Magnetna svojstva materijala su klasa fizičkih fenomena posredovanih poljima. Električne struje i magnetni momenti elementarnih čestica stvaraju polje koje djeluje na druge struje. Najpoznatiji efekti se javljaju u feromagnetnim materijalima, koji su snažno privučeni magnetnim poljima i mogu postati trajno magnetizirani, stvarajući sama naelektrisana polja.
Samo nekoliko supstanci je feromagnetno. Da bi se odredio nivo razvoja ovog fenomena u određenoj supstanci, postoji klasifikacija materijala prema magnetnim svojstvima. Najčešći su željezo, nikl i kob alt i njihove legure. Prefiks fero- odnosi se na željezo jer je permanentni magnetizam prvi put uočen u praznom gvožđu, obliku prirodne željezne rude koja se naziva magnetna svojstva materijala, Fe3O4.
Paramagnetski materijali
Iakoferomagnetizam je odgovoran za većinu efekata magnetizma koji se susreću u svakodnevnom životu, svi ostali materijali su u određenoj meri pod uticajem polja, kao i neke druge vrste magnetizma. Paramagnetne supstance kao što su aluminijum i kiseonik slabo privlače primenjeno magnetno polje. Dijamagnetne supstance kao što su bakar i ugljenik se slabo odbijaju.
Dok antiferomagnetni materijali kao što su hrom i spin stakla imaju složeniji odnos sa magnetnim poljem. Snaga magneta na paramagnetnim, dijamagnetnim i antiferomagnetnim materijalima obično je preslaba da bi se osjetila i može se otkriti samo laboratorijskim instrumentima, tako da ove tvari nisu uključene u listu materijala koji imaju magnetna svojstva.
Uslovi
Magnetno stanje (ili faza) materijala zavisi od temperature i drugih varijabli kao što su pritisak i primenjeno magnetno polje. Materijal može pokazati više od jednog oblika magnetizma kako se ove varijable mijenjaju.
Historija
Magnetna svojstva materijala prvi put su otkrivena u antičkom svijetu kada su ljudi primijetili da magneti, prirodno magnetizirani komadi minerala, mogu privući željezo. Reč „magnet“dolazi od grčkog izraza Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „magnezijski kamen, stopalo“.
U staroj Grčkoj, Aristotel je pripisao prvu od onoga što bi se moglo nazvati naučnom raspravom o magnetskim svojstvima materijala,filozof Tales iz Mileta, koji je živio od 625. pne. e. prije 545. pne e. Drevni indijski medicinski tekst Sushruta Samhita opisuje upotrebu magnetita za uklanjanje strela ugrađenih u ljudsko tijelo.
Drevna Kina
U drevnoj Kini, najranije književno spominjanje električnih i magnetskih svojstava materijala nalazi se u knjizi iz 4. stoljeća prije nove ere nazvanoj po svom autoru, Mudrac iz doline duhova. Najranije spominjanje privlačenja igle nalazi se u djelu iz 1. stoljeća Lunheng (Uravnoteženi zahtjevi): "Magnet privlači iglu."
Kineski naučnik iz 11. veka Shen Kuo bio je prva osoba koja je opisao - u eseju Dream Pool - magnetni kompas sa iglom i da je poboljšao tačnost navigacije pomoću astronomskih metoda. koncept pravog severa. Do 12. veka, Kinezi su znali da koriste magnetni kompas za navigaciju. Napravili su žlicu za vođenje od kamena tako da drška kašike uvijek pokazuje na jug.
Srednji vijek
Alexander Neckam, do 1187. godine, bio je prvi u Evropi koji je opisao kompas i njegovu upotrebu za navigaciju. Ovaj istraživač je prvi put u Evropi temeljno utvrdio svojstva magnetnih materijala. Godine 1269. Peter Peregrine de Maricourt napisao je Epistola de magnete, prvu sačuvanu raspravu koja opisuje svojstva magneta. Godine 1282, svojstva kompasa i materijala sa posebnim magnetskim svojstvima opisao je al-Ašraf, jemenski fizičar, astronom i geograf.
