Vetitë magnetike të një materiali janë një klasë fenomenesh fizike të ndërmjetësuara nga fusha. Rrymat elektrike dhe momentet magnetike të grimcave elementare gjenerojnë një fushë që vepron në rrymat e tjera. Efektet më të njohura ndodhin në materialet ferromagnetike, të cilat tërhiqen fuqishëm nga fushat magnetike dhe mund të magnetizohen përgjithmonë, duke krijuar vetë fushat e ngarkuara.
Vetëm disa substanca janë ferromagnetike. Për të përcaktuar nivelin e zhvillimit të këtij fenomeni në një substancë të veçantë, ekziston një klasifikim i materialeve sipas vetive magnetike. Më të zakonshmet janë hekuri, nikeli dhe kob alti dhe lidhjet e tyre. Parashtesa ferro- i referohet hekurit sepse magnetizmi i përhershëm u vu re për herë të parë në hekurin bosh, një formë e mineralit natyror të hekurit të quajtur vetitë magnetike të materialit, Fe3O4.
Materiale paramagnetike
Megjithëseferromagnetizmi është përgjegjës për shumicën e efekteve të magnetizmit që hasen në jetën e përditshme, të gjitha materialet e tjera ndikohen nga fusha në një farë mase, si dhe disa lloje të tjera të magnetizmit. Substancat paramagnetike si alumini dhe oksigjeni tërhiqen dobët nga një fushë magnetike e aplikuar. Substancat diamagnetike si bakri dhe karboni zmbrapsen dobët.
Ndërsa materialet antiferromagnetike si kromi dhe gotat spin kanë një marrëdhënie më komplekse me fushën magnetike. Forca e një magneti në materialet paramagnetike, diamagnetike dhe antiferromagnetike është zakonisht shumë e dobët për t'u ndjerë dhe mund të zbulohet vetëm nga instrumentet laboratorike, kështu që këto substanca nuk përfshihen në listën e materialeve që kanë veti magnetike.
Kushtet
Gjendja (ose faza) magnetike e një materiali varet nga temperatura dhe variabla të tjerë si presioni dhe fusha magnetike e aplikuar. Një material mund të shfaqë më shumë se një formë magnetizmi ndërsa ndryshojnë këto variabla.
Histori
Vetitë magnetike të një materiali u zbuluan për herë të parë në botën e lashtë kur njerëzit vunë re se magnetët, copa mineralesh të magnetizuara natyrshëm, mund të tërhiqnin hekurin. Fjala "magnet" vjen nga termi grek Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "gur magnezian, gur këmbësh".
Në Greqinë e lashtë, Aristoteli ia atribuoi të parën asaj që mund të quhet një diskutim shkencor rreth vetive magnetike të materialeve,filozofi Thales i Miletit, i cili jetoi nga viti 625 para Krishtit. e. para 545 para Krishtit e. Teksti i lashtë mjekësor indian Sushruta Samhita përshkruan përdorimin e magnetitit për të hequr shigjetat e ngulitura në trupin e njeriut.
Kina e lashtë
Në Kinën e lashtë, referenca më e hershme letrare për vetitë elektrike dhe magnetike të materialeve gjendet në një libër të shekullit të IV para Krishtit, të quajtur sipas autorit të tij, The Sage of the Valley of Ghosts. Përmendja më e hershme e tërheqjes me gjilpërë është në veprën e shekullit të 1-të Lunheng (Kërkesa të balancuara): "Maneti tërheq gjilpërën."
Shkencëtari kinez i shekullit të 11-të Shen Kuo ishte personi i parë që përshkroi - në esenë e pishinës së ëndrrave - një busull magnetik me një gjilpërë dhe se përmirësoi saktësinë e lundrimit përmes metodave astronomike. koncepti i veriut të vërtetë. Në shekullin e 12-të, kinezët ishin të njohur për përdorimin e busullës magnetike për lundrim. Ata e modeluan lugën udhëzuese prej guri në mënyrë që doreza e lugës të drejtohet gjithmonë nga jugu.
Mesjetë
Alexander Neckam, në vitin 1187, ishte i pari në Evropë që përshkroi busullën dhe përdorimin e tij për lundrim. Ky studiues për herë të parë në Evropë vendosi tërësisht vetitë e materialeve magnetike. Në 1269 Peter Peregrine de Maricourt shkroi Epistola de magnete, traktati i parë i mbijetuar që përshkruan vetitë e magneteve. Në vitin 1282, vetitë e busullave dhe materialeve me veti të veçanta magnetike u përshkruan nga al-Ashraf, një fizikan, astronom dhe gjeograf jemenas.
