MAGNETNE LASTNOSTI IN ZGRADBA SNOVI

Magnetokemija je veja kemije, ki preučuje magnetne lastnosti snovi, pa tudi njihov odnos s strukturo molekul. Njegov nastanek kot znanosti lahko datiramo v začetek 20. stoletja, ko so odkrili osnovne zakonitosti magnetizma.

MAGNETNE LASTNOSTI SNOVI

Magnetizem je temeljna lastnost snovi. Sposobnost trajnih magnetov, da pritegnejo železne predmete, je znana že od antičnih časov. Razvoj elektromagnetizma je omogočil ustvarjanje elektromagnetov, močnejših od stalnih, ki obstajajo v naravi. Na splošno so razni instrumenti in naprave, ki temeljijo na uporabi elektromagnetnih pojavov, tako razširjeni, da si življenja brez njih danes ni več mogoče predstavljati.

Vendar z magnetnim poljem ne delujejo samo trajni magneti, ampak tudi vse druge snovi. Magnetno polje med interakcijo s snovjo spremeni svojo vrednost v primerjavi z vakuumom (v nadaljevanju so vse formule zapisane v sistemu SI):

kjer je µ 0 magnetna konstanta, enaka 4p 10 -7 H/m, µ je magnetna prepustnost snovi, B je magnetna indukcija (v T), H je jakost magnetnega polja (v A/m). Za večino snovi je m zelo blizu enote, zato je v magnetokemiji, kjer je glavni predmet molekula, bolj priročno uporabiti vrednost c, ki se imenuje magnetna susceptibilnost. Lahko se pripiše enoti prostornine, mase ali količine snovi, potem se temu ustrezno imenuje volumetrična (brezdimenzijska). cv, specifično CD(v cm3/g) ali molarno cm(v cm3/mol) magnetna občutljivost.

Snovi lahko razdelimo v dve kategoriji: tiste, ki oslabijo magnetno polje (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – paramagnetno. Lahko si predstavljamo, da v neenakomernem magnetnem polju na diamagnetni material deluje sila, ki ga potisne iz polja, na paramagnetni material pa nasprotno deluje sila, ki ga vleče vase. Spodaj obravnavane metode za merjenje magnetnih lastnosti snovi temeljijo na tem. Diamagneti (in to je velika večina organskih in visokomolekularnih spojin) in predvsem paramagneti so predmet proučevanja magnetokemije.

Diamagnetizem je najpomembnejša lastnost snovi, zaradi dejstva, da pod vplivom magnetnega polja začnejo elektroni v napolnjenih elektronskih lupinah (ki si jih lahko predstavljamo kot majhne prevodnike) precesirati, in kot je znano, vsako gibanje oz. električni naboj povzroči magnetno polje, ki bo po Lenzovem pravilu usmerjeno tako, da zmanjša vpliv zunanjega polja. V tem primeru lahko elektronsko precesijo obravnavamo kot krožne tokove. Diamagnetizem je značilen za vse snovi razen za atomski vodik, saj imajo vse snovi seznanjene elektrone in zapolnjene elektronske lupine.

Paramagnetizem povzročajo nesparjeni elektroni, ki se tako imenujejo, ker njihov lastni magnetni moment (spin) nikakor ni uravnotežen (skladno s tem so spini spanih elektronov usmerjeni v nasprotni smeri in se med seboj izničijo). V magnetnem polju se vrtljaji nagibajo k vrsti v smeri polja in ga krepijo, čeprav je ta red moten zaradi kaotičnega toplotnega gibanja. Zato je jasno, da je paramagnetna občutljivost odvisna od temperature – nižja kot je temperatura, višja je vrednost občutljivosti.

Ta vrsta magnetne občutljivosti se imenuje tudi orientacijski paramagnetizem, saj je njen vzrok orientacija elementarnih magnetnih momentov v zunanjem magnetnem polju.

Magnetne lastnosti elektronov v atomu lahko opišemo na dva načina. Pri prvi metodi velja, da lastni (spinski) magnetni moment elektrona ne vpliva na orbitalni (zaradi gibanja elektronov okoli jedra) moment ali obratno. Natančneje, takšen medsebojni vpliv vedno obstaja (spin-orbitalna interakcija), vendar je za 3d ione majhen, magnetne lastnosti pa lahko dovolj natančno opišemo z dvema kvantnima številoma L (orbitalno) in S (spin). Za težje atome takšen približek postane nesprejemljiv in uvede se drugo kvantno število celotnega magnetnega momenta J, ki lahko zavzame vrednosti od | L+S | pred | L–S |

Pozornost je treba nameniti majhnosti energije magnetne interakcije (pri sobnih temperaturah in magnetnih poljih, običajnih v laboratoriju, je energija magnetnih interakcij tri do štiri velikosti manjša od energije toplotnega gibanja molekul).

Kar nekaj je snovi, ki se ob znižanju temperature najprej obnašajo kot paramagneti, nato pa ob dosegu določene temperature močno spremenijo svoje magnetne lastnosti. Najbolj znan primer so feromagneti in snov, po kateri so dobili ime, železo, katerega atomski magnetni momenti pod Curiejevo temperaturo se vrstijo v eno smer in povzročajo spontano magnetizacijo. Vendar pa se makroskopska magnetizacija ne pojavi v odsotnosti polja, saj je vzorec spontano razdeljen na območja velikosti približno 1 μm, imenovana domene, znotraj katerih so osnovni magnetni momenti usmerjeni na enak način, vendar magnetizacije različnih domene so usmerjene naključno in se v povprečju med seboj kompenzirajo. Sile, ki povzročajo feromagnetni prehod, je mogoče razložiti samo z zakoni kvantne mehanike.

Za antiferomagnete je značilno, da so spinski magnetni momenti pri temperaturi antiferomagnetnega prehoda (Néelova temperatura TN) urejeni tako, da se med seboj izničijo.

