vanjskog polja.

Zahvaljujući komponenti, na elektron će djelovati Lorentzova sila (usmjerena prema nama na sl. 3), koja će uzrokovati dodatno (uz ostala kretanja u kojima elektron sudjeluje u odsutnosti polja) gibanje u krug. Ali ovo kretanje predstavlja dodatnu kružnu struju, koja će stvoriti magnetsko polje karakterizirano magnetskim momentom (induciranim), usmjerenim prema pravilu desnog vijka prema. Kao rezultat toga, dijamagnetski materijali slabe vanjsko magnetsko polje.

Paramagneti se sastoje od atoma čiji je neto atomski magnetski moment . U nedostatku vanjskog polja ti su momenti nasumično usmjereni i tvar kao cjelina ne stvara magnetsko polje oko sebe. Kada se paramagnetski materijali stave u magnetsko polje, povlašteni usmjerenost vektora duž polja (to sprječava toplinsko kretanje čestica). Tako se paramagnetski materijal magnetizira, stvarajući vlastito magnetsko polje, koje se po smjeru podudara s vanjskim poljem i pojačava ga. Taj se učinak naziva paramagnetskim. Kada vanjsko magnetsko polje oslabi na nulu, orijentacija magnetskih momenata zbog toplinskog gibanja je poremećena i paramagnet se demagnetizira. Kod paramagnetskih materijala također se uočava dijamagnetski učinak, ali je on puno slabiji od paramagnetskog učinka.

Pošaljite svoj dobar rad u bazu znanja jednostavno je. Koristite obrazac u nastavku

Studenti, diplomanti, mladi znanstvenici koji koriste bazu znanja u svom studiju i radu bit će vam vrlo zahvalni.

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

Objavljeno na http://www.allbest.ru/

FEDERALNA AGENCIJA ZA OBRAZOVANJE DRŽAVNA OBRAZOVNA USTANOVA VISOKOG I STRUČNOG OBRAZOVANJA

"DRŽAVNO SVEUČILIŠTE VORONJEŽ"

(GOU VPO VSU)

Geološki fakultet

Zavod za geologiju okoliša

Esej

na temu: Magnetska svojstva tvari

Izvršila: studentica 1. godine, gr. broj 9

Agoškova Ekaterina Vladimirovna

Recenzent:

Izvanredni profesor, kandidat znanosti Voronova T.A.

Magnetska svojstva tvari

Magnetska propusnost tvari

Razvrstavanje tvari prema djelovanju vanjskog magnetskog polja na njih

Antiferomagneti i ferimagneti

Trajni magneti

Curiejeva točka

Književnost

Magnetska svojstva tvari

Magnetizam-- oblik međudjelovanja između pokretnih električnih naboja koji se odvija na udaljenosti kroz magnetsko polje.

Magnetska svojstva tvari objašnjavaju se prema Ampereovoj hipotezi.

Ampereova hipoteza- magnetska svojstva tijela mogu se objasniti strujama koje kolaju unutar njega.

Unutar atoma, zbog kretanja elektrona po orbitama, postoje elementarne električne struje koje stvaraju elementarna magnetska polja.

1. ako tvar nema magnetska svojstva, elementarna magnetska polja su neorijentirana (zbog toplinskog gibanja);

2. ako tvar ima magnetska svojstva, elementarna magnetska polja su jednako usmjerena (orijentirana) i nastaje vlastito unutarnje magnetsko polje tvari.

Magnetizirana naziva tvar koja stvara vlastito magnetsko polje. Magnetizacija nastaje kada se tvar stavi u vanjsko magnetsko polje.

magnetizam amper antiferomagnet curie

Magnetskii japropusnost tvari

Utjecaj tvari na vanjsko magnetsko polje karakterizira veličina m , koji se zove magnetska permeabilnost tvari.

