물질의 자기적 성질과 구조

자기화학은 ​​물질의 자기적 특성과 분자 구조와의 관계를 연구하는 화학 분야입니다. 과학으로서의 그것의 형성은 자기의 기본 법칙이 발견된 20세기 초로 거슬러 올라갑니다.

물질의 자기적 성질

자성은 물질의 기본 특성이다. 철 물체를 끌어당기는 영구 자석의 능력은 고대부터 알려져 왔습니다. 전자기학의 발달로 자연에 존재하는 영구 자석보다 더 강한 전자석을 만드는 것이 가능해졌습니다. 일반적으로 전자기 현상을 활용한 다양한 도구와 장치가 널리 퍼져 있어 이제 전자기 현상이 없는 삶을 상상하는 것은 불가능합니다.

그러나 영구 자석뿐만 아니라 다른 모든 물질도 자기장과 상호 작용합니다. 물질과 상호 작용하는 자기장은 진공에 비해 그 값이 변경됩니다(이하 모든 공식은 SI 시스템으로 작성됨).

여기서 µ 0 은 4p 10 -7 H/m에 해당하는 자기 상수, µ는 물질의 투자율, B는 자기 유도(T 단위), H는 자기장 강도(A/m 단위)입니다. 대부분의 물질에 대해 m은 1에 매우 가깝기 때문에 주요 대상이 분자인 자기화학에서는 자기 민감도라고 불리는 값 c를 사용하는 것이 더 편리합니다. 이는 물질의 부피, 질량 또는 수량 단위에 기인할 수 있으며, 이에 따라 부피 측정(무차원)이라고 합니다. 이력서, 특정한 CD(cm3/g 단위) 또는 몰 센티미터(cm3/mol 단위) 자기 민감도.

물질은 두 가지 범주로 나눌 수 있습니다. 자기장을 약화시키는 물질 (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – 상자성. 불균일한 자기장에서는 반자성 물질에 힘이 작용하여 자기장 밖으로 밀어내는 반면, 상자성 물질에는 힘이 작용하여 끌어당기는 것을 상상할 수 있습니다. 물질의 자기적 특성을 측정하기 위해 아래에 설명된 방법은 이에 기초합니다. 반자성체(이것은 대부분의 유기 및 고분자 화합물)와 주로 상자성체는 자기화학 연구의 대상입니다.

반자성은 물질의 가장 중요한 특성입니다. 왜냐하면 자기장의 영향으로 채워진 전자 껍질(작은 전도체로 생각할 수 있음)의 전자가 세차 운동을 시작하고 알려진 바와 같이 모든 움직임이 발생하기 때문입니다. 전하는 자기장을 발생시키며, 렌츠의 법칙에 따르면 외부 자기장의 영향을 줄이기 위해 자기장이 이렇게 유도됩니다. 이 경우 전자 세차는 순환 전류로 간주될 수 있습니다. 반자성은 수소 원자를 제외한 모든 물질의 특징입니다. 모든 물질은 전자쌍을 이루고 전자 껍질을 채웠기 때문입니다.

상자성(Paramagnetism)은 짝을 이루지 않은 전자에 의해 발생하는데, 이는 자신의 자기 모멘트(스핀)가 어떤 식으로든 균형을 이루지 않기 때문에 소위 말하는 것입니다(따라서 쌍을 이룬 전자의 스핀은 반대 방향으로 향하고 서로 상쇄됩니다). 자기장에서 스핀은 자기장의 방향으로 정렬되어 강화되는 경향이 있지만, 이 순서는 혼란스러운 열 운동에 의해 파괴됩니다. 따라서 상자성 감수성은 온도에 따라 달라지는 것이 분명합니다. 온도가 낮을수록 감수성 값이 높아집니다.

이러한 유형의 자기 민감성은 외부 자기장에서 기본 자기 모멘트의 방향이 원인이기 때문에 방향성 상자성이라고도 합니다.

원자 내 전자의 자기적 특성은 두 가지 방식으로 설명할 수 있습니다. 첫 번째 방법에서는 전자 자체(스핀) 자기 모멘트가 궤도(핵 주위의 전자 이동으로 인해) 모멘트에 영향을 미치지 않거나 그 반대의 경우도 마찬가지라고 믿어집니다. 더 정확하게 말하면, 이러한 상호 영향은 항상 존재하지만(스핀-궤도 상호작용), 3d 이온의 경우 이는 작으며 자기 특성은 두 양자수 L(궤도) 및 S(스핀)에 의해 충분히 정확하게 설명될 수 있습니다. 더 무거운 원자의 경우 이러한 근사는 허용되지 않으며 총 자기 모멘트 J의 또 다른 양자수가 도입됩니다. 이는 | L+S | 전에 | L~S |

자기 상호작용 에너지가 작다는 점에 주의를 기울여야 합니다(실내 온도와 실험실에서 흔히 볼 수 있는 자기장의 경우 자기 상호작용 에너지는 분자의 열 운동 에너지보다 3~4배 정도 작습니다).

온도가 낮아지면 처음에는 상자성체처럼 행동하다가 특정 온도에 도달하면 자기 특성이 급격하게 변하는 물질이 꽤 많이 있습니다. 가장 유명한 예는 강자성체와 철이라는 이름을 얻은 물질로, 퀴리 온도 이하의 원자 자기 모멘트가 한 방향으로 정렬되어 자발적인 자화를 유발합니다. 그러나 거시적 자화는 자기장이 없으면 발생하지 않습니다. 왜냐하면 샘플이 영역이라고 불리는 약 1μm 크기의 영역으로 자발적으로 나누어지기 때문입니다. 이 영역 내에서 기본 자기 모멘트는 동일한 방식으로 향하지만 서로 다른 자화 도메인은 무작위로 방향이 지정되며 평균적으로 서로 보상됩니다. 강자성 전이를 일으키는 힘은 양자역학 법칙을 통해서만 설명할 수 있습니다.