Če je kompenzacija magnetnih momentov nepopolna, se takšne snovi imenujejo ferimagneti, na primer Fe2O3 in FeCr2O4. Zadnji trije razredi spojin so trdne snovi in ​​jih preučujejo predvsem fiziki. V zadnjih desetletjih so fiziki in kemiki ustvarili nove magnetne materiale.

V molekuli, ki vsebuje nesparjeni elektron, preostali (sparjeni) elektroni oslabijo magnetno polje, vendar je prispevek vsakega od njih dva do tri velikosti manjši. Če pa želimo zelo natančno izmeriti magnetne lastnosti nesparjenih elektronov, moramo predvsem pri velikih organskih molekulah, kjer lahko dosežejo več deset odstotkov, uvesti tako imenovane diamagnetne popravke. Diamagnetne občutljivosti atomov v molekuli se seštevajo v skladu s Pascal-Langevinovim pravilom aditivnosti. Za to se diamagnetna občutljivost atomov vsake vrste pomnoži s številom takšnih atomov v molekuli, nato pa se uvedejo konstitutivni popravki za strukturne značilnosti (dvojne in trojne vezi, aromatski obroči itd.). Nadaljujmo z razmislekom o eksperimentalnem preučevanju magnetnih lastnosti snovi.

EKSPERIMENTALNE MERITVE MAGNETNE SUMPITIVNOSTI

Glavne eksperimentalne metode za določanje magnetne občutljivosti so bile ustvarjene v prejšnjem stoletju. Po Gouyevi metodi se meri sprememba teže vzorca v magnetnem polju v primerjavi z njegovo odsotnostjo.

Faradayeva metoda meri silo, ki deluje na vzorec v neenakomernem magnetnem polju.

Glavna razlika med Gouyjevo in Faradayevo metodo je, da se v prvem primeru nehomogenost ohranja vzdolž (razširjenega) vzorca, v drugem pa vzdolž magnetnega polja.

Quinckejeva metoda se uporablja samo za tekočine in raztopine. Meri spremembo višine stolpca tekočine v kapilari pod vplivom magnetnega polja

V tem primeru se pri diamagnetnih tekočinah višina stolpca zmanjša, pri paramagnetnih tekočinah pa se poveča.

Metoda z viskozimetrom meri čas pretoka tekočine skozi majhno luknjo z vklopljenim (tH) in izklopljenim (t0) magnetnim poljem. Čas pretoka paramagnetnih tekočin v magnetnem polju je opazno krajši kot v odsotnosti polja, pri diamagnetnih tekočinah pa je ravno nasprotno.

Magnetno občutljivost lahko merimo tudi z NMR spektrometrom. Opomba: velikost kemijskega premika NMR signala v splošnem primeru ni določena samo s presejalno konstanto, ki je merilo gostote elektronov na proučevanem jedru, temveč tudi z magnetno občutljivostjo vzorca.

Končna vrednost magnetne občutljivosti za paramagnetne materiale je določena s številom nesparjenih elektronov (za en nesparjen elektron)

Magnetokemične študije omogočajo vzpostavitev elektronske konfiguracije spojin prehodnih kovin, ki tvorijo osnovo kemije koordinacijskih (kompleksnih) spojin.

Z merjenjem magnetne susceptibilnosti je mogoče zlahka oceniti stopnjo oksidacije in geometrijo prve koordinacijske sfere v kompleksu.

Znano je, da večina kemijskih reakcij, ki so pomembne v praksi, poteka v raztopinah, vključno z reakcijami nastajanja kompleksov, zato bomo v naslednjem razdelku obravnavali magnetne lastnosti raztopin, v katerih se spojine prehodnih kovin realizirajo v obliki kompleksov.

MAGNETNA SUSPEKTIVNOST RAZTOPIN

Pri prehodu iz trdne snovi v raztopino je treba upoštevati magnetno občutljivost topila in vseh topljencev. V tem primeru to najpreprosteje upoštevamo tako, da seštejemo prispevke vseh komponent raztopine po pravilu aditivnosti. Načelo aditivnosti je eno temeljnih načel pri obdelavi eksperimentalnih podatkov. Morebitna odstopanja od njega so najpogosteje povezana z dejstvom, da je izpolnjeno samo načelo aditivnosti in komponente raztopine spremenijo svoje lastnosti. Zato se predpostavlja, da je magnetna občutljivost raztopine enaka vsoti magnetne občutljivosti posameznih komponent, ob upoštevanju koncentracije

Iz študije magnetnih lastnosti iste snovi v različnih topilih je razvidno, da so te lahko bistveno odvisne od narave topila. To lahko pojasnimo z vstopom molekul topila v prvo koordinacijsko sfero in ustrezno spremembo elektronske strukture kompleksa, energij d-orbital (D) in drugih lastnosti solvatnega kompleksa. Tako magnetokemija omogoča tudi proučevanje solvatacije, to je interakcije topljenca s topilom.

Če magnetno polje vpliva na lastnosti raztopine in številna eksperimentalna dejstva (meritve gostote, viskoznosti, električne prevodnosti, koncentracije protonov, magnetne občutljivosti) kažejo, da je tako, potem je treba priznati, da energija interakcij med posameznimi komponent raztopine in skupka vodnih molekul je precej visoka, potem je primerljiva z energijo toplotnega gibanja delcev v raztopini ali jo presega, kar povpreči kakršen koli učinek na raztopino. Spomnimo se, da je energija magnetne interakcije enega delca (molekule) majhna v primerjavi z energijo toplotnega gibanja. Takšna interakcija je mogoča, če sprejmemo, da se v vodi in vodnih raztopinah zaradi kooperativne narave vodikovih vezi realizirajo veliki ledu podobni strukturni ansambli vodnih molekul, ki se lahko pod vplivom raztopljenih snovi utrdijo ali uničijo energija nastajanja takšnih "sklopov" je očitno primerljiva z energijo toplotnega gibanja in pod magnetnim vplivom si jo raztopina lahko zapomni in pridobi nove lastnosti, vendar Brownovo gibanje ali povišanje temperature čez nekaj časa odpravi ta "spomin".

