Orice substanță din lume are anumite proprietăți magnetice. Ele sunt măsurate prin permeabilitatea magnetică. În acest articol ne vom uita la proprietățile magnetice ale materiei.
Ipoteza lui Ampere
Permeabilitatea magnetică arată de câte ori inducția câmpului magnetic într-un mediu dat este mai mică sau mai mare decât inducția câmpului magnetic în vid.
O substanță care își creează propriul câmp magnetic se numește magnetizată. Magnetizarea are loc atunci când o substanță este plasată într-un câmp magnetic extern.
Omul de știință francez Ampere a stabilit motivul, a cărui consecință este deținerea proprietăților magnetice de către corpuri. Ipoteza lui Ampere afirmă că există curenți electrici microscopici în interiorul materiei (un electron are propriul său moment magnetic, care are o natură cuantică, mișcare orbitală în atomii de electroni). Ei sunt cei care determină proprietățile magnetice ale unei substanțe. Dacă curenții au direcții dezordonate, atunci câmpurile magnetice pe care le generează se anulează reciproc. Corpul nu este magnetizat. Un câmp magnetic extern reglează acești curenți. Drept urmare, substanța își dezvoltă propriul câmp magnetic. Aceasta este magnetizarea substanței.
Proprietățile magnetice ale unei substanțe sunt determinate prin reacția substanțelor la un câmp magnetic extern și prin ordinea structurii lor interne. În conformitate cu acești parametri, aceștia sunt împărțiți în următoarele grupuri:
- Paramagneți
- Diamagneții
- Ferromagneți
- Antiferomagneți
Diamagneți și paramagneți
- Substanțele care au susceptibilitate magnetică negativă, independent de intensitatea câmpului magnetic, se numesc materiale diamagnetice. Să ne dăm seama ce proprietăți magnetice ale unei substanțe se numesc susceptibilitate magnetică negativă. Acesta este momentul în care un magnet este adus unui corp și este respins mai degrabă decât atras. Diamagneții includ, de exemplu, gaze inerte, hidrogen, fosfor, zinc, aur, azot, siliciu, bismut, cupru și argint. Adică, acestea sunt substanțe care sunt în stare supraconductoare sau au legături covalente.
- Materiale paramagnetice. Pentru aceste substanțe, susceptibilitatea magnetică nu depinde de asemenea de intensitatea câmpului existent. Ea este însă pozitivă. Adică, atunci când un paramagnetic se apropie de un magnet permanent, apare o forță atractivă. Acestea includ aluminiu, platină, oxigen, mangan, fier.
Ferromagneți
Substanțele care au o susceptibilitate magnetică pozitivă ridicată se numesc feromagneți. Pentru aceste substanțe, spre deosebire de materialele diamagnetice și paramagnetice, susceptibilitatea magnetică depinde de temperatură și intensitatea câmpului magnetic și într-o măsură semnificativă. Acestea includ cristale de nichel și cobalt.
Antiferomagneți și ferimagneți
- Substanțele în care, în timpul încălzirii, are loc o tranziție de fază a substanței date, însoțită de apariția proprietăților paramagnetice, se numesc antiferomagneți. Dacă temperatura devine mai mică decât o anumită, aceste proprietăți ale substanței nu vor fi respectate. Exemple de aceste substanțe ar fi manganul și cromul.
- Ferimagneții sunt caracterizați prin prezența în ei a unui antiferomagnetism necompensat. Susceptibilitatea lor magnetică depinde și de temperaturi și de intensitatea câmpului magnetic. Dar au încă diferențe. Aceste substanțe includ diverși oxizi.
Toți magneții de mai sus pot fi împărțiți în 2 categorii:
- Materiale magnetice dure. Acestea sunt materiale cu o valoare mare de coercivitate. Pentru a le remagnetiza, este necesar să se creeze un câmp magnetic puternic. Aceste materiale sunt folosite la fabricarea magneților permanenți.
- Materialele magnetice moi, dimpotrivă, au o forță coercitivă scăzută. În câmpurile magnetice slabe ele sunt capabile să intre în saturație. Au pierderi reduse datorită inversării magnetizării. Din acest motiv, aceste materiale sunt folosite pentru a face miezuri pentru mașinile electrice care funcționează pe curent alternativ. Acesta este, de exemplu, un transformator de curent și tensiune, sau un generator sau un motor asincron.
Ne-am uitat la toate proprietățile magnetice de bază ale materiei și ne-am dat seama ce tipuri de magneți există.
MAGNETI SI PROPRIETATILE MAGNETICE ALE MATERIEI
Cele mai simple manifestări ale magnetismului sunt cunoscute de foarte mult timp și sunt familiare pentru majoritatea dintre noi. Cu toate acestea, abia relativ recent au fost explicate aceste fenomene aparent simple pe baza principiilor fundamentale ale fizicii. Există două tipuri diferite de magneți. Unii sunt așa-numiți magneți permanenți, fabricați din materiale „magnetice dure”. Proprietățile lor magnetice nu sunt legate de utilizarea surselor externe sau a curenților. Un alt tip include așa-numiții electromagneți cu un miez din fier „magnetic moale”. Câmpurile magnetice pe care le creează se datorează în principal faptului că un curent electric trece prin firul de înfășurare care înconjoară miezul.