반강자성체는 반강자성 전이 온도(Néel 온도 TN)에서 스핀 자기 모멘트가 서로 상쇄되는 방식으로 정렬된다는 사실이 특징입니다.

자기 모멘트의 보상이 불완전한 경우 이러한 물질을 페리자성체(예: Fe2O3 및 FeCr2O4)라고 합니다. 마지막 세 종류의 화합물은 고체이며 주로 물리학자들에 의해 연구됩니다. 지난 수십 년 동안 물리학자와 화학자들은 새로운 자성 물질을 만들어냈습니다.

짝을 이루지 않은 전자를 포함하는 분자에서 나머지 (쌍을 이루는) 전자는 자기장을 약화시키지만 각각의 기여도는 2~3배 정도 적습니다. 그러나 짝을 이루지 않은 전자의 자기 특성을 매우 정확하게 측정하려면 소위 반자성 보정을 도입해야 하며, 특히 큰 유기 분자의 경우 수십 퍼센트에 도달할 수 있습니다. 분자 내 원자의 반자성 민감성은 파스칼-랑주뱅의 덧셈 법칙에 따라 서로 더해집니다. 이를 위해 각 유형의 원자의 반자성 민감도에 분자 내 해당 원자의 수를 곱한 다음 구조적 특징(이중 및 삼중 결합, 방향족 고리 등)에 대한 구성적 수정이 도입됩니다. 물질의 자기 특성이 실험적으로 어떻게 연구되는지 살펴 보겠습니다.

자기지속성의 실험적 측정

자기 민감도를 결정하는 주요 실험 방법은 지난 세기에 만들어졌습니다. Gouy의 방법에 따르면 자기장이 없는 경우와 비교하여 자기장이 있는 샘플의 무게 변화를 측정합니다.

패러데이 방법은 불균일한 자기장에서 샘플에 작용하는 힘을 측정합니다.

Gouy 방법과 Faraday 방법의 주요 차이점은 첫 번째 경우에는 불균질성이 (확장된) 패턴을 따라 유지되고 두 번째 경우에는 자기장을 따라 유지된다는 것입니다.

Quincke 방법은 액체와 용액에만 사용됩니다. 자기장의 영향으로 모세관 내 액체 기둥의 높이 변화를 측정합니다.

이 경우 반자성 액체의 경우 기둥 높이가 감소하고 상자성 액체의 경우 기둥 높이가 증가합니다.

점도계 방법은 자기장이 켜져 있고(tH) 꺼진 상태(t0)에서 작은 구멍을 통해 액체가 흐르는 시간을 측정합니다. 자기장 내에서 상자성 액체의 유동 시간은 반자성 액체의 경우보다 눈에 띄게 짧으며 그 반대입니다.

자기감수성은 NMR 분광계를 사용하여 측정할 수도 있습니다. 참고: 일반적인 경우 NMR 신호의 화학적 이동 크기는 연구 중인 핵의 전자 밀도를 측정하는 스크리닝 상수뿐만 아니라 샘플의 자기 민감도에 의해 결정됩니다.

상자성 물질에 대해 얻은 자화율 값은 짝을 이루지 않은 전자의 수(짝을 이루지 않은 전자 1개에 대해)에 의해 결정됩니다.

자기화학적 연구를 통해 배위(복합) 화합물의 화학 기초를 형성하는 전이 금속 화합물의 전자 구성을 확립할 수 있습니다.

자기 민감도를 측정하면 산화 정도와 복합체의 첫 번째 배위 구의 기하학적 구조를 쉽게 판단할 수 있습니다.

착화합물 형성반응을 포함하여 실제로 중요한 대부분의 화학반응은 용액에서 일어나는 것으로 알려져 있으므로, 다음 섹션에서는 전이금속 화합물이 착물의 형태로 구현되는 용액의 자기적 특성을 고려할 것입니다.

용액의 자기적 민감성

고체에서 용액으로 이동할 때 용매와 모든 용질의 자화율을 고려해야 합니다. 이 경우 이를 고려하는 가장 간단한 방법은 가산성 규칙에 따라 솔루션의 모든 구성 요소의 기여도를 합산하는 것입니다. 가산성의 원리는 실험 데이터를 처리하는 기본 원리 중 하나입니다. 그것으로부터의 편차는 가산성 원리 자체가 충족되고 솔루션의 구성 요소가 해당 속성을 변경한다는 사실과 가장 자주 관련됩니다. 따라서 용액의 자화율은 농도를 고려하여 개별 구성 요소의 자화율의 합과 같다고 가정됩니다.

서로 다른 용매에서 동일한 물질의 자기 특성을 연구한 결과, 용매의 특성에 따라 크게 달라질 수 있다는 것이 분명해졌습니다. 이는 용매 분자가 첫 번째 배위 영역으로 들어가는 것과 복합체의 전자 구조, d-오비탈의 에너지(D) 및 용매화물 복합체의 기타 특성의 해당 변화로 설명될 수 있습니다. 따라서 자기화학은 ​​용매화, 즉 용질과 용매의 상호작용을 연구하는 것도 가능하게 합니다.