Magnetska propusnost je fizikalna skalarna veličina koja pokazuje koliko se puta indukcija magnetskog polja u određenoj tvari razlikuje od indukcije magnetskog polja u vakuumu.

gdje je B? -- indukcija magnetskog polja u tvari; B? 0 -- indukcija magnetskog polja u vakuumu.

Razvrstavanje tvaridjelovanjem vanjskog magnetskog polja na njih

1. D i magnetski materijali [m<1]- слабомагнитные вещества, внутреннее магнитное поле направлено противоположно внешнему магнитному полю, но слабовыраженно. Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля.

Negativna magnetska osjetljivost- to je kada se magnet prinese tijelu i ono se više odbija nego privlači.

Dijamagneti uključuju, na primjer, inertne plinove, vodik, fosfor, cink, zlato, dušik, silicij, bizmut, bakar i srebro. To jest, to su tvari koje su u supravodljivom stanju ili imaju kovalentne veze.

2. P aramagneti [m>1] - slabo magnetske tvari, unutarnje magnetsko polje je usmjereno na isti način kao i vanjsko magnetsko polje. Za te tvari, magnetska osjetljivost također ne ovisi o jakosti polja koja postoji. Ipak je pozitivna. To jest, kada se paramagnetik približi trajnom magnetu, javlja se privlačna sila. Tu spadaju aluminij, platina, kisik, mangan, željezo.

3. F Erromagneti [m>>1] - visoko magnetske tvari, unutarnje magnetsko polje je 100-1000 puta veće od vanjskog magnetskog polja.

Za ove tvari, za razliku od dijamagnetskih i paramagnetskih materijala, magnetska susceptibilnost ovisi o temperaturi i jakosti magnetskog polja, i to u značajnoj mjeri.

To uključuje kristale nikla i kobalta.

Antiferomagneti i ferimagneti

Tvari u kojima tijekom zagrijavanja dolazi do faznog prijelaza dane tvari uz pojavu paramagnetskih svojstava nazivamo antiferomagneti. Ako temperatura postane niža od određene, ova svojstva tvari neće biti uočena. Primjeri ovih tvari bi bili mangan i krom.

Magnetska osjetljivost ferimagneti također ovisi o temperaturama i jakosti magnetskog polja. Ali još uvijek imaju razlike. Ove tvari uključuju različite okside.

Svi gore navedeni magneti mogu se dalje podijeliti u 2 kategorije:

Tvrdi magnetski materijali. To su materijali s visokom vrijednošću koercitivnosti. Da bi ih ponovno magnetizirali, potrebno je stvoriti snažno magnetsko polje. Ovi se materijali koriste u proizvodnji trajnih magneta.

Meki magnetski materijali, naprotiv, imaju malu prisilnu silu. U slabim magnetskim poljima mogu ući u zasićenje. Imaju niske gubitke zbog preokreta magnetizacije. Zbog toga se ti materijali koriste za izradu jezgri za električne strojeve koji rade na izmjeničnu struju. To je, na primjer, strujni i naponski transformator, ili generator, ili asinkroni motor.

Trajni magnets

Trajnamagneti- to su tijela koja dugo zadržavaju magnetizaciju.

Trajni magnet uvijek ima 2 magnetska pola: sjeverni (N) i južni (S).

Magnetsko polje trajnog magneta najjače je na njegovim polovima.

Trajni magneti obično se izrađuju od željeza, čelika, lijevanog željeza i drugih legura željeza (jaki magneti), kao i od nikla, kobalta (slabi magneti). Magneti mogu biti prirodni (prirodni) od željezne rude, magnetske željezne rude i umjetni, dobiveni magnetiziranjem željeza uvođenjem u magnetsko polje.

Interakcija magneta: Kao polovi odbijaju, a za razliku od polova privlače.

Interakcija magneta objašnjava se činjenicom da svaki magnet ima magnetsko polje, a ta magnetska polja međusobno djeluju.