Poli magnetici si camp magnetic. Proprietățile magnetice ale unui magnet bar sunt cele mai vizibile în apropierea capetelor sale. Dacă un astfel de magnet este atârnat de partea din mijloc, astfel încât să se poată roti liber într-un plan orizontal, atunci va lua o poziție aproximativ corespunzătoare direcției de la nord la sud. Capătul tijei îndreptată spre nord se numește polul nord, iar capătul opus se numește polul sudic. Polii opuși ai doi magneți se atrag unul pe celălalt, iar polii asemănători se resping reciproc. Dacă o bară de fier nemagnetizat este adusă aproape de unul dintre polii unui magnet, acesta din urmă va deveni temporar magnetizat. În acest caz, polul barei magnetizate cel mai apropiat de polul magnetului va avea numele opus, iar polul îndepărtat va avea același nume. Atractia dintre polul magnetului si polul opus indusa de acesta in bara explica actiunea magnetului. Unele materiale (cum ar fi oțelul) în sine devin magneți permanenți slabi după ce se află lângă un magnet permanent sau un electromagnet. O tijă de oțel poate fi magnetizată prin simpla trecere a capătului unui magnet permanent de bară de-a lungul capătului său. Deci, un magnet atrage alți magneți și obiecte din materiale magnetice fără a fi în contact cu aceștia. Această acțiune la distanță se explică prin existența unui câmp magnetic în spațiul din jurul magnetului. O idee despre intensitatea și direcția acestui câmp magnetic poate fi obținută prin turnarea piliturii de fier pe o foaie de carton sau sticlă plasată pe un magnet. Rumegul se va alinia în lanțuri în direcția câmpului, iar densitatea liniilor de rumeguș va corespunde intensității acestui câmp. (Sunt cele mai groase la capetele magnetului, unde intensitatea câmpului magnetic este cea mai mare.) M. Faraday (1791-1867) a introdus conceptul de linii de inducție închise pentru magneți. Liniile de inducție se extind în spațiul înconjurător de la magnetul de la polul său nord, intră în magnet la polul său sudic și trec în interiorul materialului magnetului de la polul sud înapoi la nord, formând o buclă închisă. Numărul total de linii de inducție care ies dintr-un magnet se numește flux magnetic. Densitatea fluxului magnetic, sau inducția magnetică (B), este egală cu numărul de linii de inducție care trec în mod normal printr-o zonă elementară de dimensiunea unității. Inducția magnetică determină forța cu care acționează un câmp magnetic asupra unui conductor de curent aflat în el. Dacă conductorul prin care trece curentul I este situat perpendicular pe liniile de inducție, atunci conform legii lui Ampere, forța F care acționează asupra conductorului este perpendiculară atât pe câmp, cât și pe conductor și este proporțională cu inducția magnetică, puterea și lungimea curentului. a conductorului. Astfel, pentru inducția magnetică B putem scrie expresia
Unde F este forța în newtoni, I este curentul în amperi, l este lungimea în metri. Unitatea de măsură pentru inducția magnetică este tesla (T)
(vezi și ELECTRICITATE ȘI MAGNETISM).
Galvanometru. Un galvanometru este un instrument sensibil pentru măsurarea curenților slabi. Un galvanometru folosește cuplul produs de interacțiunea unui magnet permanent în formă de potcoavă cu o bobină mică purtătoare de curent (un electromagnet slab) suspendată în golul dintre polii magnetului. Cuplul și, prin urmare, deviația bobinei, este proporțională cu curentul și cu inducția magnetică totală în spațiul de aer, astfel încât scara dispozitivului este aproape liniară pentru deviații mici ale bobinei. Forța de magnetizare și puterea câmpului magnetic. În continuare, ar trebui să introducem o altă cantitate care caracterizează efectul magnetic al curentului electric. Să presupunem că curentul trece prin firul unei bobine lungi, în interiorul căreia se află un material magnetizabil. Forța de magnetizare este produsul dintre curentul electric din bobină și numărul de spire (această forță se măsoară în amperi, deoarece numărul de spire este o mărime adimensională). Intensitatea câmpului magnetic H este egală cu forța de magnetizare pe unitatea de lungime a bobinei. Astfel, valoarea lui H se măsoară în amperi pe metru; determină magnetizarea dobândită de materialul din interiorul bobinei. În vid, inducția magnetică B este proporțională cu intensitatea câmpului magnetic H:
Unde m0 este așa-numitul constantă magnetică având o valoare universală de 4pХ10-7 H/m. În multe materiale, B este aproximativ proporțional cu H. Cu toate acestea, în materialele feromagnetice, relația dintre B și H este ceva mai complexă (așa cum se discută mai jos). În fig. 1 prezintă un electromagnet simplu conceput pentru a prinde sarcini. Sursa de energie este o baterie DC. Figura arată, de asemenea, liniile de câmp ale electromagnetului, care pot fi detectate prin metoda obișnuită a piliturii de fier.