Rilindja
Në vitin 1600, William Gilbert botoi"Korpusi Magnetik" dhe "Telluri Magnetik" i tij ("Për Magnetin dhe Trupat Magnetikë, si dhe mbi Magnetin e Madh të Tokës"). Në këtë letër, ai përshkruan shumë nga eksperimentet e tij me modelin e tokës së tij, të quajtur terrella, me të cilën ai kreu kërkime mbi vetitë e materialeve magnetike.
Nga eksperimentet e tij, ai arriti në përfundimin se vetë Toka është magnetike dhe se kjo është arsyeja pse busullat drejtonin veriun (më parë, disa besonin se ishte ylli polar (Polaris) ose një ishull i madh magnetik në veri Poli që tërhoqi busullën).
Koha e re
Kuptimi i marrëdhënies midis elektricitetit dhe materialeve me veti të veçanta magnetike u shfaq në vitin 1819 në punën e Hans Christian Oersted, një profesor në Universitetin e Kopenhagës, i cili zbuloi duke tundur aksidentalisht një gjilpërë busull pranë një teli që një elektricitet rryma mund të krijojë një fushë magnetike. Ky eksperiment historik njihet si Eksperimenti Oersted. Pasuan disa eksperimente të tjera me André-Marie Ampère, i cili zbuloi në 1820 se një fushë magnetike që qarkullonte në një shteg të mbyllur lidhej me një rrymë që rrjedh rreth perimetrit të shtegut.
Carl Friedrich Gauss ishte i angazhuar në studimin e magnetizmit. Jean-Baptiste Biot dhe Felix Savart në 1820 dolën me ligjin Biot-Savart, i cili jep ekuacionin e dëshiruar. Michael Faraday, i cili zbuloi në 1831 se një fluks magnetik i ndryshueshëm në kohë përmes një lak teli shkaktoi një tension. Dhe shkencëtarë të tjerë kanë gjetur lidhje të mëtejshme midis magnetizmit dhe elektricitetit.
Shekulli XX dhe tonëkoha
James Clerk Maxwell sintetizoi dhe zgjeroi këtë kuptim të ekuacioneve të Maxwell duke bashkuar elektricitetin, magnetizmin dhe optikën në fushën e elektromagnetizmit. Në vitin 1905, Ajnshtajni i përdori këto ligje për të motivuar teorinë e tij të relativitetit special duke kërkuar që ligjet të jenë të vërteta në të gjitha kornizat e referencës inerciale.
Elektromagnetizmi ka vazhduar të evoluojë në shekullin e 21-të, duke u përfshirë në teoritë më themelore të teorisë së matësve, elektrodinamikës kuantike, teorisë elektro-dobët dhe më në fund modelit standard. Në ditët e sotme, shkencëtarët tashmë janë duke studiuar vetitë magnetike të materialeve me nanostrukturë me fuqi dhe kryesore. Por zbulimet më të mëdha dhe më të mahnitshme në këtë fushë ndoshta janë ende përpara nesh.
Thelbi
Vetitë magnetike të materialeve janë kryesisht për shkak të momenteve magnetike të elektroneve orbitale të atomeve të tyre. Momentet magnetike të bërthamave atomike janë zakonisht mijëra herë më të vogla se ato të elektroneve, dhe për këtë arsye ato janë të papërfillshme në kontekstin e magnetizimit të materialeve. Momentet magnetike bërthamore janë megjithatë shumë të rëndësishme në kontekste të tjera, veçanërisht në rezonancën magnetike bërthamore (NMR) dhe imazhin e rezonancës magnetike (MRI).
Zakonisht, numri i madh i elektroneve në një material është i rregulluar në atë mënyrë që momentet e tyre magnetike (si orbitale ashtu edhe të brendshme) të anulohen. Në një farë mase, kjo është për shkak të faktit se elektronet kombinohen në çifte me momente magnetike të brendshme të kundërta si rezultat i parimit Pauli (shih konfigurimin e elektroneve) dhe kombinohen në nënshtresa të mbushura me lëvizje neto orbitale zero.
BNë të dyja rastet, elektronet përdorin kryesisht qarqe në të cilat momenti magnetik i secilit elektron anulohet nga momenti i kundërt i elektronit tjetër. Për më tepër, edhe kur konfigurimi i elektroneve është i tillë që ka elektrone të paçiftuar dhe/ose nënshtresa të paplotësuara, shpesh ndodh që elektrone të ndryshme në një trup të ngurtë të kontribuojnë në momente magnetike që drejtohen në drejtime të ndryshme, të rastësishme, në mënyrë që materiali të mos jetë magnetike.