Z natančno izbiro koncentracij paramagnetnih snovi v diamagnetnem topilu je mogoče ustvariti nemagnetno tekočino, to je takšno, katere povprečna magnetna občutljivost je enaka nič ali v kateri se magnetna polja širijo enako kot v vakuumu. Ta zanimiva lastnost še ni našla uporabe v tehnologiji.

Številni poskusi kažejo, da so vse snovi, postavljene v magnetno polje, namagnetene in ustvarjajo lastno magnetno polje, katerega delovanje se doda delovanju zunanjega magnetnega polja:

kjer je indukcija magnetnega polja v snovi; - magnetna indukcija polja v vakuumu, - magnetna indukcija polja, ki nastane zaradi magnetizacije snovi.

V tem primeru lahko snov bodisi okrepi ali oslabi magnetno polje. Vpliv snovi na zunanje magnetno polje je označen s količino, imenovano magnetna prepustnost snovi

Magnetna prepustnost je fizikalna skalarna količina, ki kaže, kolikokrat se indukcija magnetnega polja v določeni snovi razlikuje od indukcije magnetnega polja v vakuumu.

Snovi, ki oslabijo zunanje magnetno polje, imenujemo diamagnetni materiali(bizmut, dušik, helij, ogljikov dioksid, voda, srebro, zlato, cink, kadmij itd.).

Snovi, ki krepijo zunanje magnetno polje - paramagneti(aluminij, kisik, platina, baker, kalcij, krom, mangan, kobaltove soli itd.).

Za diamagnetne materiale >1. Toda v obeh primerih je razlika od 1 majhna (nekaj desettisočink ali stotisočink enote). Tako je na primer za bizmut = 0,9998 = 1,000.

Nekatere snovi (železo, kobalt, nikelj, gadolinij in razne zlitine) povzročijo zelo veliko okrepitev zunanjega polja. Imenujejo se feromagneti. Za njih = 10 3 -10 5.

Ampere je prvi razložil razloge, zakaj imajo telesa magnetne lastnosti. Po njegovi hipotezi osnovni električni tokovi krožijo znotraj molekul in atomov, ki določajo magnetne lastnosti katere koli snovi.

Zdaj je ugotovljeno, da imajo vsi atomi in osnovni delci dejansko magnetne lastnosti. Magnetne lastnosti atomov v glavnem določajo elektroni, ki jih vsebujejo.

Po semiklasičnem modelu atoma, ki sta ga predlagala E. Rutherford in N. Bohr, se elektroni v atomih gibljejo okoli jedra po zaprtih orbitah (v prvem približku lahko domnevamo, da so krožni). Gibanje elektrona lahko predstavimo kot elementarni krožni tok, kjer je e naboj elektrona, v frekvenca vrtenja elektrona v njegovi orbiti. Ta tok tvori magnetno polje, za katerega je značilen magnetni moment; njegov modul je določen s formulo, kjer je S območje orbite.

Imenuje se magnetni moment elektrona zaradi njegovega gibanja okoli jedra orbitalni magnetni moment. Orbitalni magnetni moment je vektorska količina, smer pa je določena s pravilom desnega vijaka. Če se elektron premika v smeri urinega kazalca (slika 1), potem so tokovi usmerjeni v nasprotni smeri urinega kazalca (v smeri gibanja pozitivnega naboja), vektor pa je pravokoten na orbitalno ravnino.

Ker orbitalne ravnine različnih elektronov v atomu ne sovpadajo, so njihovi magnetni momenti usmerjeni drug na drugega pod različnimi koti. Nastali orbitalni magnetni moment večelektronskega atoma je enak vektorski vsoti orbitalnih magnetnih momentov posameznih elektronov.

Atomi z delno zapolnjenimi elektronskimi lupinami imajo nekompenzirani orbitalni magnetni moment. V atomih z zapolnjenimi elektronskimi lupinami je enako 0.

Poleg orbitalnega magnetnega momenta ima elektron tudi intrinzični (spinski) magnetni moment, ki sta ga prva ugotovila O. Stern in W. Gerlach leta 1922. Obstoj magnetnega polja v elektronu so razložili z njegovim vrtenjem okoli lastne osi, čeprav elektrona ne bi smeli dobesedno primerjati z vrtečo se nabito kroglico (zgoraj ).

Zanesljivo je bilo ugotovljeno, da je magnetno polje elektrona enaka integralna lastnost kot njegova masa in naboj. Elektron si lahko v zelo grobem približku predstavljamo kot zelo majhno kroglico, obdano z električnim in magnetnim poljem (slika 2). Magnetna polja vseh elektronov so enaka, prav tako njihove mase in naboji. Magnetni moment vrtenja je vektor, usmerjen vzdolž osi vrtenja. Usmerjen je lahko samo na dva načina: ali vzdolž ... ali proti ... Če je na mestu, kjer se nahaja elektron, zunanje magnetno polje, potem ali vzdolž polja ali proti polju. Kot je prikazano v kvantni fiziki, sta lahko samo dva elektrona, katerih spinski magnetni momenti so nasprotni, v istem energijskem stanju (Paulijev princip).

V večelektronskih atomih se spinski magnetni momenti posameznih elektronov, tako kot orbitalni momenti, seštejejo kot vektorji. V tem primeru je nastali spinski magnetni moment atoma za atome z zapolnjenimi elektronskimi lupinami enak 0.

Celotni magnetni moment atoma (molekule) je enak vektorski vsoti magnetnih momentov (orbitalnih in spinskih) elektronov, ki vstopajo v atom (molekulo):

Diamagneti so sestavljeni iz atomov, ki v odsotnosti zunanjega magnetnega polja nimajo lastnih magnetnih momentov, saj so vsi spinski in vsi orbitalni magnetni momenti kompenzirani zanje.

Zunanje magnetno polje ne deluje na celoten atom diamagnetnega materiala, ampak deluje na posamezne elektrone atoma, katerih magnetni momenti so različni od nič. Naj hitrost elektrona v danem trenutku tvori določen kot (slika 3) z magnetno indukcijo zunanjega polja.