Electromagneții mari cu miez de fier și un număr foarte mare de amperi-tururi, care funcționează în regim continuu, au o forță mare de magnetizare. Ele creează o inducție magnetică de până la 6 Tesla în golul dintre poli; această inducție este limitată doar de solicitarea mecanică, încălzirea bobinelor și saturația magnetică a miezului. O serie de electromagneți uriași răciți cu apă (fără miez), precum și instalații pentru crearea de câmpuri magnetice pulsate, au fost proiectate de P.L. Kapitsa (1894-1984) la Cambridge și la Institutul de Probleme Fizice al Academiei de Științe a URSS și F. Bitter (1902-1967) în Massachusetts Institute of Technology. Cu astfel de magneți a fost posibil să se obțină o inducție de până la 50 Tesla. Un electromagnet relativ mic care produce câmpuri de până la 6,2 Tesla, consumă 15 kW de energie electrică și este răcit cu hidrogen lichid, a fost dezvoltat la Laboratorul Național Losalamos. Câmpuri similare se obțin la temperaturi criogenice.
Permeabilitatea magnetică și rolul său în magnetism. Permeabilitatea magnetică m este o mărime care caracterizează proprietățile magnetice ale unui material. Metalele feromagnetice Fe, Ni, Co și aliajele lor au permeabilitati maxime foarte mari - de la 5000 (pentru Fe) la 800.000 (pentru supermaloy). În astfel de materiale, la intensitățile de câmp H relativ scăzute, apar inducții mari B, dar relația dintre aceste mărimi, în general, este neliniară datorită fenomenelor de saturație și histerezis, care sunt discutate mai jos. Materialele ferromagnetice sunt puternic atrase de magneți. Ei își pierd proprietățile magnetice la temperaturi peste punctul Curie (770 ° C pentru Fe, 358 ° C pentru Ni, 1120 ° C pentru Co) și se comportă ca paramagneți, pentru care inducerea B până la valori foarte mari de rezistență H este proporțional cu acesta - exact la fel cu ceea ce se întâmplă în vid. Multe elemente și compuși sunt paramagnetice la toate temperaturile. Substanțele paramagnetice se caracterizează prin faptul că se magnetizează într-un câmp magnetic extern; dacă acest câmp este oprit, substanțele paramagnetice revin la o stare nemagnetizată. Magnetizarea în feromagneți este menținută chiar și după ce câmpul extern este oprit. În fig. Figura 2 prezintă o buclă tipică de histerezis pentru un material feromagnetic dur magnetic (cu pierderi mari). Caracterizează dependența ambiguă a magnetizării unui material ordonat magnetic de puterea câmpului de magnetizare. Odată cu o creștere a intensității câmpului magnetic de la punctul inițial (zero) (1), magnetizarea are loc de-a lungul liniei întrerupte 1-2, iar valoarea lui m se modifică semnificativ pe măsură ce magnetizarea probei crește. La punctul 2 se atinge saturația, adică. cu o creștere suplimentară a tensiunii, magnetizarea nu mai crește. Dacă acum reducem treptat valoarea lui H la zero, atunci curba B(H) nu mai urmează calea anterioară, ci trece prin punctul 3, dezvăluind, parcă, o „amintire” a materialului despre „istoria trecută, ", de unde și numele de "histereză". Este evident că în acest caz se păstrează o oarecare magnetizare reziduală (segmentul 1-3). După schimbarea direcției câmpului de magnetizare în direcția opusă, curba B (H) trece de punctul 4, iar segmentul (1)-(4) corespunde forței coercitive care împiedică demagnetizarea. O creștere suplimentară a valorilor (-H) aduce curba de histerezis în al treilea cadran - secțiunea 4-5. Scăderea ulterioară a valorii (-H) la zero și apoi o creștere a valorilor pozitive ale lui H va duce la închiderea buclei de histerezis prin punctele 6, 7 și 2.
Materialele magnetice dure se caracterizează printr-o buclă largă de histerezis, care acoperă o zonă semnificativă pe diagramă și, prin urmare, corespunzând unor valori mari de magnetizare remanentă (inducție magnetică) și forță coercitivă. O buclă îngustă de histerezis (Fig. 3) este caracteristică materialelor magnetice moi, cum ar fi oțelul moale și aliajele speciale cu permeabilitate magnetică ridicată. Astfel de aliaje au fost create cu scopul de a reduce pierderile de energie cauzate de histerezis. Majoritatea acestor aliaje speciale, precum feritele, au o rezistență electrică ridicată, ceea ce reduce nu numai pierderile magnetice, ci și pierderile electrice cauzate de curenții turbionari.
Materialele magnetice cu permeabilitate ridicată sunt produse prin recoacere, realizată prin menținerea la o temperatură de aproximativ 1000 ° C, urmată de revenire (răcire treptată) la temperatura camerei. În acest caz, tratamentul mecanic și termic preliminar, precum și absența impurităților în probă sunt foarte importante. Pentru miezurile transformatoarelor la începutul secolului XX. Au fost dezvoltate oțeluri siliconice, a căror valoare a crescut odată cu creșterea conținutului de siliciu. Între 1915 și 1920, au apărut permalloies (aliaje de Ni și Fe) cu o buclă caracteristică de histerezis îngustă și aproape dreptunghiulară. Aliajele hypernik (50% Ni, 50% Fe) și mu-metal (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr) se disting prin valori deosebit de mari ale permeabilității magnetice m la valori scăzute. de H, în timp ce în perminvar (45 % Ni, 30% Fe, 25% Co) valoarea lui m este practic constantă pe o gamă largă de modificări ale intensității câmpului. Dintre materialele magnetice moderne, trebuie menționat supermaloy - un aliaj cu cea mai mare permeabilitate magnetică (conține 79% Ni, 15% Fe și 5% Mo).