자기장이 용액의 특성에 영향을 미치고 수많은 실험적 사실(밀도, 점도, 전기 전도도, 양성자 농도, 자기 민감도 측정)이 이것이 사실임을 나타내는 경우 개인 간의 상호 작용 에너지는 다음과 같이 인식되어야 합니다. 용액의 성분과 물 분자의 앙상블은 상당히 높으며, 이는 용액 내 입자의 열 운동 에너지와 비슷하거나 초과하며, 이는 용액에 대한 모든 영향을 평균화합니다. 하나의 입자(분자)의 자기적 상호 작용 에너지는 열 운동 에너지에 비해 작다는 것을 기억해 봅시다. 이러한 상호 작용은 물과 수용액에서 수소 결합의 협동적 특성으로 인해 용해된 물질의 영향으로 강화되거나 파괴될 수 있는 물 분자의 얼음과 같은 구조적 앙상블이 실현된다는 점을 받아들인다면 가능합니다. 이러한 "조립체"의 형성 에너지는 분명히 열 운동 에너지와 비슷하며 자기 영향 하에서 용액은 이를 기억하고 새로운 특성을 얻을 수 있지만 브라운 운동이나 온도 증가는 일정 시간이 지나면 이 "기억"을 제거합니다.

반자성 용매에서 상자성 물질의 농도를 정확하게 선택함으로써 비자성 액체, 즉 평균 자화율이 0이거나 진공에서와 마찬가지로 자기장이 전파되는 액체를 만드는 것이 가능합니다. 이 흥미로운 속성은 아직 기술에 적용되지 않았습니다.

수많은 실험에 따르면 자기장에 놓인 모든 물질은 자화되어 자체 자기장을 생성하며 그 작용은 외부 자기장의 작용에 추가됩니다.

물질의 자기장 유도는 어디에 있습니까? - 진공에서 자기장의 자기 유도 - 물질의 자화로 인해 발생하는 자기장의 자기 유도.

이 경우 물질은 자기장을 강화하거나 약화시킬 수 있습니다. 외부 자기장에 대한 물질의 영향은 물질의 투자율이라는 값을 특징으로 합니다.

자기 투자율주어진 물질의 자기장 유도가 진공에서의 자기장 유도와 몇 배나 다른지 보여주는 물리적 스칼라 양입니다.

외부 자기장을 약화시키는 물질을 물질이라 한다. 반자성 재료(비스무트, 질소, 헬륨, 이산화탄소, 물, 은, 금, 아연, 카드뮴 등).

외부 자기장을 강화하는 물질 - 파라마그넷(알루미늄, 산소, 백금, 구리, 칼슘, 크롬, 망간, 코발트 염 등).

반자성 재료의 경우 >1. 그러나 두 경우 모두 1과의 차이는 작습니다(단위의 수만분의 일 또는 십만분의 1). 예를 들어 비스무스의 경우 = 0.9998 = 1.000입니다.

일부 물질(철, 코발트, 니켈, 가돌리늄 및 다양한 합금)은 외부 장을 매우 크게 향상시킵니다. 그들 불리는 강자성체. 그들에게는 = 10 3 -10 5.

앙페르는 신체가 자기적 특성을 갖는 이유를 최초로 설명했습니다. 그의 가설에 따르면 기본 전류는 모든 물질의 자기 특성을 결정하는 분자와 원자 내부를 순환합니다.

이제 모든 원자와 기본 입자는 실제로 자기 특성을 가지고 있다는 것이 확립되었습니다. 원자의 자기적 특성은 주로 원자에 포함된 전자에 의해 결정됩니다.

E. 러더퍼드(E. Rutherford)와 N. 보어(N. Bohr)가 제안한 원자의 반고전적 모델에 따르면, 원자 내의 전자는 닫힌 궤도에서 핵 주위를 이동합니다(첫 번째 근사치에서는 전자가 원형이라고 가정할 수 있습니다). 전자의 움직임은 기본 원형 전류로 표현될 수 있습니다. 여기서 e는 전자의 전하이고, v는 궤도에서 전자의 회전 주파수입니다. 이 전류는 자기 모멘트를 특징으로 하는 자기장을 형성합니다. 그 계수는 S가 궤도 면적인 공식에 의해 결정됩니다.

핵 주위의 운동으로 인한 전자의 자기 모멘트를 궤도 자기 모멘트. 궤도 자기 모멘트는 벡터량이며 방향은 오른쪽 나사 법칙에 의해 결정됩니다. 전자가 시계 방향으로 움직이면 (그림 1) 전류는 시계 반대 방향 (양전하 이동 방향)으로 향하고 벡터는 궤도 평면에 수직입니다.

원자에 있는 서로 다른 전자의 궤도 평면이 일치하지 않기 때문에 그들의 자기 모멘트는 서로 다른 각도로 향합니다. 다중전자 원자의 결과적인 궤도 자기 모멘트는 개별 전자의 궤도 자기 모멘트의 벡터 합과 같습니다.

부분적으로 채워진 전자 껍질을 가진 원자는 보상되지 않은 궤도 자기 모멘트를 갖습니다. 채워진 전자 껍질을 가진 원자에서는 0과 같습니다.

궤도 자기 모멘트 외에도 전자는 다음을 갖습니다. 고유(스핀) 자기 모멘트, 이는 1922년 O. Stern과 W. Gerlach에 의해 처음 확립되었습니다. 전자 내 자기장의 존재는 자체 축을 중심으로 한 회전으로 설명되었지만 문자 그대로 전자를 회전하는 전하 공에 비유해서는 안 됩니다(상단) ).