Zahvaljujoč komponenti bo na elektron delovala Lorentzova sila (usmerjena k nam na sliki 3), ki bo povzročila dodatno (poleg drugih gibanj, v katerih sodeluje elektron v odsotnosti polja) gibanje v krog. Toda to gibanje predstavlja dodatni krožni tok, ki bo ustvaril magnetno polje, za katerega je značilen magnetni moment (induciran), usmerjen v skladu s pravilom desnega vijaka proti. Zaradi tega diamagnetni materiali oslabijo zunanje magnetno polje.

Paramagneti so sestavljeni iz atomov, katerih neto atomski magnetni moment je . V odsotnosti zunanjega polja so ti momenti naključno usmerjeni in snov kot celota okoli sebe ne ustvarja magnetnega polja. Ko paramagnetne materiale postavimo v magnetno polje, prednostno usmerjenost vektorjev vzdolž polja (to preprečuje toplotno gibanje delcev). Tako se paramagnetni material namagneti in ustvari lastno magnetno polje, ki po smeri sovpada z zunanjim poljem in ga krepi. Ta učinek se imenuje paramagnetni. Ko je zunanje magnetno polje oslabljeno na nič, je orientacija magnetnih momentov zaradi toplotnega gibanja motena in paramagnet se razmagneti. Pri paramagnetnih materialih je opaziti tudi diamagnetni učinek, ki pa je veliko šibkejši od paramagnetnega učinka.

Pošljite svoje dobro delo v bazo znanja je preprosto. Uporabite spodnji obrazec

Študenti, podiplomski študenti, mladi znanstveniki, ki bazo znanja uporabljajo pri študiju in delu, vam bodo zelo hvaležni.

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

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

ZVEZNA AGENCIJA ZA IZOBRAŽEVANJE DRŽAVNA IZOBRAŽEVALNA INSTITUCIJA VIŠJEGA IN STROKOVNEGA IZOBRAŽEVANJA

"DRŽAVNA UNIVERZA VORONEZH"

(GOU VPO VSU)

Fakulteta za geologijo

Oddelek za okoljsko geologijo

Esej

na temo: Magnetne lastnosti snovi

Izdelala: dijak 1. letnika, gr. št. 9

Agoškova Ekaterina Vladimirovna

Recenzent:

Izredna profesorica, kandidatka znanosti Voronova T.A.

Magnetne lastnosti snovi

Magnetna prepustnost snovi

Razvrstitev snovi glede na delovanje zunanjega magnetnega polja nanje

Antiferomagneti in ferimagneti

Trajni magneti

Curiejeva točka

Literatura

Magnetne lastnosti snovi

Magnetizem-- oblika interakcije med premikajočimi se električnimi naboji, ki poteka na daljavo skozi magnetno polje.

Magnetne lastnosti snovi so razložene po Amperovi hipotezi.

Amperova hipoteza- magnetne lastnosti telesa lahko razložimo s tokovi, ki krožijo v njem.

V atomih zaradi gibanja elektronov po orbitah potekajo elementarni električni tokovi, ki ustvarjajo elementarna magnetna polja.

1. če snov nima magnetnih lastnosti, so elementarna magnetna polja neorientirana (zaradi toplotnega gibanja);

2. če ima snov magnetne lastnosti, so elementarna magnetna polja enako usmerjena (orientirana) in nastane lastno notranje magnetno polje snovi.

Namagnetena imenovana snov, ki ustvarja lastno magnetno polje. Magnetizacija nastane, ko snov postavimo v zunanje magnetno polje.

magnetizem amper antiferomagnet curie

Magnetnain jazprepustnost snovi

Vpliv snovi na zunanje magnetno polje je označen z velikostjo m , ki se imenuje magnetna prepustnost snovi.

Magnetna prepustnost je fizikalna skalarna količina, ki kaže, kolikokrat se indukcija magnetnega polja v določeni snovi razlikuje od indukcije magnetnega polja v vakuumu.

kje je B? -- indukcija magnetnega polja v snovi; B? 0 -- indukcija magnetnega polja v vakuumu.

Razvrstitev snoviz delovanjem zunanjega magnetnega polja nanje

1. D in magnetni materiali [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 magnetna občutljivost- to je, ko magnet približamo telesu in ga prej odbija kot privlači.

Diamagneti vključujejo na primer inertne pline, vodik, fosfor, cink, zlato, dušik, silicij, bizmut, baker in srebro. To pomeni, da so to snovi, ki so v superprevodnem stanju ali imajo kovalentne vezi.

2. p aramagneti [m>1] - šibko magnetne snovi, notranje magnetno polje je usmerjeno enako kot zunanje magnetno polje. Pri teh snoveh tudi magnetna občutljivost ni odvisna od poljske jakosti. Je pa pozitivna. To pomeni, da ko se paramagnetik približa trajnemu magnetu, se pojavi privlačna sila. Sem spadajo aluminij, platina, kisik, mangan, železo.

3. F Eromagneti [m>>1] - visoko magnetne snovi, je notranje magnetno polje 100-1000-krat večje od zunanjega magnetnega polja.

Pri teh snoveh je za razliko od diamagnetnih in paramagnetnih materialov magnetna občutljivost v veliki meri odvisna od temperature in jakosti magnetnega polja.

Ti vključujejo kristale niklja in kobalta.

Antiferomagneti in ferimagneti

Snovi, v katerih med segrevanjem pride do faznega prehoda dane snovi, ki ga spremlja pojav paramagnetnih lastnosti, imenujemo antiferomagneti. Če temperatura postane nižja od določene, te lastnosti snovi ne bodo opazne. Primera teh snovi bi bila mangan in krom.

Magnetna občutljivost ferimagneti odvisno tudi od temperatur in jakosti magnetnega polja. Toda še vedno imajo razlike. Te snovi vključujejo različne okside.

Vse zgoraj navedene magnete lahko nadalje razdelimo v 2 kategoriji:

Trdi magnetni materiali. To so materiali z visoko koercitivno vrednostjo. Za ponovno magnetizacijo je potrebno ustvariti močno magnetno polje. Ti materiali se uporabljajo pri izdelavi trajnih magnetov.