Magnetsko polje permanentnih magneta

Koji su razlozi magnetiziranja željeza? Prema hipotezi francuskog znanstvenika Amperea, unutar materije postoje elementarne električne struje (Amperove struje), koje nastaju kao rezultat kretanja elektrona oko jezgri atoma i oko vlastite osi. Kada se elektroni kreću, nastaju elementarna magnetska polja. Kada se komad željeza uvede u vanjsko magnetsko polje, sva elementarna magnetska polja u tom željezu su identično usmjerena u vanjskom magnetskom polju, tvoreći vlastito magnetsko polje. Tako komad željeza postaje magnet.

Kako izgleda magnetsko polje?trajni magneti?

Ideja o vrsti magnetskog polja može se dobiti pomoću željeznih strugotina. Sve što trebate učiniti je staviti list papira na magnet i posuti ga željeznim strugotinama.

Za trajni trakasti magnet Za trajni lučni magnet

Curiejeva točka

Curiejeva točka, ili Curiejeva temperatura, je temperatura faznog prijelaza drugog reda povezana s naglom promjenom svojstava simetrije tvari s promjenom temperature, ali pri danim vrijednostima drugih termodinamičkih parametara (tlak, jakost električnog ili magnetskog polja). Fazni prijelaz drugog reda na Curievoj temperaturi povezan je s promjenom svojstava simetrije tvari. Na Tc, u svim slučajevima faznih prijelaza, nestaje bilo koja vrsta atomskog reda, na primjer, red spinova elektrona ( feroelektrika), atomski magnetski momenti ( feromagneti), red u rasporedu atoma različitih komponenti legure duž čvorova kristalne rešetke (fazni prijelazi u legurama). U blizini T c uočavaju se oštre anomalije fizičkih svojstava, na primjer, piezoelektričnih, elektrooptičkih i toplinskih.

Magnetska Curiejeva točka je temperatura takvog faznog prijelaza pri kojoj nestaje spontana magnetizacija feromagnetskih domena i feromagnetik prelazi u paramagnetsko stanje. Pri relativno niskim temperaturama, toplinsko gibanje atoma, koje neizbježno dovodi do nekih poremećaja u uređenom rasporedu magnetskih momenata, je beznačajno. Kako temperatura raste, njegova uloga raste i, konačno, na određenoj temperaturi (Tc) toplinsko kretanje atoma može uništiti uređeni raspored magnetskih momenata, a feromagnet se pretvara u paramagnet. U blizini Curiejeve točke uočava se niz značajki u promjeni nemagnetskih svojstava feromagnetika (otpor, specifični toplinski kapacitet, temperaturni koeficijent linearnog širenja).

Vrijednost T c ovisi o jakosti veze međusobnog magnetskog momenta, u slučaju jake veze doseže: za čisto željezo T c = 768 o C, za kobalt T c = 1131 o C, prelazi 1000 o C za legure željeza i kobalta. Za mnoge tvari Tc je malen (za nikal Tc = 358 o C). Pomoću vrijednosti T c može se procijeniti energija vezanja međusobnog magnetskog momenta. Da bi se uništio uređeni raspored magnetskih momenata, potrebna je energija toplinskog gibanja, koja daleko premašuje i energiju interakcije dipola i potencijalnu energiju magnetskog dipola u polju.

Na Curievoj temperaturi, magnetska permeabilnost feromagneta postaje približno jednaka jedinici; iznad Curiejeve točke, promjena magnetske susceptibilnosti se pokorava Curie-Weissov zakon.

Za svaki feromagnet postoji određena temperatura - Curiejeva točka.

1. Ako je t tvari< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.

2. Ako je t tvari > Curie t, tada nestaju feromagnetska svojstva (magnetizacija) i tvar postaje paramagnetična. Zbog toga trajni magneti gube svoja magnetska svojstva zagrijavanjem.