Ndonjëherë, ose spontanisht ose për shkak të një fushe magnetike të jashtme të aplikuar, secili prej momenteve magnetike të elektroneve do të vijë mesatarisht. Materiali i duhur mund të krijojë një fushë magnetike të fortë neto.
Sjellja magnetike e një materiali varet nga struktura e tij, veçanërisht nga konfigurimi i tij elektronik, për arsyet e dhëna më sipër, si dhe nga temperatura. Në temperatura të larta, lëvizja termike e rastësishme e bën të vështirë përafrimin e elektroneve.
Diamagnetizëm
Diamagnetizmi gjendet në të gjitha materialet dhe është tendenca e një materiali për t'i rezistuar një fushe magnetike të aplikuar dhe për rrjedhojë të sprapsë fushën magnetike. Sidoqoftë, në një material me veti paramagnetike (d.m.th., me një tendencë për të forcuar një fushë magnetike të jashtme), dominon sjellja paramagnetike. Kështu, pavarësisht nga dukuria universale, sjellja diamagnetike vërehet vetëm në një material thjesht diamagnetik. Nuk ka elektrone të paçiftuara në një material diamagnetik, kështu që momentet magnetike të brendshme të elektroneve nuk mund të krijojnëçdo efekt volumi.
Ju lutemi, vini re se ky përshkrim synohet vetëm si një heuristik. Teorema Bohr-Van Leeuwen tregon se diamagnetizmi është i pamundur sipas fizikës klasike dhe se një kuptim i saktë kërkon një përshkrim mekanik kuantik.
Vini re se të gjitha materialet kalojnë nëpër këtë përgjigje orbitale. Megjithatë, në substancat paramagnetike dhe ferromagnetike, efekti diamagnetik shtypet nga efektet shumë më të forta të shkaktuara nga elektronet e paçiftuara.
Ka elektrone të paçiftëzuara në një material paramagnetik; pra orbitale atomike ose molekulare me saktësisht një elektron në to. Ndërsa parimi i përjashtimit Pauli kërkon që elektronet e çiftuara të kenë momentet e tyre magnetike ("spin") që tregojnë në drejtime të kundërta, duke shkaktuar anulimin e fushave të tyre magnetike, një elektron i paçiftuar mund të rreshtojë momentin e tij magnetik në secilin drejtim. Kur aplikohet një fushë e jashtme, këto momente do të priren të rreshtohen në të njëjtin drejtim si fusha e aplikuar, duke e forcuar atë.
Feromagnet
Një ferromagnet, si një substancë paramagnetike, ka elektrone të paçiftuar. Megjithatë, përveç tendencës së momentit magnetik të brendshëm të elektroneve për të qenë paralel me fushën e aplikuar, në këto materiale ekziston edhe një tendencë që këto momente magnetike të orientohen paralel me njëri-tjetrin për të ruajtur një gjendje të reduktuar. energji. Kështu, edhe në mungesë të një fushe të aplikuarmomentet magnetike të elektroneve në material rreshtohen spontanisht paralel me njëri-tjetrin.
Çdo substancë ferromagnetike ka temperaturën e vet individuale, të quajtur temperatura Curie, ose pika Curie, mbi të cilën humbet vetitë e saj ferromagnetike. Kjo është për shkak se tendenca termike për çrregullim mbizotëron reduktimin e energjisë për shkak të rendit ferromagnetik.
Feromagnetizmi shfaqet vetëm në disa substanca; hekuri, nikeli, kob alti, lidhjet e tyre dhe disa lidhje të rralla të tokës janë të zakonshme.
Momentet magnetike të atomeve në një material ferromagnetik bëjnë që ata të sillen si magnet të vegjël të përhershëm. Ata ngjiten së bashku dhe kombinohen në zona të vogla me shtrirje pak a shumë uniforme të quajtura domene magnetike ose domene Weiss. Domenet magnetike mund të vëzhgohen duke përdorur një mikroskop të forcës magnetike për të zbuluar kufijtë e domenit magnetik që i ngjajnë vijave të bardha në një skicë. Ka shumë eksperimente shkencore që mund të tregojnë fizikisht fusha magnetike.
Roli i domeneve
Kur një domen përmban shumë molekula, ai bëhet i paqëndrueshëm dhe ndahet në dy domene të rreshtuara në drejtime të kundërta për t'u ngjitur së bashku në mënyrë më të qëndrueshme, siç tregohet në të djathtë.
Kur ekspozohen ndaj një fushe magnetike, kufijtë e domenit lëvizin në mënyrë që domenet e linjës magnetike të rriten dhe të dominojnë strukturën (zona e verdhë me pika), siç tregohet në të majtë. Kur hiqet fusha magnetizuese, domenet mund të mos kthehen në një gjendje jo të magnetizuar. Kjo çon nësepse materiali ferromagnetik magnetizohet, duke formuar një magnet të përhershëm.