Mehki magnetni materiali, nasprotno, imajo majhno prisilno silo. V šibkih magnetnih poljih lahko preidejo v nasičenost. Imajo nizke izgube zaradi obračanja magnetizacije. Zaradi tega se ti materiali uporabljajo za izdelavo jeder za električne stroje, ki delujejo na izmenični tok. To je na primer tokovni in napetostni transformator ali generator ali asinhronski motor.

Trajni magnets

Trajnamagneti- to so telesa, ki dolgo časa ohranjajo magnetizacijo.

Trajni magnet ima vedno 2 magnetna pola: severni (N) in južni (S).

Magnetno polje trajnega magneta je najmočnejše na njegovih polih.

Trajni magneti so običajno izdelani iz železa, jekla, litega železa in drugih železovih zlitin (močni magneti), pa tudi iz niklja, kobalta (šibki magneti). Magneti so lahko naravni (naravni) iz železove rude, magnetne železove rude in umetni, pridobljeni z magnetizacijo železa, ko ga vnesemo v magnetno polje.

Magnetna interakcija: Podobni poli odbijajo in za razliko od polov privlačijo.

Interakcija magnetov je razložena z dejstvom, da ima vsak magnet magnetno polje in ta magnetna polja medsebojno delujejo.

Magnetno polje trajnih magnetov

Kakšni so razlogi za magnetizacijo železa? Po hipotezi francoskega znanstvenika Ampereja obstajajo elementarni električni tokovi (amperski tokovi) znotraj snovi, ki nastanejo kot posledica gibanja elektronov okoli atomskih jeder in okoli lastne osi. Ko se elektroni premikajo, nastanejo elementarna magnetna polja. Ko je kos železa vstavljen v zunanje magnetno polje, so vsa elementarna magnetna polja v tem železu usmerjena enako v zunanjem magnetnem polju in tvorijo svoje magnetno polje. Tako kos železa postane magnet.

Kako izgleda magnetno polje?trajni magneti?

Zamisel o vrsti magnetnega polja je mogoče dobiti z uporabo železnih opilkov. Vse kar morate storiti je, da na magnet položite list papirja in po vrhu potresete železne opilke.

Za trajni tračni magnet Za trajni obločni magnet

Curiejeva točka

Curiejeva točka, oz Curiejeva temperatura, je temperatura faznega prehoda drugega reda, povezana z nenadno spremembo simetričnih lastnosti snovi s spremembo temperature, vendar pri danih vrednostih drugih termodinamičnih parametrov (tlak, električna ali magnetna poljska jakost). Fazni prehod drugega reda pri Curiejevi temperaturi je povezan s spremembo simetričnih lastnosti snovi. Pri Tc v vseh primerih faznih prehodov izgine katera koli vrsta atomskega reda, na primer vrstni red elektronskih vrtljajev ( feroelektriki), atomski magnetni momenti ( feromagneti), urejenost razporeditve atomov različnih komponent zlitine vzdolž vozlišč kristalne rešetke (fazni prehodi v zlitinah). V bližini T c opazimo ostre anomalije fizikalnih lastnosti, na primer piezoelektrične, elektrooptične in toplotne.

Magnetna Curiejeva točka je temperatura takega faznega prehoda, pri kateri spontana magnetizacija feromagnetnih domen izgine in feromagnetik preide v paramagnetno stanje. Pri relativno nizkih temperaturah je toplotno gibanje atomov, ki neizogibno vodi do nekaterih motenj v urejeni razporeditvi magnetnih momentov, nepomembno. Z naraščanjem temperature se njegova vloga povečuje in končno je pri določeni temperaturi (Tc) toplotno gibanje atomov sposobno porušiti urejeno razporeditev magnetnih momentov in feromagnet se spremeni v paramagnet. V bližini Curiejeve točke opazimo številne značilnosti v spremembi nemagnetnih lastnosti feromagnetov (upornost, specifična toplotna kapaciteta, temperaturni koeficient linearne ekspanzije).

Vrednost T c je odvisna od jakosti povezave magnetnih momentov med seboj, v primeru močne povezave doseže: za čisto železo T c = 768 o C, za kobalt T c = 1131 o C, presega 1000 o C za zlitine železa in kobalta. Za mnoge snovi je Tc majhen (za nikelj Tc = 358 o C). Z vrednostjo T c lahko ocenimo vezno energijo magnetnih momentov med seboj. Za uničenje urejene razporeditve magnetnih momentov je potrebna energija toplotnega gibanja, ki daleč presega tako interakcijsko energijo dipolov kot potencialno energijo magnetnega dipola v polju.

Pri Curiejevi temperaturi postane magnetna prepustnost feromagneta približno enaka enoti; nad Curiejevo točko je sprememba magnetne občutljivosti ubogljiva Curie-Weissov zakon.

Za vsak feromagnet obstaja določena temperatura - Curiejeva točka.

1. Če je t snovi< t Кюри, то вещество обладает ферромагнитными свойствами.

2. Če t snovi > Curie t, potem feromagnetne lastnosti (magnetizacija) izginejo in snov postane paramagnetna. Zato trajni magneti pri segrevanju izgubijo svoje magnetne lastnosti.