Književnost

Zhilko, V.V. Fizika: udžbenik. dodatak za 11. razred. opće obrazovanje škola s ruskog Jezik obuka / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovič. -- Mn.: Nar. Asveta, 2002. -- Str. 291-297.

http://msk.edu.ua/

http://elhow.ru/

http://class-fizika.narod.ru/

Objavljeno na Allbest.ru

Slični dokumenti

Magnetsko polje je komponenta elektromagnetskog polja koja se javlja u prisutnosti vremenski promjenjivog električnog polja. Magnetska svojstva tvari. Uvjeti nastanka i manifestacije magnetskog polja. Amperov zakon i mjerne jedinice magnetskog polja.

prezentacija, dodano 16.11.2011


Suština magnetskog polja, njegove glavne karakteristike. Pojmovi i podjela magneta - tvari koje se mogu magnetizirati u vanjskom magnetskom polju. Struktura i svojstva materijala. Permanentni i električni magneti i njihova područja primjene.

sažetak, dodan 02.12.2012


Priroda i karakteristike magnetskog polja. Magnetska svojstva raznih tvari i izvora magnetskog polja. Građa elektromagneta, njihova klasifikacija, primjena i primjeri uporabe. Solenoid i njegova primjena. Proračun uređaja za magnetiziranje.

kolegij, dodan 17.01.2011


Proces nastanka i pojave magnetskog polja. Magnetska svojstva tvari. Interakcija dvaju magneta i pojava elektromagnetske indukcije. Foucaultove struje su vrtložne indukcijske struje koje nastaju u masivnim vodičima kada se mijenja magnetski tok.

prezentacija, dodano 17.11.2010


Pojam i djelovanje magnetskog polja, njegove karakteristike: magnetska indukcija, magnetski tok, intenzitet, magnetska permeabilnost. Formule magnetske indukcije i pravilo "lijeve ruke". Elementi i vrste magnetskih krugova, formulacija njihovih osnovnih zakona.

prezentacija, dodano 27.05.2014


Djelovanje polja sile u prostoru koji okružuje struje i trajne magnete. Osnovne karakteristike magnetskog polja. Ampèreova hipoteza, Biot-Savart-Laplaceov zakon. Magnetski moment okvira sa strujom. Fenomen elektromagnetske indukcije; histereza, samoindukcija.

prezentacija, dodano 28.07.2015


Osnovni pojmovi, vrste (dijamagneti, ferimagneti, paramagneti, antiferomagneti) i uvjeti za pojavu magnetizma. Priroda feromagnetskog stanja tvari. Suština fenomena magnetostrikcije. Opis domenskih struktura u tankim magnetskim filmovima.

sažetak, dodan 30.08.2010


Manifestacije magnetskog polja, parametri koji ga karakteriziraju. Značajke feromagnetskih (mekih i tvrdih magnetskih) materijala. Kirchhoffov i Ohmov zakon za istosmjerne magnetske krugove, princip njihova proračuna, njihova analogija s električnim krugovima.

test, dodan 10.10.2010


Proučavanje fenomena dijamagnetizma i paramagnetizma. Magnetska osjetljivost atoma kemijskih elemenata. Magnetski atomski red i spontana magnetizacija u feromagnetskim mineralima. Čvrsta, tekuća i plinovita faza. Magnetska svojstva sedimentnih stijena.

prezentacija, dodano 15.10.2013


Pojam i osnovna svojstva magnetskog polja, proučavanje zatvorene petlje sa strujom u magnetskom polju. Parametri i određivanje smjera vektora i linija magnetske indukcije. Biografija i znanstvena djelatnost Andre Marie Amperea, njegovo otkriće moći Amperea.

Svaka tvar na svijetu ima određena magnetska svojstva. Mjere se magnetskom propusnošću. U ovom članku ćemo pogledati magnetska svojstva materije.