Teorii ale magnetismului. Pentru prima dată, presupunerea că fenomenele magnetice se reduc în cele din urmă la fenomene electrice a apărut de la Ampere în 1825, când a exprimat ideea microcurenților interni închisi care circulă în fiecare atom al unui magnet. Cu toate acestea, fără nicio confirmare experimentală a prezenței unor astfel de curenți în materie (electronul a fost descoperit de J. Thomson abia în 1897, iar descrierea structurii atomului a fost dată de Rutherford și Bohr în 1913), această teorie „a dispărut”. .” În 1852, W. Weber a sugerat că fiecare atom al unei substanțe magnetice este un mic magnet, sau dipol magnetic, astfel încât magnetizarea completă a unei substanțe este realizată atunci când toți magneții atomici individuali sunt aliniați într-o anumită ordine (Fig. 4, b) . Weber credea că „frecarea” moleculară sau atomică ajută acești magneți elementari să-și mențină ordinea în ciuda influenței perturbatoare a vibrațiilor termice. Teoria sa a putut explica magnetizarea corpurilor la contactul cu un magnet, precum și demagnetizarea lor la impact sau încălzire; în sfârșit, a fost explicată și „reproducția” magneților la tăierea în bucăți a unui ac magnetizat sau a unei tije magnetice. Și totuși această teorie nu a explicat nici originea magneților elementari înșiși, nici fenomenele de saturație și histerezis. Teoria lui Weber a fost îmbunătățită în 1890 de J. Ewing, care și-a înlocuit ipoteza frecării atomice cu ideea forțelor de limitare interatomice care ajută la menținerea ordonării dipolilor elementari care alcătuiesc un magnet permanent.
Abordarea problemei, propusă cândva de Ampere, a primit o a doua viață în 1905, când P. Langevin a explicat comportamentul materialelor paramagnetice atribuind fiecărui atom un curent electronic intern necompensat. Potrivit lui Langevin, acești curenți formează magneți minusculi care sunt orientați aleatoriu atunci când nu există un câmp extern, dar capătă o orientare ordonată atunci când este aplicat. În acest caz, abordarea ordinii complete corespunde saturației magnetizării. În plus, Langevin a introdus conceptul de moment magnetic, care pentru un magnet atomic individual este egal cu produsul dintre „sarcina magnetică” a unui pol și distanța dintre poli. Astfel, magnetismul slab al materialelor paramagnetice se datorează momentului magnetic total creat de curenții de electroni necompensați. În 1907, P. Weiss a introdus conceptul de „domeniu”, care a devenit o contribuție importantă la teoria modernă a magnetismului. Weiss și-a imaginat domeniile ca mici „colonii” de atomi, în interiorul cărora momentele magnetice ale tuturor atomilor, din anumite motive, sunt forțate să mențină aceeași orientare, astfel încât fiecare domeniu este magnetizat până la saturație. Un domeniu individual poate avea dimensiuni liniare de ordinul a 0,01 mm și, în consecință, un volum de ordinul a 10-6 mm3. Domeniile sunt separate de așa-numiții pereți Bloch, a căror grosime nu depășește 1000 de dimensiuni atomice. „Peretele” și două domenii orientate opus sunt prezentate schematic în Fig. 5. Astfel de pereți reprezintă „straturi de tranziție” în care direcția de magnetizare a domeniului se schimbă.
În cazul general, pe curba de magnetizare inițială se pot distinge trei secțiuni (Fig. 6). În secțiunea inițială, peretele, sub influența unui câmp exterior, se deplasează prin grosimea substanței până când întâlnește un defect în rețeaua cristalină, care îl oprește. Prin creșterea intensității câmpului, puteți forța peretele să se miște mai departe, prin secțiunea de mijloc dintre liniile întrerupte. Dacă după aceasta intensitatea câmpului este din nou redusă la zero, atunci pereții nu vor mai reveni la poziția inițială, astfel încât proba va rămâne parțial magnetizată. Aceasta explică histerezisul magnetului. La secțiunea finală a curbei, procesul se încheie cu saturarea magnetizării probei datorită ordonării magnetizării în interiorul ultimelor domenii dezordonate. Acest proces este aproape complet reversibil. Duritatea magnetică este prezentată de acele materiale a căror rețea atomică conține multe defecte care împiedică mișcarea pereților interdomenii. Acest lucru poate fi realizat prin tratament mecanic și termic, de exemplu prin compresie și sinterizarea ulterioară a materialului sub formă de pulbere. În aliajele de alnico și analogii lor, același rezultat este obținut prin topirea metalelor într-o structură complexă.
Pe lângă materialele paramagnetice și feromagnetice, există materiale cu așa-numitele proprietăți antiferomagnetice și ferimagnetice. Diferența dintre aceste tipuri de magnetism este explicată în Fig. 7. Pe baza conceptului de domenii, paramagnetismul poate fi considerat ca un fenomen cauzat de prezența în material a unor grupuri mici de dipoli magnetici, în care dipolii individuali interacționează foarte slab între ei (sau nu interacționează deloc) și, prin urmare, , în absența unui câmp extern, se iau doar orientări aleatorii ( Fig. 7, a). În materialele feromagnetice, în cadrul fiecărui domeniu există o interacțiune puternică între dipolii individuali, conducând la alinierea lor paralelă ordonată (Fig. 7b). În materialele antiferomagnetice, dimpotrivă, interacțiunea dintre dipolii individuali duce la alinierea lor ordonată antiparalelă, astfel încât momentul magnetic total al fiecărui domeniu este zero (Fig. 7c). În cele din urmă, în materialele ferimagnetice (de exemplu, ferite) există atât o ordonare paralelă, cât și o ordonare antiparalelă (Fig. 7d), ceea ce are ca rezultat un magnetism slab.