전자의 자기장은 질량 및 전하와 동일한 필수 특성이라는 것이 확실하게 확립되었습니다. 매우 대략적으로 전자는 전기장과 자기장으로 둘러싸인 아주 작은 공으로 상상할 수 있습니다(그림 2). 모든 전자의 자기장은 질량과 전하와 마찬가지로 동일합니다. 스핀 자기 모멘트는 회전축을 따라 향하는 벡터입니다. 두 가지 방법으로만 방향을 지정할 수 있습니다: 따라... 또는 반대... 전자가 있는 곳에 외부 자기장이 있는 경우 필드를 따라 또는 필드에 반대합니다. 양자 물리학에서 볼 수 있듯이, 스핀 자기 모멘트가 반대인 전자 두 개만이 동일한 에너지 상태에 있을 수 있습니다(파울리 원리).

다중전자 원자에서는 궤도 모멘트와 마찬가지로 개별 전자의 스핀 자기 모멘트가 벡터로 합산됩니다. 이 경우 전자 껍질이 채워진 원자에 대한 원자의 스핀 자기 모멘트는 0과 같습니다.

원자(분자)의 총 자기 모멘트는 원자(분자)에 들어가는 전자의 자기 모멘트(궤도 및 스핀)의 벡터 합과 같습니다.

반자성체는 외부 자기장이 없으면 모든 스핀과 궤도 자기 모멘트가 보상되기 때문에 자체 자기 모멘트를 갖지 않는 원자로 구성됩니다.

외부 자기장은 반자성 물질의 원자 전체에 작용하는 것이 아니라 자기 모멘트가 0과 다른 원자의 개별 전자에 작용합니다. 주어진 순간에 전자의 속도가 외부 장의 자기 유도와 특정 각도(그림 3)를 이룬다고 가정해 보겠습니다.

구성 요소 덕분에 전자는 로렌츠 힘(그림 3에서 우리를 향하는 힘)에 의해 작용하게 되며, 이는 필드가 없을 때 전자가 참여하는 다른 움직임에 더해 추가적인 움직임을 유발합니다. 원. 그러나 이 움직임은 추가 원형 전류를 나타내며, 이는 오른쪽 나사의 규칙에 따라 방향을 향하는 자기 모멘트(유도)를 특징으로 하는 자기장을 생성합니다. 결과적으로 반자성 물질은 외부 자기장을 약화시킵니다.

파라자석은 순 원자 자기 모멘트가 . 외부 필드가 없으면 이러한 모멘트는 무작위로 방향이 지정되며 물질 전체가 주변에 자기장을 생성하지 않습니다. 상자성 물질을 자기장에 놓으면 우대필드를 따라 벡터의 방향이 결정됩니다(이는 입자의 열 이동으로 인해 방지됩니다). 따라서 상자성 물질은 자화되어 외부 자기장과 방향이 일치하고 강화되는 자체 자기장을 생성합니다. 이 효과를 상자성이라고 합니다. 외부 자기장이 0으로 약해지면 열 운동으로 인한 자기 모멘트의 방향이 중단되고 상자성체가 감자됩니다. 상자성 물질에서는 반자성 효과도 관찰되지만 상자성 효과보다 훨씬 약합니다.

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연방 교육 기관 고등 전문 교육 기관

"보로네시 주립대학교"

(GOU VPO VSU)

지질학 학부

환경지질학과

수필

주제: 물질의 자기적 특성

완료자: 1학년 학생, gr. 9호

아고시코바 예카테리나 블라디미로브나

검토자:

부교수, 과학 후보 Voronova T.A.

물질의 자기적 성질

물질의 자기 투자율

외부 자기장의 작용에 따른 물질 분류

반강자성체 및 페리자성체

영구자석

퀴리점

문학

물질의 자기적 성질

자기-- 자기장을 통해 멀리 떨어진 곳에서 수행되는 움직이는 전하 사이의 상호 작용 형태.

물질의 자기적 성질은 앙페르의 가설에 따라 설명됩니다.

앙페르의 가설- 신체의 자기적 특성은 신체 내부를 순환하는 전류로 설명할 수 있습니다.

원자 내부에는 궤도에서 전자의 움직임으로 인해 기본 자기장을 생성하는 기본 전류가 있습니다.

1. 물질에 자기 특성이 없으면 기본 자기장은 방향이 정해지지 않습니다(열 운동으로 인해).

2. 물질이 자기적 성질을 가지고 있다면, 기본 자기장은 동일한 방향(배향)을 가지며 물질 자체의 내부 자기장이 형성됩니다.

자화됨자기장을 생성하는 물질이라고 합니다. 자화는 물질이 외부 자기장에 놓일 때 발생합니다.

자기 암페어 반강자성체 퀴리

자기그리고 나물질의 투과성

외부 자기장에 대한 물질의 영향은 크기로 특징 지어집니다. 중 , 이는 호출됩니다. 물질의 투자율.

자기 투자율 주어진 물질의 자기장 유도가 진공에서의 자기장 유도와 몇 배나 다른지를 나타내는 물리적 스칼라 양입니다.

B는 어디 있어? -- 물질의 자기장 유도; 비? 0 - 진공에서 자기장이 유도됩니다.

물질 분류외부 자기장의 작용으로 인해

1.디 자성재료와 [중<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.

부정적인 자기 감수성- 자석을 몸에 가져가면 끌리지 않고 밀어내는 현상입니다.

반자성체에는 예를 들어 불활성 가스, 수소, 인, 아연, 금, 질소, 규소, 비스무트, 구리 및 은이 포함됩니다. 즉, 초전도 상태이거나 공유결합을 갖고 있는 물질이다.