Ampereova hipoteza

Magnetska permeabilnost pokazuje koliko je puta indukcija magnetskog polja u danom okruženju manja ili veća od indukcije magnetskog polja u vakuumu.

Tvar koja stvara vlastito magnetsko polje naziva se magnetizirana. Magnetizacija nastaje kada se tvar stavi u vanjsko magnetsko polje.

Francuski znanstvenik Ampere utvrdio je razlog, posljedica čega je posjedovanje magnetskih svojstava tijela. Ampereova hipoteza kaže da postoje mikroskopske električne struje unutar materije (elektron ima svoj magnetski moment, koji ima kvantnu prirodu, orbitalno gibanje u atomima elektrona). Oni određuju magnetska svojstva tvari. Ako struje imaju neuređen smjer, tada se magnetska polja koja stvaraju međusobno poništavaju. Tijelo nije magnetizirano. Vanjsko magnetsko polje regulira ove struje. Kao rezultat, tvar razvija vlastito magnetsko polje. To je magnetiziranje tvari.

Upravo reakcijom tvari na vanjsko magnetsko polje i uređenošću njihove unutarnje strukture određena su magnetska svojstva tvari. U skladu s tim parametrima podijeljeni su u sljedeće skupine:

• Paramagneti
• Dijamagneti
• Feromagneti
• Antiferomagneti

Dijamagneti i paramagneti

• Tvari koje imaju negativnu magnetsku susceptibilnost, neovisno o jakosti magnetskog polja, nazivaju se dijamagnetskim materijalima. Shvatimo koja se magnetska svojstva tvari nazivaju negativnom magnetskom osjetljivošću. To je kada se magnet prinese tijelu i ono se više odbija nego privlači. Dijamagneti uključuju, na primjer, inertne plinove, vodik, fosfor, cink, zlato, dušik, silicij, bizmut, bakar i srebro. To jest, to su tvari koje su u supravodljivom stanju ili imaju kovalentne veze.
• Paramagnetski materijali. Za te tvari, magnetska osjetljivost također ne ovisi o jakosti polja koja postoji. Ipak je pozitivna. To jest, kada se paramagnetik približi trajnom magnetu, javlja se privlačna sila. Tu spadaju aluminij, platina, kisik, mangan, željezo.

Feromagneti

Tvari koje imaju veliku pozitivnu magnetsku susceptibilnost nazivaju se feromagneti. Za ove tvari, za razliku od dijamagnetskih i paramagnetskih materijala, magnetska susceptibilnost ovisi o temperaturi i jakosti magnetskog polja, i to u značajnoj mjeri. To uključuje kristale nikla i kobalta.

Antiferomagneti i ferimagneti

• Tvari u kojima tijekom zagrijavanja dolazi do faznog prijelaza dane tvari, praćeno pojavom paramagnetskih svojstava, nazivamo antiferomagnetima. Ako temperatura postane niža od određene, ova svojstva tvari neće biti uočena. Primjeri ovih tvari bi bili mangan i krom.
• Ferimagnete karakterizira prisutnost nekompenziranog antiferomagnetizma u njima. Njihova magnetska osjetljivost također ovisi o temperaturama i jakosti magnetskog polja. Ali još uvijek imaju razlike. Ove tvari uključuju različite okside.

Svi gore navedeni magneti mogu se dalje podijeliti u 2 kategorije:

• Tvrdi magnetski materijali. To su materijali s visokom vrijednošću koercitivnosti. Da bi ih ponovno magnetizirali, potrebno je stvoriti snažno magnetsko polje. Ovi se materijali koriste u proizvodnji trajnih magneta.
• Meki magnetski materijali, naprotiv, imaju nisku koercitivnu silu. U slabim magnetskim poljima mogu ući u zasićenje. Imaju niske gubitke zbog preokreta magnetizacije. Zbog toga se ti materijali koriste za izradu jezgri za električne strojeve koji rade na izmjeničnu struju. To je, na primjer, strujni i naponski transformator, ili generator, ili asinkroni motor.