Există două confirmări experimentale convingătoare ale existenței domeniilor. Primul dintre ele este așa-numitul efect Barkhausen, al doilea este metoda figurilor de pulbere. În 1919, G. Barkhausen a stabilit că atunci când un câmp extern este aplicat unui eșantion de material feromagnetic, magnetizarea acestuia se modifică în porțiuni discrete mici. Din punctul de vedere al teoriei domeniului, acesta nu este altceva decât un avans brusc al peretelui interdomeniu, întâlnind pe drum defecte individuale care îl întârzie. Acest efect este de obicei detectat folosind o bobină în care este plasată o tijă sau un fir feromagnetic. Dacă aduceți alternativ un magnet puternic spre și departe de eșantion, eșantionul va fi magnetizat și remagnetizat. Modificările bruște ale magnetizării probei modifică fluxul magnetic prin bobină și un curent de inducție este excitat în ea. Tensiunea generată în bobină este amplificată și alimentată la intrarea unei perechi de căști acustice. Clicuri auzite prin căști indică o schimbare bruscă a magnetizării. Pentru a dezvălui structura domeniului unui magnet folosind metoda figurii de pulbere, o picătură dintr-o suspensie coloidală de pulbere feromagnetică (de obicei Fe3O4) este aplicată pe o suprafață bine lustruită a unui material magnetizat. Particulele de pulbere se depun în principal în locuri cu neomogenitate maximă a câmpului magnetic - la granițele domeniilor. Această structură poate fi studiată la microscop. De asemenea, a fost propusă o metodă bazată pe trecerea luminii polarizate printr-un material feromagnetic transparent. Teoria originală a magnetismului a lui Weiss în principalele sale trăsături și-a păstrat semnificația până în ziua de azi, având totuși o interpretare actualizată bazată pe ideea spinurilor electronilor necompensate ca factor care determină magnetismul atomic. Ipoteza despre existența impulsului propriu al unui electron a fost înaintată în 1926 de S. Goudsmit și J. Uhlenbeck, iar în prezent electronii ca purtători de spin sunt considerați „magneți elementari”. Pentru a explica acest concept, luați în considerare (Fig. 8) un atom liber de fier, un material feromagnetic tipic. Cele două învelișuri ale sale (K și L), cele mai apropiate de nucleu, sunt umplute cu electroni, prima dintre ele conținând doi, iar a doua conținând opt electroni. În învelișul K, spinul unuia dintre electroni este pozitiv, iar celălalt este negativ. În învelișul L (mai precis, în cele două subcopii ale sale), patru dintre cei opt electroni au spini pozitivi, iar ceilalți patru au spinuri negativi. În ambele cazuri, rotațiile electronilor dintr-o înveliș sunt complet compensate, astfel încât momentul magnetic total este zero. În coajă M, situația este diferită, deoarece din cei șase electroni situati în al treilea subcotaj, cinci electroni au spini direcționați într-o direcție, iar doar al șaselea în cealaltă. Ca urmare, rămân patru rotiri necompensate, ceea ce determină proprietățile magnetice ale atomului de fier. (Există doar doi electroni de valență în învelișul exterior de N, care nu contribuie la magnetismul atomului de fier.) Magnetismul altor feromagneți, cum ar fi nichelul și cobaltul, este explicat într-un mod similar. Deoarece atomii vecini dintr-o probă de fier interacționează puternic între ei, iar electronii lor sunt parțial colectivizați, această explicație ar trebui considerată doar ca o diagramă vizuală, dar foarte simplificată a situației reale.
Teoria magnetismului atomic, bazată pe luarea în considerare a spinului electronului, este susținută de două experimente giromagnetice interesante, dintre care unul a fost realizat de A. Einstein și W. de Haas, iar celălalt de S. Barnett. În primul dintre aceste experimente, un cilindru de material feromagnetic a fost suspendat așa cum se arată în Fig. 9. Dacă curentul este trecut prin firul de înfășurare, cilindrul se rotește în jurul axei sale. Când direcția curentului (și, prin urmare, câmpul magnetic) se schimbă, acesta se întoarce în direcția opusă. În ambele cazuri, rotația cilindrului se datorează ordonării spinilor electronilor. În experimentul lui Barnett, dimpotrivă, un cilindru suspendat, adus brusc într-o stare de rotație, devine magnetizat în absența unui câmp magnetic. Acest efect se explică prin faptul că atunci când magnetul se rotește, se creează un moment giroscopic, care tinde să rotească momentele de rotație în direcția propriei axe de rotație.
Pentru o explicație mai completă a naturii și originii forțelor cu rază scurtă de acțiune care ordonă magneții atomici învecinați și contracarează influența dezordonată a mișcării termice, ar trebui să apelăm la mecanica cuantică. O explicație mecanică cuantică a naturii acestor forțe a fost propusă în 1928 de W. Heisenberg, care a postulat existența interacțiunilor de schimb între atomii vecini. Mai târziu, G. Bethe și J. Slater au arătat că forțele de schimb cresc semnificativ odată cu scăderea distanței dintre atomi, dar la atingerea unei anumite distanțe interatomice minime ele scad la zero.