2. 피 아라마그넷 [m>1] - 약한 자성을 지닌 물질, 내부 자기장은 외부 자기장과 같은 방향으로 향합니다. 이러한 물질의 경우 자기 민감도는 존재하는 전계 강도에 의존하지 않습니다. 그래도 그녀는 긍정적이다. 즉, 상자성체가 영구자석에 접근하면 인력이 생긴다. 여기에는 알루미늄, 백금, 산소, 망간, 철이 포함됩니다.

3. 에프 정오자석 [m>>1] - 자성이 강한 물질은 내부 자기장이 외부 자기장보다 100~1000배 더 큽니다.

반자성 및 상자성 물질과 달리 이러한 물질의 경우 자기 민감도는 온도와 자기장의 강도에 따라 크게 좌우됩니다.

여기에는 니켈과 코발트 결정이 포함됩니다.

반강자성체 및 페리자성체

가열하는 동안 상자성 특성의 출현과 함께 주어진 물질의 상전이가 발생하는 물질을 호출합니다. 반강자성체. 온도가 특정 온도보다 낮아지면 물질의 이러한 특성이 관찰되지 않습니다. 이러한 물질의 예로는 망간과 크롬이 있습니다.

자기 감수성 페리자석또한 온도와 자기장 강도에 따라 달라집니다. 그러나 여전히 차이점이 있습니다. 이러한 물질에는 다양한 산화물이 포함됩니다.

위의 모든 자석은 두 가지 범주로 더 나눌 수 있습니다.

단단한 자성 재료.보자력 값이 높은 재료입니다. 이를 재자기화하려면 강력한 자기장을 생성해야 합니다. 이 재료는 영구 자석 제조에 사용됩니다.

연자성 재료, 반대로 보자력은 작습니다. 약한 자기장에서는 포화 상태에 들어갈 수 있습니다. 자화 반전으로 인해 손실이 적습니다. 이 때문에 이러한 재료는 교류로 작동하는 전기 기계의 코어를 만드는 데 사용됩니다. 예를 들어 전류 및 전압 변압기, 발전기 또는 비동기 모터입니다.

영구 자석에스

영구적인자석- 오랫동안 자화를 유지하는 몸체입니다.

영구 자석에는 항상 북쪽(N)과 남쪽(S)이라는 2개의 자극이 있습니다.

영구 자석의 자기장은 극에서 가장 강합니다.

영구 자석은 일반적으로 철, 강철, 주철 및 기타 철 합금(강한 자석)뿐만 아니라 니켈, 코발트(약한 자석)로 만들어집니다. 자석은 철광석, 자성 철광석 및 철을 자기장에 도입 할 때 자화하여 얻은 인공에서 자연 (천연) 될 수 있습니다.

자석 상호작용: 극과 마찬가지로 밀어내고, 극과 달리 끌어당깁니다.

자석의 상호 작용은 모든 자석에 자기장이 있고 이러한 자기장이 서로 상호 작용한다는 사실로 설명됩니다.

영구 자석의 자기장

철이 자화되는 이유는 무엇입니까? 프랑스 과학자 Ampere의 가설에 따르면 물질 내부에는 원자핵 주위와 자체 축 주위의 전자 이동의 결과로 형성되는 기본 전류 (암페어 전류)가 있습니다. 전자가 움직일 때 기본 자기장이 발생합니다. 철 조각이 외부 자기장에 유입되면 이 철의 모든 기본 자기장은 외부 자기장에서 동일하게 방향을 지정하여 자체 자기장을 형성합니다. 이것이 바로 철 조각이 자석이 되는 방식입니다.

자기장은 어떻게 생겼나요?영구 자석?

철제 서류를 사용하여 자기장의 유형에 대한 아이디어를 얻을 수 있습니다. 자석 위에 종이 한 장을 올려놓고 그 위에 철가루를 뿌리기만 하면 됩니다.

영구 스트립 자석용 영구 아크 자석용

퀴리점

퀴리점, 또는 퀴리 온도는 온도 변화에 따른 물질의 대칭 특성의 급격한 변화와 관련된 2차 상전이 온도이지만 다른 열역학적 매개변수(압력, 전기장 또는 자기장 강도)의 주어진 값에서 발생합니다. 퀴리 온도에서의 2차 상전이는 물질의 대칭 특성 변화와 관련이 있습니다. Tc에서는 모든 상전이의 경우 전자 스핀의 순서와 같은 모든 유형의 원자 순서가 사라집니다. 강유전체), 원자 자기 모멘트( 강자성체), 결정 격자의 노드를 따라 합금의 다양한 구성 요소 원자 배열의 질서 정연함(합금의 상전이). Tc 근처에서는 압전, 전기 광학 및 열과 같은 물리적 특성의 날카로운 이상이 관찰됩니다.

자기 퀴리점은 강자성 구역의 자발적인 자화가 사라지고 강자성이 상자성 상태로 변하는 상전이 온도입니다. 상대적으로 낮은 온도에서는 자기 모멘트의 정렬된 배열에 필연적으로 약간의 교란을 일으키는 원자의 열 운동이 중요하지 않습니다. 온도가 증가함에 따라 그 역할이 증가하고, 마지막으로 특정 온도(Tc)에서 원자의 열 운동이 자기 모멘트의 정렬된 배열을 파괴할 수 있으며 강자성체는 상자성체로 변합니다. 퀴리점 근처에서는 강자성체의 비자성 특성(저항률, 비열 용량, 선팽창 온도 계수)의 변화에서 여러 가지 특징이 관찰됩니다.