Pogledali smo sva osnovna magnetska svojstva materije i otkrili koje sve vrste magneta postoje.

Brojni pokusi pokazuju da se sve tvari koje se nalaze u magnetskom polju magnetiziraju i stvaraju vlastito magnetsko polje čije se djelovanje pribraja djelovanju vanjskog magnetskog polja:

\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)

gdje je \(~\vec B\) indukcija magnetskog polja u tvari; \(~\vec B_0\) je magnetska indukcija polja u vakuumu, \(~\vec B_1\) je magnetska indukcija polja koja proizlazi iz magnetiziranja tvari. U tom slučaju tvar može ojačati ili oslabiti magnetsko polje. Utjecaj tvari na vanjsko magnetsko polje karakterizira vrijednost μ, koja se naziva magnetska permeabilnost tvari.

\(~\mu = \dfrac B(B_0).\)

• Magnetska propusnost je fizikalna skalarna veličina koja pokazuje koliko se puta indukcija magnetskog polja u određenoj tvari razlikuje od indukcije magnetskog polja u vakuumu.

Dia- i para-magneti

Sve tvari imaju određena magnetska svojstva, tj magneti. Za većinu tvari magnetska permeabilnost μ je blizu jedinici i ne ovisi o jakosti magnetskog polja. Tvari kod kojih je magnetska permeabilnost nešto manja od jedinice (μ< 1), называются dijamagnetski materijali, nešto veći od jedinice (μ > 1) - paramagnetski. Tvari čija magnetska permeabilnost ovisi o jakosti vanjskog polja i može znatno premašiti jedinicu (μ » 1) nazivaju se feromagneti.

Primjeri dijamagnetskih materijala su olovo, cink, bizmut (μ = 0,9998); paramagnetske tvari - natrij, kisik, aluminij (μ = 1,00023); feromagneti - kobalt, nikal, željezo (μ dostiže vrijednost od 8⋅10 3).

Prvo objašnjenje razloga zašto tijela imaju magnetska svojstva dao je Henri Ampère (1820.). Prema njegovoj hipotezi, unutar molekula i atoma cirkuliraju elementarne električne struje koje određuju magnetska svojstva bilo koje tvari.

Uzmimo neku čvrstu tvar. Njegova magnetizacija povezana je s magnetskim svojstvima čestica (molekula i atoma) od kojih se sastoji. Razmotrimo koji su strujni krugovi mogući na mikro razini. Magnetizam atoma je zbog dva glavna razloga:

1) kretanje elektrona oko jezgre u zatvorenim orbitama ( orbitalni magnetski moment) (Sl. 1);

2) intrinzična rotacija (spin) elektrona ( spinski magnetski moment) (slika 2).

Budući da se orbitalne ravnine različitih elektrona u atomu ne podudaraju, vektori indukcije magnetskog polja koje oni stvaraju (orbitalni i spinski magnetski momenti) usmjereni su pod različitim kutovima jedni prema drugima. Rezultirajući vektor indukcije višeelektronskog atoma jednak je vektorskom zbroju vektora indukcije polja koje stvaraju pojedinačni elektroni. Atomi s djelomično ispunjenim elektronskim ljuskama imaju nekompenzirana polja. U atomima s ispunjenim elektronskim ljuskama, rezultirajući vektor indukcije je 0.

U svim slučajevima promjena magnetskog polja uzrokovana je pojavom struja magnetiziranja (uočava se pojava elektromagnetske indukcije). Drugim riječima, princip superpozicije za magnetsko polje ostaje važeći: polje unutar magneta je superpozicija vanjskog polja \(~\vec B_0\) i polja \(~\vec B"\) struja magnetiziranja ja, koji nastaju pod utjecajem vanjskog polja. Ako je polje struja magnetizacije usmjereno na isti način kao vanjsko polje, tada će indukcija ukupnog polja biti veća od vanjskog polja (slika 3, a) - u ovom slučaju kažemo da tvar pojačava polje ; ako je polje struja magnetizacije usmjereno suprotno od vanjskog polja, tada će ukupno polje biti manje od vanjskog polja (slika 3, b) - u tom smislu kažemo da tvar slabi magnetsko polje.