Renesansa
Godine 1600, William Gilbert je objavionjegov „Magnetski korpus“i „Magnetski telur“(„O magnetu i magnetnim tijelima, a takođe i o velikom zemaljskom magnetu“). U ovom radu on opisuje mnoge od svojih eksperimenata sa svojim modelom zemlje, nazvanom terela, sa kojom je sproveo istraživanje svojstava magnetnih materijala.
Iz svojih eksperimenata došao je do zaključka da je sama Zemlja magnetna i da su zato kompasi usmjereni na sjever (ranije su neki vjerovali da je to polarna zvijezda (Polaris) ili veliko magnetno ostrvo na sjeveru Stup koji je privukao kompas).
Novo vrijeme
Razumijevanje odnosa između elektriciteta i materijala sa posebnim magnetskim svojstvima pojavilo se 1819. godine u radu Hansa Christiana Oersteda, profesora na Univerzitetu u Kopenhagenu, koji je slučajno trzanjem igle kompasa u blizini žice otkrio da električni struja može stvoriti magnetsko polje. Ovaj značajan eksperiment poznat je kao Oerstedov eksperiment. Uslijedilo je nekoliko drugih eksperimenata s André-Marie Ampèreom, koji je 1820. otkrio da je magnetsko polje koje kruži u zatvorenom putu povezano sa strujom koja teče oko perimetra putanje.
Carl Friedrich Gauss se bavio proučavanjem magnetizma. Jean-Baptiste Biot i Felix Savart su 1820. godine došli do Biot-Savartovog zakona, koji daje željenu jednačinu. Michael Faraday, koji je 1831. otkrio da vremenski promjenjivi magnetni tok kroz žičanu petlju uzrokuje napon. I drugi naučnici su otkrili dalje veze između magnetizma i elektriciteta.
XX vijek i našvrijeme
James Clerk Maxwell je sintetizirao i proširio ovo razumijevanje Maxwellovih jednačina objedinjavajući elektricitet, magnetizam i optiku u polju elektromagnetizma. Godine 1905, Ajnštajn je koristio ove zakone da motiviše svoju teoriju specijalne relativnosti zahtevajući da zakoni važe u svim inercijskim referentnim okvirima.
Elektromagnetizam je nastavio da evoluira u 21. vek, inkorporirajući se u fundamentalnije teorije kalibracione teorije, kvantne elektrodinamike, elektroslabe teorije i konačno u standardni model. Danas naučnici već uveliko proučavaju magnetna svojstva nanostrukturiranih materijala. Ali najveća i najnevjerovatnija otkrića na ovom polju vjerovatno su još uvijek pred nama.
Essence
Magnetska svojstva materijala su uglavnom zbog magnetnih momenata orbitalnih elektrona njihovih atoma. Magnetni momenti atomskih jezgara su obično hiljadama puta manji od elektrona, pa su stoga zanemarivi u kontekstu magnetizacije materijala. Nuklearni magnetni momenti su ipak veoma važni u drugim kontekstima, posebno u nuklearnoj magnetnoj rezonanciji (NMR) i magnetnoj rezonanciji (MRI).
Obično je ogroman broj elektrona u materijalu raspoređen na takav način da su njihovi magnetni momenti (i orbitalni i unutrašnji) poništeni. Do neke mjere, to je zbog činjenice da se elektroni kombinuju u parovima sa suprotnim unutrašnjim magnetnim momentima kao rezultat Paulijevog principa (vidi Konfiguracija elektrona) i kombinuju se u ispunjene podljuske sa nultim neto orbitalnim kretanjem.
BU oba slučaja, elektroni pretežno koriste kola u kojima je magnetni moment svakog elektrona poništen suprotnim momentom drugog elektrona. Štaviše, čak i kada je konfiguracija elektrona takva da postoje nespareni elektroni i/ili nepopunjene podljuske, često je slučaj da će različiti elektroni u čvrstom stanju doprinijeti magnetnim momentima koji pokazuju u različitim, slučajnim smjerovima, tako da materijal neće biti magnetno.
Ponekad, bilo spontano ili zbog primijenjenog vanjskog magnetskog polja, svaki od magnetnih momenata elektrona će se u prosjeku poravnati. Pravi materijal tada može stvoriti jako neto magnetno polje.