PROPRIETĂȚI MAGNETICE ALE SUBSTANȚEI
Unul dintre primele studii extinse și sistematice ale proprietăților magnetice ale materiei a fost întreprins de P. Curie. El a stabilit că, în funcție de proprietățile lor magnetice, toate substanțele pot fi împărțite în trei clase. Prima categorie include substanțe cu proprietăți magnetice pronunțate, similare cu proprietățile fierului. Astfel de substanțe se numesc feromagnetice; câmpul lor magnetic este vizibil la distanțe considerabile (vezi mai sus). A doua clasă include substanțe numite paramagnetice; Proprietățile lor magnetice sunt în general similare cu cele ale materialelor feromagnetice, dar mult mai slabe. De exemplu, forța de atracție către polii unui electromagnet puternic poate smulge un ciocan de fier din mâinile tale, iar pentru a detecta atracția unei substanțe paramagnetice față de același magnet, ai nevoie de obicei de balanțe analitice foarte sensibile. Ultima, a treia clasă include așa-numitele substanțe diamagnetice. Ele sunt respinse de un electromagnet, adică. forța care acționează asupra materialelor diamagnetice este îndreptată opus celei care acționează asupra materialelor fero- și paramagnetice.
Măsurarea proprietăților magnetice. Când studiem proprietățile magnetice, două tipuri de măsurători sunt cele mai importante. Prima dintre ele este măsurarea forței care acționează asupra unei probe lângă un magnet; Astfel se determină magnetizarea probei. Al doilea include măsurători ale frecvențelor „rezonante” asociate cu magnetizarea materiei. Atomii sunt „giroscopii” minuscule și într-un câmp magnetic precess (ca un vârf obișnuit sub influența cuplului creat de gravitație) la o frecvență care poate fi măsurată. În plus, o forță acționează asupra particulelor încărcate libere care se mișcă în unghi drept față de liniile de inducție magnetică, la fel ca curentul de electroni dintr-un conductor. Determină mișcarea particulei pe o orbită circulară, a cărei rază este dată de R = mv/eB, unde m este masa particulei, v este viteza acesteia, e este sarcina sa și B este inducerea magnetică a campul. Frecvența unei astfel de mișcări circulare este
unde f se măsoară în herți, e - în coulombs, m - în kilograme, B - în tesla. Această frecvență caracterizează mișcarea particulelor încărcate într-o substanță situată într-un câmp magnetic. Ambele tipuri de mișcări (precesia și mișcarea de-a lungul orbitelor circulare) pot fi excitate prin alternarea câmpurilor cu frecvențe de rezonanță egale cu frecvențele „naturale” caracteristice unui material dat. În primul caz, rezonanța se numește magnetică, iar în al doilea - ciclotron (datorită asemănării sale cu mișcarea ciclică a unei particule subatomice într-un ciclotron). Vorbind despre proprietățile magnetice ale atomilor, este necesar să se acorde o atenție deosebită momentului lor unghiular. Câmpul magnetic acționează asupra dipolului atomic rotativ, având tendința de a-l roti și de a-l plasa paralel cu câmpul. În schimb, atomul începe să preceseze în jurul direcției câmpului (Fig. 10) cu o frecvență care depinde de momentul dipol și de puterea câmpului aplicat.
Precesia atomică nu este direct observabilă, deoarece toți atomii dintr-o probă precesează într-o fază diferită. Dacă aplicăm un mic câmp alternativ direcționat perpendicular pe câmpul de ordonare constant, atunci se stabilește o anumită relație de fază între atomii care precedă și momentul lor magnetic total începe să preceadă cu o frecvență egală cu frecvența de precesiune a momentelor magnetice individuale. Viteza unghiulară a precesiei este importantă. De obicei, această valoare este de ordinul a 1010 Hz/T pentru magnetizarea asociată cu electronii și de ordinul a 107 Hz/T pentru magnetizarea asociată cu sarcini pozitive în nucleele atomilor. O diagramă schematică a unei configurații pentru observarea rezonanței magnetice nucleare (RMN) este prezentată în Fig. 11. Substanţa studiată este introdusă într-un câmp constant uniform între poli. Dacă un câmp de radiofrecvență este apoi excitat folosind o bobină mică care înconjoară eprubeta, se poate obține o rezonanță la o frecvență specifică egală cu frecvența de precesiune a tuturor „giroscopului” nuclear din probă. Măsurătorile sunt similare cu reglarea unui receptor radio la frecvența unui anumit post.
Metodele de rezonanță magnetică fac posibilă studierea nu numai a proprietăților magnetice ale anumitor atomi și nuclee, ci și a proprietăților mediului lor. Cert este că câmpurile magnetice din solide și molecule sunt neomogene, deoarece sunt distorsionate de sarcinile atomice, iar detaliile curbei de rezonanță experimentală sunt determinate de câmpul local din regiunea în care se află nucleul care precedă. Acest lucru face posibilă studierea caracteristicilor structurale ale unui anumit eșantion folosind metode de rezonanță.