Literatura

Zhilko, V.V. Fizika: učbenik. dodatek za 11. razred. Splošna izobrazba šola iz ruščine jezik usposabljanje / 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

Podobni dokumenti

Magnetno polje je komponenta elektromagnetnega polja, ki se pojavi ob prisotnosti časovno spremenljivega električnega polja. Magnetne lastnosti snovi. Pogoji za nastanek in manifestacijo magnetnega polja. Amperov zakon in merske enote magnetnega polja.

predstavitev, dodana 16.11.2011


Bistvo magnetnega polja, njegove glavne značilnosti. Pojmi in razvrstitev magnetov - snovi, ki jih je mogoče magnetizirati v zunanjem magnetnem polju. Zgradba in lastnosti materialov. Permanentni in električni magneti ter njihova področja uporabe.

povzetek, dodan 12/02/2012


Narava in značilnosti magnetnega polja. Magnetne lastnosti različnih snovi in ​​izvori magnetnega polja. Zgradba elektromagnetov, njihova razvrstitev, uporaba in primeri uporabe. Solenoid in njegova uporaba. Izračun naprave za magnetiziranje.

tečajna naloga, dodana 17.01.2011


Proces nastanka in pojav magnetnega polja. Magnetne lastnosti snovi. Interakcija dveh magnetov in pojav elektromagnetne indukcije. Foucaultovi tokovi so vrtinčni indukcijski tokovi, ki nastanejo v masivnih vodnikih, ko se spremeni magnetni tok.

predstavitev, dodana 17.11.2010


Pojem in delovanje magnetnega polja, njegove značilnosti: magnetna indukcija, magnetni pretok, jakost, magnetna prepustnost. Formule magnetne indukcije in pravilo "leve roke". Elementi in vrste magnetnih vezij, formulacija njihovih osnovnih zakonov.

predstavitev, dodana 27.05.2014


Delovanje polja sile v prostoru okoli tokov in trajnih magnetov. Osnovne značilnosti magnetnega polja. Ampèrova hipoteza, Biot-Savart-Laplaceov zakon. Magnetni moment okvirja s tokom. Pojav elektromagnetne indukcije; histereza, samoindukcija.

predstavitev, dodana 28.07.2015


Osnovni pojmi, vrste (diamagneti, ferimagneti, paramagneti, antiferomagneti) in pogoji za manifestacijo magnetizma. Narava feromagnetnega stanja snovi. Bistvo pojava magnetostrikcije. Opis domenskih struktur v tankih magnetnih filmih.

povzetek, dodan 30.08.2010


Manifestacije magnetnega polja, parametri, ki ga označujejo. Značilnosti feromagnetnih (mehkih in trdih magnetnih) materialov. Kirchhoffov in Ohmov zakon za enosmerna magnetna vezja, princip njihovega izračuna, analogija z električnimi vezji.

test, dodan 10.10.2010


Preučevanje pojavov diamagnetizma in paramagnetizma. Magnetna občutljivost atomov kemičnih elementov. Magnetni atomski red in spontana magnetizacija v feromagnetnih mineralih. Trdna, tekoča in plinasta faza. Magnetne lastnosti sedimentnih kamnin.

predstavitev, dodana 15.10.2013


Pojem in osnovne lastnosti magnetnega polja, preučevanje zaprte zanke s tokom v magnetnem polju. Parametri in določitev smeri vektorja in linij magnetne indukcije. Biografija in znanstvena dejavnost Andre Marie Ampere, njegovo odkritje moči Ampere.

Vsaka snov na svetu ima določene magnetne lastnosti. Merijo se z magnetno prepustnostjo. V tem članku si bomo ogledali magnetne lastnosti snovi.

Amperova hipoteza

Magnetna prepustnost kaže, kolikokrat je indukcija magnetnega polja v danem okolju manjša ali večja od indukcije magnetnega polja v vakuumu.

Snov, ki ustvarja lastno magnetno polje, se imenuje magnetizirana. Magnetizacija nastane, ko snov postavimo v zunanje magnetno polje.

Francoski znanstvenik Ampere je ugotovil razlog, katerega posledica je posedovanje magnetnih lastnosti teles. Amperejeva hipoteza pravi, da v materiji obstajajo mikroskopski električni tokovi (elektron ima svoj magnetni moment, ki ima kvantno naravo, orbitalno gibanje v atomih elektronov). Prav oni določajo magnetne lastnosti snovi. Če imajo tokovi neurejene smeri, se magnetna polja, ki jih ustvarjajo, med seboj izničijo. Telo ni magnetizirano. Zunanje magnetno polje uravnava te tokove. Zaradi tega snov razvije lastno magnetno polje. To je magnetizacija snovi.

Magnetne lastnosti snovi so določene z reakcijo snovi na zunanje magnetno polje in z urejenostjo njihove notranje strukture. V skladu s temi parametri so razdeljeni v naslednje skupine:

• Paramagneti
• Diamagneti
• Feromagneti
• Antiferomagneti

Diamagneti in paramagneti

• Snovi, ki imajo negativno magnetno občutljivost, neodvisno od jakosti magnetnega polja, imenujemo diamagnetni materiali. Ugotovimo, katere magnetne lastnosti snovi imenujemo negativna magnetna občutljivost. To je takrat, ko magnet približamo telesu in ga prej odbija kot privlači. Diamagneti vključujejo na primer inertne pline, vodik, fosfor, cink, zlato, dušik, silicij, bizmut, baker in srebro. To pomeni, da so to snovi, ki so v superprevodnem stanju ali imajo kovalentne vezi.
• Paramagnetni materiali. Pri teh snoveh tudi magnetna občutljivost ni odvisna od poljske jakosti. Je pa pozitivna. To pomeni, da ko se paramagnetik približa trajnemu magnetu, se pojavi privlačna sila. Sem spadajo aluminij, platina, kisik, mangan, železo.

Feromagneti

Snovi, ki imajo visoko pozitivno magnetno občutljivost, imenujemo feromagneti. Pri teh snoveh je za razliko od diamagnetnih in paramagnetnih materialov magnetna občutljivost v veliki meri odvisna od temperature in jakosti magnetnega polja. Ti vključujejo kristale niklja in kobalta.

Antiferomagneti in ferimagneti

• Snovi, v katerih med segrevanjem pride do faznega prehoda dane snovi, ki ga spremlja pojav paramagnetnih lastnosti, imenujemo antiferomagneti. Če temperatura postane nižja od določene, te lastnosti snovi ne bodo opazne. Primera teh snovi bi bila mangan in krom.
• Za ferimagnete je značilna prisotnost nekompenziranega antiferomagnetizma v njih. Njihova magnetna občutljivost je odvisna tudi od temperatur in jakosti magnetnega polja. Toda še vedno imajo razlike. Te snovi vključujejo različne okside.