Magnetsko ponašanje materijala ovisi o njegovoj strukturi, posebno o njegovoj elektronskoj konfiguraciji, iz gore navedenih razloga, kao io temperaturi. Na visokim temperaturama, nasumično termalno kretanje otežava poravnanje elektrona.
Dijamagnetizam
Dijamagnetizam se nalazi u svim materijalima i predstavlja sklonost materijala da se odupre primijenjenom magnetskom polju i stoga odbija magnetno polje. Međutim, u materijalu s paramagnetnim svojstvima (tj. s tendencijom jačanja vanjskog magnetskog polja) dominira paramagnetno ponašanje. Dakle, uprkos univerzalnoj pojavi, dijamagnetno ponašanje se opaža samo u čisto dijamagnetnom materijalu. U dijamagnetskom materijalu nema nesparenih elektrona, tako da unutrašnji magnetni momenti elektrona ne mogu stvoritibilo koji efekat jačine zvuka.
Napominjemo da je ovaj opis namijenjen samo kao heuristički. Bohr-Van Leeuwen teorem pokazuje da je dijamagnetizam nemoguć prema klasičnoj fizici i da je za ispravno razumijevanje potreban kvantnomehanički opis.
Napominjemo da svi materijali prolaze kroz ovaj orbitalni odgovor. Međutim, u paramagnetnim i feromagnetnim supstancama, dijamagnetski efekat je potisnut mnogo jačim efektima uzrokovanim nesparenim elektronima.
U paramagnetnom materijalu postoje nespareni elektroni; odnosno atomske ili molekularne orbitale sa tačno jednim elektronom u sebi. Dok Paulijev princip isključivanja zahtijeva da upareni elektroni imaju svoje ("spin") magnetne momente usmjerene u suprotnim smjerovima, uzrokujući poništavanje njihovih magnetnih polja, nespareni elektron može poravnati svoj magnetni moment u oba smjera. Kada se primeni spoljno polje, ovi momenti će težiti da se poravnaju u istom pravcu kao i primenjeno polje, ojačavajući ga.
Feromagneti
Feromagnet, kao paramagnetna supstanca, ima nesparene elektrone. Međutim, pored tendencije unutrašnjeg magnetskog momenta elektrona da bude paralelan sa primijenjenim poljem, u ovim materijalima postoji i tendencija da se ovi magnetni momenti orijentiraju paralelno jedan prema drugom kako bi se održalo stanje smanjenog energije. Dakle, čak iu nedostatku primijenjenog poljamagnetni momenti elektrona u materijalu spontano se poravnavaju paralelno jedan s drugim.
Svaka feromagnetna supstanca ima svoju individualnu temperaturu, nazvanu Curie temperatura, ili Curie tačka, iznad koje gubi svoja feromagnetna svojstva. To je zato što termička sklonost poremećaju nadvladava smanjenje energije zbog feromagnetskog poretka.
Feromagnetizam se javlja samo u nekoliko supstanci; gvožđe, nikl, kob alt, njihove legure i neke legure retkih zemalja su uobičajene.
Magnetni momenti atoma u feromagnetnom materijalu uzrokuju da se ponašaju kao sićušni trajni magneti. Oni se drže zajedno i kombinuju u male regije manje ili više uniformnog poravnanja koje se nazivaju magnetne domene ili Weissove domene. Magnetne domene se mogu posmatrati pomoću mikroskopa magnetne sile kako bi se otkrile granice magnetnih domena koje liče na bijele linije na skici. Postoje mnogi naučni eksperimenti koji mogu fizički pokazati magnetna polja.
Uloga domena
Kada domen sadrži previše molekula, postaje nestabilan i dijeli se na dva domena poravnata u suprotnim smjerovima kako bi se stabilnije držali zajedno, kao što je prikazano na desnoj strani.
Kada su izložene magnetnom polju, granice domena se pomeraju tako da magnetski poravnati domeni rastu i dominiraju strukturom (tačkasto žuto područje), kao što je prikazano na levoj strani. Kada se magnetizirajuće polje ukloni, domeni se možda neće vratiti u nemagnetizirano stanje. Ovo vodi dojer je feromagnetni materijal magnetiziran, formirajući trajni magnet.