T c의 값은 자기 모멘트의 서로 연결 강도에 따라 달라지며, 강한 연결의 경우 다음과 같이 도달합니다. 순수한 철의 경우 T c = 768 o C, 코발트의 경우 T c = 1131 o C, 1000을 초과합니다. o 철-코발트 합금의 경우 C. 많은 물질의 경우 Tc는 작습니다(니켈의 경우 Tc = 358oC). Tc의 값으로 자기 모멘트의 서로 결합 에너지를 추정할 수 있습니다. 자기 모멘트의 정렬된 배열을 파괴하려면 쌍극자의 상호 작용 에너지와 자기장 내 자기 쌍극자의 위치 에너지를 훨씬 초과하는 열 운동 에너지가 필요합니다.

퀴리 온도에서 강자성체의 투자율은 퀴리점 위에서 거의 1과 같아지며, 자기 민감도의 변화는 다음과 같습니다. 퀴리-바이스 법칙.

각 강자성체에는 특정 온도, 즉 퀴리점이 있습니다.

1. 물질의 t인 경우< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.

2. 물질의 t > Curie t이면 강자성 특성(자화)이 사라지고 물질은 상자성이 됩니다. 따라서 영구 자석은 가열되면 자기 특성을 잃습니다.

문학

Zhilko, V.V. 물리학: 교과서. 11학년 수당. 일반 교육 학교 러시아어에서 언어 훈련 / V.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. -- Mn.: 나르. 아스베타, 2002. -- P. 291-297.

http://msk.edu.ua/

http://elhow.ru/

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

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프레젠테이션, 2011년 11월 16일에 추가됨


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초록, 2012년 12월 2일에 추가됨


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코스 작업, 2011년 1월 17일에 추가됨


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프레젠테이션, 2015년 7월 28일에 추가됨


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테스트, 2010년 10월 10일에 추가됨


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프레젠테이션, 2013년 10월 15일에 추가됨


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세상의 모든 물질은 특정한 자기 특성을 가지고 있습니다. 투자율로 측정됩니다. 이번 글에서는 물질의 자기적 성질에 대해 알아보겠습니다.

앙페르의 가설

자기 투자율은 주어진 환경에서 자기장 유도가 진공에서의 자기장 유도보다 몇 배나 작거나 큰지를 나타냅니다.

자신의 자기장을 생성하는 물질을 자화라고합니다. 자화는 물질이 외부 자기장에 놓일 때 발생합니다.

프랑스 과학자 Ampere는 그 이유를 확립했으며 그 결과 신체가 자기 특성을 소유하게 되었습니다. 앙페르의 가설은 물질 내부에 미세한 전류가 있다고 말합니다(전자는 전자 원자의 궤도 운동인 양자 특성을 갖는 자체 자기 모멘트를 가집니다). 물질의 자기 특성을 결정하는 것은 바로 그것들입니다. 전류의 방향이 불규칙하면 전류가 생성하는 자기장이 서로 상쇄됩니다. 본체는 자화되지 않습니다. 외부 자기장이 이러한 전류를 조절합니다. 결과적으로 물질은 자체 자기장을 발생시킵니다. 이것이 물질의 자화입니다.

물질의 자기 특성은 외부 자기장에 대한 물질의 반응과 내부 구조의 질서에 따라 결정됩니다. 이러한 매개변수에 따라 다음 그룹으로 나뉩니다.

• 파라자석
• 반자성체
• 강자성체
• 반강자성체

반자성 및 상자성

• 자기장의 강도와 관계없이 음의 자화율을 갖는 물질을 반자성 물질이라고 합니다. 물질의 어떤 자기 특성을 음의 자기 감수성이라고 부르는지 알아 봅시다. 자석을 몸에 가져가면 끌리지 않고 밀어내는 현상입니다. 반자성체에는 예를 들어 불활성 가스, 수소, 인, 아연, 금, 질소, 규소, 비스무트, 구리 및 은이 포함됩니다. 즉, 초전도 상태이거나 공유결합을 갖고 있는 물질이다.
• 상자성 재료. 이러한 물질의 경우 자기 민감도는 존재하는 전계 강도에 의존하지 않습니다. 그래도 그녀는 긍정적이다. 즉, 상자성체가 영구자석에 접근하면 인력이 생긴다. 여기에는 알루미늄, 백금, 산소, 망간, 철이 포함됩니다.

강자성체

양의 자기 민감도가 높은 물질을 강자성체라고 합니다. 반자성 및 상자성 물질과 달리 이러한 물질의 경우 자기 민감도는 온도와 자기장의 강도에 따라 크게 좌우됩니다. 여기에는 니켈과 코발트 결정이 포함됩니다.

반강자성체 및 페리자성체

• 가열하는 동안 주어진 물질의 상전이가 발생하고 상자성 특성이 나타나는 물질을 반강자성체라고 합니다. 온도가 특정 온도보다 낮아지면 물질의 이러한 특성이 관찰되지 않습니다. 이러한 물질의 예로는 망간과 크롬이 있습니다.
• 페리마그넷은 보상되지 않은 반강자성이 존재하는 것이 특징입니다. 자기 민감도는 온도와 자기장 강도에 따라 달라집니다. 그러나 여전히 차이점이 있습니다. 이러한 물질에는 다양한 산화물이 포함됩니다.

위의 모든 자석은 두 가지 범주로 더 나눌 수 있습니다.

• 단단한 자성 재료. 보자력 값이 높은 재료입니다. 이를 재자기화하려면 강력한 자기장을 생성해야 합니다. 이 재료는 영구 자석 제조에 사용됩니다.
• 이에 반해 연자성 재료는 보자력이 작습니다. 약한 자기장에서는 포화 상태에 들어갈 수 있습니다. 자화 반전으로 인해 손실이 적습니다. 이 때문에 이러한 재료는 교류로 작동하는 전기 기계의 코어를 만드는 데 사용됩니다. 예를 들어 전류 및 전압 변압기, 발전기 또는 비동기 모터입니다.