Vse zgoraj navedene magnete lahko nadalje razdelimo v 2 kategoriji:

• Trdi magnetni materiali. To so materiali z visoko koercitivno vrednostjo. Za ponovno magnetizacijo je potrebno ustvariti močno magnetno polje. Ti materiali se uporabljajo pri izdelavi trajnih magnetov.
• Mehki magnetni materiali imajo, nasprotno, nizko prisilno silo. V šibkih magnetnih poljih lahko preidejo v nasičenost. Imajo nizke izgube zaradi obračanja magnetizacije. Zaradi tega se ti materiali uporabljajo za izdelavo jeder za električne stroje, ki delujejo na izmenični tok. To je na primer tokovni in napetostni transformator ali generator ali asinhroni motor.

Ogledali smo si vse osnovne magnetne lastnosti snovi in ​​ugotovili, katere vrste magnetov obstajajo.

Številni poskusi kažejo, da so vse snovi, postavljene v magnetno polje, namagnetene in ustvarjajo lastno magnetno polje, katerega delovanje se doda delovanju zunanjega magnetnega polja:

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

kjer je \(~\vec B\) indukcija magnetnega polja v snovi; \(~\vec B_0\) je magnetna indukcija polja v vakuumu, \(~\vec B_1\) je magnetna indukcija polja, ki je posledica magnetizacije snovi. V tem primeru lahko snov bodisi okrepi ali oslabi magnetno polje. Vpliv snovi na zunanje magnetno polje je označen z vrednostjo μ, ki jo imenujemo magnetna prepustnost snovi.

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

• Magnetna prepustnost je fizikalna skalarna količina, ki kaže, kolikokrat se indukcija magnetnega polja v določeni snovi razlikuje od indukcije magnetnega polja v vakuumu.

Dia- in para-magneti

Vse snovi imajo določene magnetne lastnosti, tj magneti. Za večino snovi je magnetna prepustnost μ blizu enote in ni odvisna od jakosti magnetnega polja. Snovi, katerih magnetna prepustnost je nekoliko manjša od enote (μ< 1), называются diamagnetni materiali, nekoliko večja od enote (μ > 1) - paramagnetni. Snovi, katerih magnetna prepustnost je odvisna od jakosti zunanjega polja in lahko znatno presega enoto (μ » 1), imenujemo feromagneti.

Primeri diamagnetnih materialov so svinec, cink, bizmut (μ = 0,9998); paramagnetne snovi - natrij, kisik, aluminij (μ = 1,00023); feromagneti - kobalt, nikelj, železo (μ doseže vrednost 8⋅10 3).

Prvo razlago razlogov, zakaj imajo telesa magnetne lastnosti, je podal Henri Ampère (1820). Po njegovi hipotezi osnovni električni tokovi krožijo znotraj molekul in atomov, ki določajo magnetne lastnosti katere koli snovi.

Vzemimo trdno snov. Njegova magnetizacija je povezana z magnetnimi lastnostmi delcev (molekul in atomov), iz katerih je sestavljen. Razmislimo, katera tokovna vezja so možna na mikroravni. Magnetizem atomov je posledica dveh glavnih razlogov:

1) gibanje elektronov okoli jedra v zaprtih orbitah ( orbitalni magnetni moment) (slika 1);

2) intrinzična rotacija (spin) elektronov ( vrtilni magnetni moment) (slika 2).

Ker orbitalne ravnine različnih elektronov v atomu ne sovpadajo, so vektorji indukcije magnetnega polja, ki jih ustvarijo (orbitalni in spinski magnetni momenti), usmerjeni drug na drugega pod različnimi koti. Nastali vektor indukcije večelektronskega atoma je enak vektorski vsoti vektorjev indukcije polja, ki ga ustvarijo posamezni elektroni. Atomi z delno zapolnjenimi elektronskimi lupinami imajo nekompenzirana polja. V atomih z zapolnjenimi elektronskimi lupinami je nastali vektor indukcije 0.

V vseh primerih je sprememba magnetnega polja posledica pojava magnetizacijskih tokov (opazen je pojav elektromagnetne indukcije). Z drugimi besedami, načelo superpozicije za magnetno polje ostaja veljavno: polje znotraj magneta je superpozicija zunanjega polja \(~\vec B_0\) in polja \(~\vec B"\) magnetizirajočih tokov jaz', ki nastanejo pod vplivom zunanjega polja. Če je polje magnetizacijskih tokov usmerjeno na enak način kot zunanje polje, bo indukcija celotnega polja večja od zunanjega polja (slika 3, a) - v tem primeru rečemo, da snov ojača polje ; če je polje magnetizacijskih tokov usmerjeno nasproti zunanjemu polju, bo skupno polje manjše od zunanjega polja (slika 3, b) - v tem smislu rečemo, da snov oslabi magnetno polje.

IN diamagnetni materiali molekule nimajo lastnega magnetnega polja. Pod vplivom zunanjega magnetnega polja v atomih in molekulah je polje magnetizacijskih tokov usmerjeno nasproti zunanjemu polju, zato bo velikost vektorja magnetne indukcije \(~\vec B\) nastalega polja manjša od velikost vektorja magnetne indukcije \(~\vec B_0\) zunanjega polja.

IN paramagneti molekule imajo svoje magnetno polje. V odsotnosti zunanjega magnetnega polja so zaradi toplotnega gibanja indukcijski vektorji magnetnih polj atomov in molekul naključno usmerjeni, zato je njihova povprečna magnetizacija enaka nič (slika 4, a). Ko na atome in molekule deluje zunanje magnetno polje, začne delovati moment sile, ki jih zasuka tako, da so njihova polja usmerjena vzporedno z zunanjim poljem. Usmerjenost paramagnetnih molekul vodi do dejstva, da je snov magnetizirana (slika 4, b).

Popolna orientacija molekul v magnetnem polju je onemogočena zaradi njihovega toplotnega gibanja, zato je magnetna prepustnost paramagnetnih materialov odvisna od temperature. Očitno je, da se z naraščajočo temperaturo magnetna prepustnost paramagnetnih materialov zmanjšuje.