Kada je magnetizacija bila dovoljno jaka da se dominantni domen preklapa sa svim ostalim, što je dovelo do formiranja samo jedne odvojene domene, materijal je bio magnetski zasićen. Kada se magnetizirani feromagnetni materijal zagrije do temperature Curie tačke, molekuli se miješaju do točke u kojoj magnetni domeni gube organizaciju i magnetska svojstva koja uzrokuju prestaju. Kada se materijal ohladi, ova struktura poravnanja domena se spontano vraća, otprilike analogno tome kako se tečnost može zamrznuti u kristalnu čvrstu supstancu.
Antiferromagnetici
U antiferomagnetu, za razliku od feromagneta, unutrašnji magnetni momenti susednih valentnih elektrona teže da budu usmereni u suprotnim smerovima. Kada su svi atomi raspoređeni u supstanciji tako da je svaki susjed antiparalelan, supstanca je antiferomagnetna. Antiferomagneti imaju neto magnetni moment nula, što znači da ne stvaraju polje.
Antiferromagneti su rjeđi od drugih tipova ponašanja i najčešće se primjećuju na niskim temperaturama. Na različitim temperaturama, antiferomagneti pokazuju dijamagnetska i feromagnetska svojstva.
U nekim materijalima, susjedni elektroni radije pokazuju u suprotnim smjerovima, ali ne postoji geometrijski raspored u kojem je svaki par susjeda anti-poravnan. Zove se spin staklo ije primjer geometrijske frustracije.
Magnetna svojstva feromagnetnih materijala
Poput feromagnetizma, ferimagneti zadržavaju svoju magnetizaciju u odsustvu polja. Međutim, poput antiferomagneta, susjedni parovi spinova elektrona imaju tendenciju da budu usmjereni u suprotnim smjerovima. Ova dva svojstva nisu u suprotnosti jedno s drugim jer je, u optimalnom geometrijskom rasporedu, magnetni moment iz podrešetke elektrona koji su usmjereni u istom smjeru veći nego iz podrešetke koja pokazuje u suprotnom smjeru.
Većina ferita je ferimagnetna. Magnetna svojstva feromagnetnih materijala danas se smatraju neospornim. Prva otkrivena magnetna supstanca, magnetit, je ferit i prvobitno se smatralo da je feromagnet. Međutim, Louis Neel je to opovrgnuo otkrivši ferimagnetizam.
Kada je feromagnet ili ferimagnet dovoljno mali, on se ponaša kao jedan magnetni spin koji je podložan Brownovskom kretanju. Njegov odgovor na magnetsko polje kvalitativno je sličan onom paramagneta, ali mnogo više.
Elektromagneti
Elektromagnet je magnet u kojem se električnom strujom stvara magnetno polje. Magnetno polje nestaje kada se struja isključi. Elektromagneti se obično sastoje od velikog broja blisko raspoređenih zavoja žice koji stvaraju magnetsko polje. Zavojnice žice se često namotaju oko magnetnog jezgra napravljenog od feromagnetnog ili ferimagnetnog materijala.materijal kao što je gvožđe; magnetno jezgro koncentriše magnetni tok i stvara jači magnet.
Glavna prednost elektromagneta u odnosu na trajni magnet je u tome što se magnetsko polje može brzo promijeniti kontrolom količine električne struje u namotaju. Međutim, za razliku od trajnog magneta, koji ne zahtijeva napajanje, elektromagnet zahtijeva kontinuirano napajanje strujom da bi održao magnetsko polje.
Elektromagneti se široko koriste kao komponente drugih električnih uređaja kao što su motori, generatori, releji, solenoidi, zvučnici, tvrdi diskovi, MRI mašine, naučni instrumenti i oprema za magnetnu separaciju. Elektromagneti se također koriste u industriji za hvatanje i pomicanje teških željeznih predmeta kao što su otpadni metal i čelik. Elektromagnetizam je otkriven 1820. Istovremeno je objavljena prva klasifikacija materijala prema magnetnim svojstvima.