Calculul proprietăților magnetice. Inducția magnetică a câmpului Pământului este de 0,5 * 10 -4 Tesla, în timp ce câmpul dintre polii unui electromagnet puternic este de aproximativ 2 Tesla sau mai mult. Câmpul magnetic creat de orice configurație de curenți poate fi calculat folosind formula Biot-Savart-Laplace pentru inducerea magnetică a câmpului creat de un element de curent. Calcularea câmpului creat de circuite de diferite forme și bobine cilindrice este în multe cazuri foarte complexă. Mai jos sunt formule pentru o serie de cazuri simple. Inductia magnetica (in tesla) a campului creat de un fir drept lung cu un curent I (amperi), la o distanta r (metri) de fir este
Inducția în centrul unei bobine circulare de rază R cu curentul I este egală (în aceleași unități):
O bobină de sârmă înfășurată strâns fără miez de fier se numește solenoid. Inducția magnetică creată de un solenoid lung cu numărul de spire N într-un punct suficient de îndepărtat de capete este egală cu
Aici, valoarea NI/L este numărul de amperi (amperi-tururi) per unitate de lungime a solenoidului. În toate cazurile, câmpul magnetic al curentului este direcționat perpendicular pe acest curent, iar forța care acționează asupra curentului în câmpul magnetic este perpendiculară atât pe curent, cât și pe câmpul magnetic. Câmpul unei tije magnetizate de fier este similar cu câmpul extern al unui solenoid lung, numărul de spire amperaj pe unitate de lungime corespunzând curentului din atomii de pe suprafața tijei magnetizate, deoarece curenții din interiorul tijei se anulează. unul pe altul (Fig. 12). Sub numele de Ampere, un astfel de curent de suprafață se numește Ampere. Intensitatea câmpului magnetic Ha creată de curentul Amperi este egală cu momentul magnetic al unei unități de volum a tijei M.
Dacă o tijă de fier este introdusă în solenoid, atunci pe lângă faptul că curentul solenoidului creează un câmp magnetic H, ordonarea dipolilor atomici în materialul magnetizat al tijei creează magnetizarea M. În acest caz, fluxul magnetic total este determinată de suma curenților reali și amperilor, astfel încât B = m0(H + Ha), sau B = m0(H + M). Raportul M/H se numește susceptibilitate magnetică și este notat cu litera greacă c; c este o mărime adimensională care caracterizează capacitatea unui material de a fi magnetizat într-un câmp magnetic.
Valoarea B/H care caracterizează proprietățile magnetice
materialul se numește permeabilitate magnetică și se notează cu ma, cu ma = m0m, unde ma este absolut și m este permeabilitatea relativă, m = 1 + c. În substanțele feromagnetice, valoarea lui c poate avea valori foarte mari - până la 10 4-10 6. Valoarea lui c pentru materialele paramagnetice este puțin mai mare decât zero, iar pentru materialele diamagnetice este puțin mai mică. Numai în vid și în câmpuri foarte slabe mărimile c și m sunt constante și independente de câmpul exterior. Dependența inducției B de H este de obicei neliniară, iar graficele sale, așa-numitele. curbele de magnetizare pentru diferite materiale și chiar la diferite temperaturi pot diferi semnificativ (exemple de astfel de curbe sunt prezentate în Fig. 2 și 3). Proprietățile magnetice ale materiei sunt foarte complexe, iar înțelegerea lor profundă necesită o analiză atentă a structurii atomilor, a interacțiunilor lor în molecule, a ciocnirilor lor în gaze și a influenței lor reciproce în solide și lichide; Proprietățile magnetice ale lichidelor sunt încă cele mai puțin studiate. - câmpuri cu o putere H? 0,5 = 1,0 ME (granița este arbitrară). Valoarea inferioară a S. p.t. corespunde valorii max. valoarea câmpului staționar = 500 kOe, roiul poate fi accesibil mijloacelor moderne. tehnologie, câmp superior 1 ME, chiar și pentru o perioadă scurtă de timp. impact asupra... ... Enciclopedie fizică
O ramură a fizicii care studiază structura și proprietățile solidelor. Datele științifice privind microstructura solidelor și proprietățile fizice și chimice ale atomilor lor constituenți sunt necesare pentru dezvoltarea de noi materiale și dispozitive tehnice. Fizică... ... Enciclopedia lui Collier
O ramură a fizicii care acoperă cunoștințele despre electricitatea statică, curenții electrici și fenomenele magnetice. ELECTROSTATICA Electrostatica se ocupa de fenomenele asociate cu sarcina electrica in repaus. Prezența forțelor care acționează între... ... Enciclopedia lui Collier
- (din greaca veche physis nature). Anticii numeau fizică orice studiu al lumii înconjurătoare și al fenomenelor naturale. Această înțelegere a termenului de fizică a rămas până la sfârșitul secolului al XVII-lea. Ulterior au apărut o serie de discipline speciale: chimia, care studiază proprietățile... ... Enciclopedia lui Collier
Termenul moment în relație cu atomii și nucleele atomice poate însemna următoarele: 1) moment de spin, sau spin, 2) moment dipol magnetic, 3) moment cvadrupol electric, 4) alte momente electrice și magnetice. Tipuri diferite… … Enciclopedia lui Collier
Analog electric al feromagnetismului. Așa cum polarizarea magnetică reziduală (momentul) apare în substanțele feromagnetice când sunt plasate într-un câmp magnetic, în dielectricii feroelectrici plasați într-un câmp electric... ... Enciclopedia lui Collier
Folosim cookie-uri pentru cea mai buna prezentare a site-ului nostru. Continuând să utilizați acest site, sunteți de acord cu aceasta. Bine
Orice substanță plasată într-un câmp magnetic afectează valoarea inducției magnetice a acestui câmp. De exemplu, atunci când un miez de fier este introdus într-o bobină (solenoid) cu curent, inducerea câmpului magnetic al solenoidului crește foarte mult, iar miezul în sine dobândește proprietatea de a atrage obiecte mici de fier, adică devine magnetizat. Acest fenomen a fost descoperit pentru prima dată de Ampere.