Feromagneti

Samo ime tega razreda magnetnih materialov izhaja iz latinskega imena za železo - Ferrum. Glavna značilnost teh snovi je sposobnost ohranjanja magnetizacije v odsotnosti zunanjega magnetnega polja; vsi trajni magneti spadajo v razred feromagnetov. Poleg železa imajo njegovi "sosedi" na periodnem sistemu - kobalt in nikelj - feromagnetne lastnosti. Feromagnetni materiali najdejo široko praktično uporabo v znanosti in tehnologiji, zato je bilo razvitih veliko število zlitin z različnimi feromagnetnimi lastnostmi.

Vsi navedeni primeri feromagnetov se nanašajo na kovine prehodne skupine, katerih elektronska lupina vsebuje več neparnih elektronov, kar vodi do dejstva, da imajo ti atomi pomembno lastno magnetno polje. V kristalnem stanju zaradi interakcije med atomi v kristalih nastanejo področja spontane magnetizacije – domene. Dimenzije teh domen so desetinke in stotinke milimetra (10 -4 − 10 -5 m), kar bistveno presega velikost posameznega atoma (10 -9 m). Znotraj ene domene so magnetna polja atomov usmerjena strogo vzporedno; orientacija magnetnih polj drugih domen se v odsotnosti zunanjega magnetnega polja poljubno spreminja (slika 5).

Tako tudi v nemagnetiziranem stanju znotraj feromagneta obstajajo močna magnetna polja, katerih orientacija se med prehodom iz ene domene v drugo spreminja na naključen, kaotičen način. Če dimenzije telesa bistveno presegajo dimenzije posameznih domen, potem povprečno magnetno polje, ki ga ustvarijo domene tega telesa, praktično ni.

Če postavite feromagnet v zunanje magnetno polje IN 0, se začnejo magnetni momenti domen preurejati. Vendar pa ne pride do mehanske prostorske rotacije delov snovi. Proces obračanja magnetizacije je povezan s spremembo gibanja elektronov, ne pa tudi s spremembo položaja atomov v vozliščih kristalne mreže. Domene, ki imajo najugodnejšo orientacijo glede na smer polja, povečujejo svojo velikost na račun sosednjih »napačno orientiranih« domen in jih absorbirajo. V tem primeru se polje v snovi precej poveča.

Lastnosti feromagnetov

1) feromagnetne lastnosti snovi se pojavijo šele, ko se ustrezna snov nahaja v kristalnem stanju;

2) magnetne lastnosti feromagnetov so močno odvisne od temperature, saj orientacijo magnetnih polj domen onemogoča toplotno gibanje. Za vsak feromagnet obstaja določena temperatura, pri kateri se domenska struktura popolnoma uniči in se feromagnet spremeni v paramagnet. Ta vrednost temperature se imenuje Curiejeva točka. Tako je za čisto železo Curiejeva temperatura približno 900 °C;

3) feromagneti so magnetizirani do nasičenosti v šibkih magnetnih poljih. Slika 6 prikazuje, kako se spreminja modul indukcije magnetnega polja B v jeklu s spremembo zunanjega polja B 0 ;

4) magnetna prepustnost feromagneta je odvisna od zunanjega magnetnega polja (slika 7).

To je razloženo z dejstvom, da na začetku s povečanjem B 0 magnetna indukcija B raste močneje, zato se bo μ povečal. Nato pri vrednosti magnetne indukcije B´ 0 pride do nasičenja (μ je v tem trenutku največ) in z nadaljnjim naraščanjem B 0 magnetna indukcija B 1 v snovi se preneha spreminjati in magnetna prepustnost se zmanjša (teži k 1):

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

5) feromagneti kažejo preostalo magnetizacijo. Če na primer feromagnetno palico postavimo v solenoid, skozi katerega teče tok, in jo magnetiziramo do nasičenja (točka A) (slika 8), nato pa zmanjšajte tok v solenoidu in z njim B 0, potem lahko opazimo, da indukcija polja v palici med njeno demagnetizacijo vedno ostane večja kot med postopkom magnetizacije. Kdaj B 0 = 0 (tok v solenoidu je izklopljen), bo indukcija enaka B r(preostala indukcija). Palico je mogoče odstraniti iz solenoida in uporabiti kot trajni magnet. Če želite končno razmagnetiti palico, morate skozi solenoid prenesti tok v nasprotni smeri, tj. uporabite zunanje magnetno polje z nasprotno smerjo vektorja indukcije. Zdaj povečamo modul indukcije tega polja na B oc, razmagnetite palico ( B = 0).).

Tako pri magnetiziranju in razmagnetenju feromagneta indukcija B zaostaja B 0 . Ta zaostanek se imenuje pojav histereze. Krivulja, prikazana na sliki 8, se imenuje histerezna zanka.

Oblika krivulje magnetizacije (zanke histereze) se močno razlikuje za različne feromagnetne materiale, ki so našli zelo široko uporabo v znanstvenih in tehničnih aplikacijah. Nekateri magnetni materiali imajo široko zanko z visokimi vrednostmi remanence in koercitivnosti, ti se imenujejo magnetno trda in se uporabljajo za izdelavo trajnih magnetov. Za druge feromagnetne zlitine so značilne nizke vrednosti koercitivne sile; takšni materiali se zlahka magnetizirajo in ponovno magnetizirajo tudi v šibkih poljih. Takšni materiali se imenujejo magnetno mehka in se uporabljajo v različnih električnih napravah - relejih, transformatorjih, magnetnih vezjih itd.

Literatura

1. Aksenovich L. A. Fizika v srednji šoli: Teorija. Naloge. Testi: Učbenik. dodatek za ustanove, ki izvajajo splošno izobraževanje. okolje, izobraževanje / 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: učbenik. dodatek za 11. razred. Splošna izobrazba šola iz ruščine jezik usposabljanje / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovič. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - pp. 291-297.