우리는 물질의 기본적인 자기적 성질을 모두 살펴보고 어떤 종류의 자석이 존재하는지 알아냈습니다.

수많은 실험에 따르면 자기장에 놓인 모든 물질은 자화되어 자체 자기장을 생성하며 그 작용은 외부 자기장의 작용에 추가됩니다.

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

여기서 \(~\vec B\)는 물질의 자기장 유도입니다. \(~\vec B_0\)은 진공에서 자기장의 자기 유도이고, \(~\vec B_1\)은 물질의 자화로 인해 발생하는 자기장의 자기 유도입니다. 이 경우 물질은 자기장을 강화하거나 약화시킬 수 있습니다. 외부 자기장에 대한 물질의 영향은 물질의 투자율이라고 불리는 값 μ로 특징 지어집니다.

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

• 자기 투자율주어진 물질의 자기장 유도가 진공에서의 자기장 유도와 몇 배나 다른지 보여주는 물리적 스칼라 양입니다.

다이아자석 및 파라자석

모든 물질은 특정 자기 특성을 가지고 있습니다. 자석. 대부분의 물질의 경우 투자율 μ는 1에 가깝고 자기장의 강도에 의존하지 않습니다. 투자율이 1(μ)보다 약간 작은 물질< 1), называются 반자성 재료, 1보다 약간 큼(μ > 1) - 상자성의. 투자율이 외부 장의 강도에 따라 달라지고 1(μ » 1)을 크게 초과할 수 있는 물질을 호출합니다. 강자성체.

반자성 물질의 예로는 납, 아연, 비스무트(μ = 0.9998); 상자성 물질 - 나트륨, 산소, 알루미늄(μ = 1.00023); 강자성체 - 코발트, 니켈, 철 (μ는 8⋅10 3 값에 도달함)

신체가 자기적 특성을 갖는 이유에 대한 첫 번째 설명은 Henri Ampère(1820)에 의해 제공되었습니다. 그의 가설에 따르면 기본 전류는 모든 물질의 자기 특성을 결정하는 분자와 원자 내부를 순환합니다.

단단한 물질을 섭취합시다. 그 자화는 그것을 구성하는 입자(분자 및 원자)의 자기 특성과 관련이 있습니다. 마이크로 레벨에서 어떤 전류 회로가 가능한지 고려해 봅시다. 원자의 자성은 두 가지 주요 이유에 기인합니다.

1) 닫힌 궤도에서 핵 주위의 전자의 움직임 ( 궤도 자기 모멘트) (그림 1);

2) 전자의 고유 회전(스핀)( 스핀 자기 모멘트) (그림 2).

원자에 있는 서로 다른 전자의 궤도 평면이 일치하지 않기 때문에 그에 의해 생성된 자기장 유도 벡터(궤도 및 스핀 자기 모멘트)는 서로 다른 각도로 향합니다. 다중전자 원자의 결과 유도 벡터는 개별 전자에 의해 생성된 장 유도 벡터의 벡터 합과 같습니다. 부분적으로 채워진 전자 껍질을 가진 원자는 보상되지 않은 필드를 갖습니다. 채워진 전자 껍질을 가진 원자에서 결과 유도 벡터는 0입니다.

모든 경우에 자기장의 변화는 자화 전류의 출현으로 인해 발생합니다 (전자기 유도 현상이 관찰됨). 즉, 자기장의 중첩 원리는 여전히 유효합니다. 자석 내부의 자기장은 외부 자기장 \(~\vec B_0\)과 자화 전류의 자기장 \(~\vec B"\)의 중첩입니다. 나', 외부 장의 영향으로 발생합니다. 자화 전류 장이 외부 장과 동일한 방식으로 향하면 전체 장의 유도는 외부 장보다 커집니다 (그림 3, a). 이 경우 물질이 장을 증폭한다고 말합니다. ; 자화 전류 장이 외부 자기장과 반대 방향으로 향하면 전체 자기장은 외부 자기장보다 작아집니다 (그림 3, b). 이러한 의미에서 물질이 자기장을 약화시킨다고 말합니다.

안에 반자성 재료분자에는 자체 자기장이 없습니다. 원자와 분자의 외부 자기장의 영향으로 자화 전류의 장은 외부 자기장과 반대 방향으로 향하므로 결과 필드의 자기 유도 벡터 \(~\vec B\)의 크기는 다음보다 작습니다. 외부 자기장의 자기 유도 벡터 \(~\vec B_0\)의 크기.

안에 파라마그넷분자에는 자체 자기장이 있습니다. 외부 자기장이 없으면 열 운동으로 인해 원자와 분자의 자기장의 유도 벡터는 무작위로 방향이 지정되므로 평균 자화가 0입니다 (그림 4, a). 외부 자기장이 원자와 분자에 가해지면 힘의 순간이 작용하기 시작하여 자기장이 외부 자기장과 평행하도록 회전시키려는 경향이 있습니다. 상자성 분자의 방향은 물질이 자화된다는 사실로 이어집니다 (그림 4, b).

자기장에서 분자의 완전한 방향은 열 운동으로 인해 방지되므로 상자성 물질의 투자율은 온도에 따라 달라집니다. 온도가 증가함에 따라 상자성 물질의 투자율이 감소한다는 것은 명백합니다.