U dijamagnetski materijali molekule nemaju vlastito magnetsko polje. Pod utjecajem vanjskog magnetskog polja u atomima i molekulama, polje struja magnetizacije usmjereno je suprotno od vanjskog polja, stoga će veličina vektora magnetske indukcije \(~\vec B\) rezultirajućeg polja biti manja od veličina vektora magnetske indukcije \(~\vec B_0\) vanjskog polja.

U paramagneti molekule imaju vlastito magnetsko polje. U nedostatku vanjskog magnetskog polja, zbog toplinskog gibanja, vektori indukcije magnetskih polja atoma i molekula nasumično su orijentirani, pa je njihova prosječna magnetizacija nula (slika 4, a). Kada se vanjsko magnetsko polje primijeni na atome i molekule, počinje djelovati moment sile koji ih nastoji rotirati tako da njihova polja budu usmjerena paralelno s vanjskim poljem. Orijentacija paramagnetskih molekula dovodi do činjenice da je tvar magnetizirana (slika 4, b).

Potpuna orijentacija molekula u magnetskom polju onemogućena je njihovim toplinskim gibanjem, stoga magnetska permeabilnost paramagnetskih materijala ovisi o temperaturi. Očito je da se s povećanjem temperature smanjuje magnetska permeabilnost paramagnetskih materijala.

Feromagneti

Sam naziv ove klase magnetskih materijala dolazi od latinskog naziva za željezo - Ferrum. Glavna značajka ovih tvari je sposobnost održavanja magnetizacije u odsutnosti vanjskog magnetskog polja; svi trajni magneti pripadaju klasi feromagneta. Osim željeza, njegovi "susjedi" na periodnom sustavu - kobalt i nikal - imaju feromagnetska svojstva. Feromagnetski materijali nalaze široku praktičnu primjenu u znanosti i tehnologiji, stoga je razvijen značajan broj legura koje imaju različita feromagnetska svojstva.

Svi navedeni primjeri feromagneta odnose se na metale prijelazne skupine, čija elektronska ljuska sadrži nekoliko nesparenih elektrona, što dovodi do činjenice da ti atomi imaju značajno vlastito magnetsko polje. U kristalnom stanju, zbog međudjelovanja atoma u kristalima, nastaju područja spontanog magnetiziranja – domene. Dimenzije ovih domena su desetinke i stotinke milimetra (10 -4 − 10 -5 m), što znatno premašuje veličinu pojedinog atoma (10 -9 m). Unutar jedne domene, magnetska polja atoma usmjerena su strogo paralelno; orijentacija magnetskih polja drugih domena u odsutnosti vanjskog magnetskog polja proizvoljno se mijenja (slika 5).

Stoga, čak iu nemagnetiziranom stanju, unutar feromagneta postoje jaka magnetska polja, čija se orijentacija mijenja na slučajan, kaotičan način tijekom prijelaza iz jedne domene u drugu. Ako dimenzije tijela znatno premašuju dimenzije pojedinih domena, tada prosječno magnetsko polje koje stvaraju domene tog tijela praktički ne postoji.

Ako feromagnet stavite u vanjsko magnetsko polje U 0, tada se magnetski momenti domena počinju preuređivati. Međutim, ne dolazi do mehaničke prostorne rotacije dijelova tvari. Proces preokreta magnetizacije povezan je s promjenom kretanja elektrona, ali ne i s promjenom položaja atoma u čvorovima kristalne rešetke. Domene koje imaju najpovoljniju orijentaciju u odnosu na smjer polja povećavaju svoju veličinu na račun susjednih "pogrešno orijentiranih" domena, apsorbirajući ih. U tom se slučaju polje u tvari prilično značajno povećava.