Kur magnetizimi ishte mjaft i fortë në mënyrë që domeni dominues të mbivendoste të gjithë të tjerët, duke çuar në formimin e vetëm një domeni të veçantë, materiali ishte i ngopur magnetikisht. Kur një material ferromagnetik i magnetizuar nxehet në temperaturën e pikës Curie, molekulat përzihen deri në pikën ku domenet magnetike humbasin organizimin dhe vetitë magnetike që ato shkaktojnë pushojnë. Kur materiali ftohet, kjo strukturë e shtrirjes së domenit kthehet spontanisht, afërsisht analoge me mënyrën se si një lëng mund të ngrijë në një solid kristalor.
Antiferromagnetikë
Në një antiferromagnet, ndryshe nga një ferromagnet, momentet magnetike të brendshme të elektroneve fqinje të valencës priren të drejtohen në drejtime të kundërta. Kur të gjithë atomet janë të vendosur në një substancë në mënyrë që çdo fqinj të jetë antiparalel, substanca është antiferromagnetike. Antiferromagnetët kanë një moment magnetik neto prej zero, që do të thotë se ata nuk krijojnë një fushë.
Antiferromagnetët janë më të rrallë se llojet e tjera të sjelljes dhe më së shpeshti vërehen në temperatura të ulëta. Në temperatura të ndryshme, antiferromagnetët shfaqin veti diamagnetike dhe ferromagnetike.
Në disa materiale, elektronet fqinje preferojnë të drejtohen në drejtime të kundërta, por nuk ka rregullim gjeometrik në të cilin çdo çift fqinjësh është kundër rreshtimit. Quhet gotë spin dheështë një shembull i frustrimit gjeometrik.
Vetitë magnetike të materialeve ferromagnetike
Ashtu si ferromagnetizmi, ferrimagnetët ruajnë magnetizimin e tyre në mungesë të një fushe. Megjithatë, si antiferromagnetët, çiftet ngjitur të rrotullimeve të elektroneve priren të drejtohen në drejtime të kundërta. Këto dy veti nuk bien ndesh me njëra-tjetrën, sepse, në një rregullim gjeometrik optimal, momenti magnetik nga një nëngrizë elektronesh që drejtohet në të njëjtin drejtim është më i madh se nga një nëngrikë që tregon drejtimin e kundërt.
Shumica e ferriteve janë ferrimagnetike. Vetitë magnetike të materialeve ferromagnetike sot konsiderohen të pamohueshme. Substanca e parë magnetike e zbuluar, magnetiti, është një ferrit dhe fillimisht mendohej të ishte një ferromagnet. Megjithatë, Louis Neel e hodhi poshtë këtë duke zbuluar ferrimagnetizmin.
Kur një ferromagnet ose ferrimagnet është mjaft i vogël, ai vepron si një rrotullim i vetëm magnetik që i nënshtrohet lëvizjes Brownian. Përgjigja e tij ndaj një fushe magnetike është cilësisht e ngjashme me atë të një paramagneti, por shumë më tepër.
Elektromagnet
Një elektromagnet është një magnet në të cilin një fushë magnetike krijohet nga një rrymë elektrike. Fusha magnetike zhduket kur rryma fiket. Elektromagnetët zakonisht përbëhen nga një numër i madh kthesash teli të vendosura ngushtë që krijojnë një fushë magnetike. Bobinat e telit shpesh mbështillen rreth një bërthame magnetike të bërë nga materiali ferromagnetik ose ferrimagnetik.një material si hekuri; bërthama magnetike përqendron fluksin magnetik dhe krijon një magnet më të fortë.
Përparësia kryesore e një elektromagneti mbi një magnet të përhershëm është se fusha magnetike mund të ndryshohet shpejt duke kontrolluar sasinë e rrymës elektrike në mbështjellje. Megjithatë, ndryshe nga një magnet i përhershëm, i cili nuk kërkon energji, një elektromagnet kërkon një furnizim të vazhdueshëm të rrymës për të ruajtur fushën magnetike.
Elektromagnetët përdoren gjerësisht si përbërës të pajisjeve të tjera elektrike si motorët, gjeneratorët, reletë, solenoidet, altoparlantët, disqet e ngurtë, makinat MRI, instrumentet shkencore dhe pajisjet e ndarjes magnetike. Elektromagnetët përdoren gjithashtu në industri për të kapur dhe lëvizur objekte të rënda hekuri si skrap dhe çeliku. Elektromagnetizmi u zbulua në 1820. Në të njëjtën kohë u publikua edhe klasifikimi i parë i materialeve sipas vetive magnetike.