강자성체

이 종류의 자성 재료의 이름은 철의 라틴어 이름인 Ferrum에서 유래되었습니다. 이러한 물질의 주요 특징은 외부 자기장이 없을 때 자화를 유지하는 능력입니다. 모든 영구 자석은 강자성체 클래스에 속합니다. 철 외에도 주기율표의 "이웃"인 코발트와 니켈은 강자성 특성을 가지고 있습니다. 강자성 재료는 과학 및 기술 분야에서 광범위하게 실용적으로 적용되므로 다양한 강자성 특성을 갖는 상당수의 합금이 개발되었습니다.

주어진 강자성체의 모든 예는 전자 껍질에 여러 개의 짝을 이루지 않은 전자가 포함되어 있는 전이족 금속을 의미하며, 이로 인해 이들 원자는 자체적으로 상당한 자기장을 갖게 됩니다. 결정 상태에서는 결정 내의 원자 사이의 상호 작용으로 인해 자발적인 자화 영역(도메인)이 발생합니다. 이러한 영역의 크기는 10분의 1 및 100분의 1밀리미터(10 -4 − 10 -5 m)이며 이는 개별 원자의 크기(10 -9 m)를 크게 초과합니다. 한 영역 내에서 원자의 자기장은 외부 자기장이 없을 때 다른 영역의 자기장의 방향이 임의로 변경되는 것과 완전히 평행하게 배향됩니다(그림 5).

따라서 자화되지 않은 상태에서도 강자성체 내부에는 강한 자기장이 존재하며, 한 영역에서 다른 영역으로 전환하는 동안 방향이 무작위적이고 혼란스러운 방식으로 변경됩니다. 신체의 크기가 개별 영역의 크기를 크게 초과하면 이 신체의 영역에 의해 생성된 평균 자기장이 실제로 존재하지 않습니다.

외부 자기장에 강자성체를 놓으면 안에 0이면 도메인의 자기 모멘트가 재배열되기 시작합니다. 그러나 물질 단면의 기계적 공간 회전은 발생하지 않습니다. 자화 반전 과정은 전자 이동의 변화와 관련이 있지만 결정 격자 노드의 원자 위치 변화와는 관련이 없습니다. 자기장 방향에 비해 가장 유리한 방향을 가진 도메인은 인접한 "잘못된 방향" 도메인을 흡수하여 크기를 늘리며 이를 흡수합니다. 이 경우 물질의 장은 상당히 크게 증가합니다.

강자성체의 성질

1) 물질의 강자성 특성은 해당 물질이 위치할 때만 나타납니다. 결정질 상태;

2) 강자성체의 자기 특성은 도메인의 자기장의 방향이 열 운동에 의해 방해되기 때문에 온도에 크게 의존합니다. 각 강자성체에는 도메인 구조가 완전히 파괴되고 강자성체가 상자성체로 변하는 특정 온도가 있습니다. 이 온도 값을 퀴리점. 따라서 순철의 경우 퀴리 온도는 약 900°C입니다.

3) 강자성체가 자화된다 포화될 때까지약한 자기장에서. 그림 6은 자기장 유도 계수가 어떻게 변하는지 보여줍니다. 비외부 장의 변화에 ​​따른 강철의 경우 비 0 ;

4) 강자성체의 투자율은 외부 자기장에 따라 달라집니다(그림 7).

이는 처음에는 증가함에 따라 비 0 자기 유도 비더 강하게 성장하므로 μ는 증가할 것입니다. 그러면 자기유도 값에서 비' 0 포화가 발생하고(이 순간의 μ는 최대임) 더 증가합니다. 비 0 자기 유도 비물질의 1이 더 이상 변화하지 않고 투자율이 감소합니다(1이 되는 경향이 있음).

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

5) 강자성체는 잔류 자화를 나타냅니다. 예를 들어 강자성 막대를 전류가 통과하는 솔레노이드에 배치하고 포화될 때까지 자화하는 경우(점 ㅏ) (그림 8) 그런 다음 솔레노이드의 전류를 줄입니다. 비 0이면 자화 과정에서 막대의 자기장 유도가 자화 과정보다 항상 더 크게 유지된다는 것을 알 수 있습니다. 언제 비 0 = 0 (솔레노이드의 전류가 꺼짐), 유도는 다음과 같습니다. 브르(잔류 유도). 로드를 솔레노이드에서 제거하여 영구 자석으로 사용할 수 있습니다. 로드의 자기를 최종적으로 없애려면 솔레노이드를 통해 반대 방향으로 전류를 흘려야 합니다. 유도 벡터의 반대 방향으로 외부 자기장을 적용합니다. 이제 이 장의 유도 계수를 다음과 같이 증가시킵니다. Boc, 막대의 자기를 없애십시오 ( 비 = 0).).

따라서 강자성체를 자화 및 탈자화할 때 유도는 비뒤처져 있다 비 0 . 이 지연을 히스테리시스 현상. 그림 8에 표시된 곡선은 다음과 같습니다. 히스테리시스 루프.

자화 곡선(히스테리시스 루프)의 모양은 과학 및 기술 응용 분야에서 매우 널리 사용되는 다양한 강자성 재료에 따라 크게 다릅니다. 일부 자성 재료는 높은 잔류성 및 보자력 값을 갖는 넓은 루프를 가지고 있습니다. 자기적으로 단단한영구 자석을 만드는 데 사용됩니다. 다른 강자성 합금은 보자력 값이 낮다는 특징이 있습니다. 이러한 재료는 약한 자기장에서도 쉽게 자화되고 재자화됩니다. 그러한 재료를 자기적으로 부드러운릴레이, 변압기, 자기 회로 등 다양한 전기 장치에 사용됩니다.

문학

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