Svojstva feromagneta

1) feromagnetska svojstva tvari pojavljuju se tek kada se odgovarajuća tvar nalazi u kristalnom stanju;

2) magnetska svojstva feromagneta jako ovise o temperaturi, budući da je orijentacija magnetskih polja domena spriječena toplinskim gibanjem. Za svaki feromagnet postoji određena temperatura pri kojoj se struktura domene potpuno razara i feromagnet se pretvara u paramagnet. Ova vrijednost temperature se zove Curiejeva točka. Tako je za čisto željezo Curiejeva temperatura približno 900°C;

3) feromagneti su magnetizirani do zasićenja u slabim magnetskim poljima. Slika 6 prikazuje kako se mijenja modul indukcije magnetskog polja B u čeliku s promjenom vanjskog polja B 0 ;

4) magnetska permeabilnost feromagneta ovisi o vanjskom magnetskom polju (slika 7).

To se objašnjava činjenicom da je u početku, s povećanjem B 0 magnetska indukcija B raste jače, pa će se stoga μ povećati. Zatim, na vrijednost magnetske indukcije B´ 0 dolazi do zasićenja (μ u ovom trenutku je maksimum) i s daljnjim povećanjem B 0 magnetska indukcija B 1 u tvari prestaje se mijenjati, a magnetska permeabilnost se smanjuje (teži 1):

\(~\mu = \dfrac B(B_0) = \dfrac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \dfrac (B_1)(B_0);\)

5) feromagneti pokazuju zaostalu magnetizaciju. Ako se npr. feromagnetska šipka stavi u solenoid kroz koji prolazi struja i magnetizira do zasićenja (točka A) (slika 8), a zatim smanjiti struju u solenoidu, a s njim i B 0, tada se može primijetiti da indukcija polja u štapu tijekom njegove demagnetizacije uvijek ostaje veća nego tijekom procesa magnetizacije. Kada B 0 = 0 (struja u solenoidu je isključena), indukcija će biti jednaka B r(rezidualna indukcija). Šipka se može ukloniti iz solenoida i koristiti kao trajni magnet. Da biste konačno demagnetizirali šipku, morate kroz solenoid propustiti struju u suprotnom smjeru, tj. nanesite vanjsko magnetsko polje suprotnog smjera od vektora indukcije. Povećavajući sada modul indukcije ovog polja na B oc, demagnetizirajte šipku ( B = 0).).

Dakle, kod magnetiziranja i demagnetiziranja feromagneta, indukcija B zaostaje B 0 . Ovaj zaostatak se zove fenomen histereze. Krivulja prikazana na slici 8 naziva se histerezna petlja.

Oblik krivulje magnetizacije (petlja histereze) značajno varira za različite feromagnetske materijale, koji su našli vrlo široku primjenu u znanstvenim i tehničkim primjenama. Neki magnetski materijali imaju široku petlju s visokim vrijednostima remanencije i koercitivnosti, tzv magnetski tvrd a koriste se za izradu permanentnih magneta. Druge feromagnetske legure karakteriziraju niske vrijednosti koercitivne sile; takvi se materijali lako magnetiziraju i remagnetiziraju čak iu slabim poljima. Takvi materijali se nazivaju magnetski mekan a koriste se u raznim električnim uređajima - relejima, transformatorima, magnetskim krugovima itd.

Književnost

1. Aksenovich L. A. Fizika u srednjoj školi: teorija. Zadaci. Testovi: Udžbenik. dodatak za ustanove općeg obrazovanja. okoliš, obrazovanje / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P.330-335.
2. Zhilko, V.V. Fizika: udžbenik. dodatak za 11. razred. opće obrazovanje škola s ruskog Jezik obuka / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovič. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - str. 291-297.