Ulterior, s-a constatat că inducerea unui câmp magnetic într-o substanță poate fi atât mai mare, cât și mai mică decât inducerea aceluiași câmp în vid. Acest lucru se întâmplă deoarece fiecare substanță are proprietăți magnetice într-o măsură mai mare sau mai mică. Substanțele capabile să modifice parametrii unui câmp magnetic se numesc de obicei magneți.
Pentru a caracteriza proprietățile magnetice ale unei substanțe, a fost introdusă o cantitate numită permeabilitatea magnetică a acestei substanțe.
Permeabilitatea magnetică a unei substanțe este o mărime fizică care arată de câte ori inducerea câmpului magnetic într-un punct dat într-un mediu izotrop omogen diferă ca mărime de inducția câmpului magnetic în același punct în vid: .
Substanțele care au , se numesc diamagnetice. Acestea includ, de exemplu, elementele , , , , , , , gaze inerte și alte substanțe.
Substanțele cu se numesc paramagnetice. Acestea includ, în special, , , , , , , , oxigenul și multe alte elemente, precum și soluțiile unor săruri.
Trebuie remarcat faptul că valoarea pentru substanțele dia- și paramagnetice diferă foarte puțin de unitate, doar printr-o cantitate de ordinul , prin urmare substanțele dia- și paramagnetice aparțin substanțelor slab magnetice.
Substanțele cu se numesc feromagneți. Acestea includ elementele , , , și multe aliaje. (La temperaturi foarte scăzute, elementele , și , prezintă proprietăți feromagnetice.)
Valorile pentru unele aliaje ajung la zeci de mii. Prin urmare, feromagneții sunt clasificați ca substanțe foarte magnetice.
· 
Momentul magnetic este o mărime vectorială care caracterizează proprietățile magnetice ale corpurilor și particulelor de materie. Toate particulele elementare și sistemele formate din acestea (nuclee atomice, atomi, molecule) au un moment magnetic. Fiecare electron care se deplasează într-un atom în jurul nucleului pe o orbită închisă reprezintă un curent de electroni care curge în direcția opusă mișcării electronului. Momentul magnetic al curentului electronic se numește momentul magnetic orbital al electronului. Un electron, de asemenea, indiferent de prezența sa în orice sistem de particule (atom, moleculă, cristal), are propriul său moment unghiular mecanic, numit spin. Ideea elementară de spin este asociată cu rotația unui electron în jurul propriei axe.
Dacă orice sistem de electroni (atom, cristal) are un număr par de electroni, atunci spinurile fiecărei perechi de electroni, direcționate în direcții opuse, dau un spin total egal cu zero. Un astfel de sistem se numește spin-compensat. Pentru un număr impar de electroni, sistemul are un spin necompensat care este diferit de zero.
Prezența spinului în electron și în alte particule elementare explică multe modele importante în fizica modernă. De exemplu, spinul unui electron explică proprietățile magnetice ale feromagneților.
Suma vectorială a tuturor momentelor orbitale și de spin ale electronilor din interiorul unei molecule sau unui atom este momentul magnetic al particulei.
Para- și diamagnetismul se explică prin comportamentul orbitelor electronilor în câmpul magnetic extern
Feromagnetism
Natura feromagnetismului poate fi pe deplin înțeleasă doar pe baza conceptelor cuantice. Calitativ, feromagnetismul se explică prin prezența câmpurilor magnetice proprii (spin) ale electronilor. În cristalele de materiale feromagnetice apar condiții în care, datorită interacțiunii puternice a câmpurilor magnetice de spin ale electronilor vecini, orientarea lor paralelă devine energetic favorabilă. Ca urmare a unei astfel de interacțiuni, în interiorul cristalului feromagnetic apar regiuni magnetizate spontan cu o dimensiune de ordinul mărimii. Aceste zone se numesc domenii. Fiecare domeniu este un mic magnet permanent.
Momente magnetice ale electronului, atomului și moleculei.
Moment magnetic - o mărime vectorială care caracterizează proprietățile magnetice ale corpurilor și particulelor de substanțe.
mărimea Р М = I × S- se numește momentul magnetic al unui circuit purtător de curent, unde eu- puterea curentului care circulă prin circuit, S- zona acoperita de contur. Pentru un circuit plat cu vector de curent R Mîndreptată perpendicular pe plan S circuit și este legat de direcția curentului eu regula cu șurub dreapta (figura).
Unitatea de măsură a momentului magnetic este amperi pe metru pătrat (A×m2) în SI.
Momentul magnetic este o caracteristică nu numai a unui circuit cu curent, ci și a multor particule elementare (protoni, neutroni, electroni etc.), nuclee, atomi și molecule, determinând comportamentul acestora în câmp magnetic.
Magneton- o unitate a momentului magnetic folosită în fizica atomică și nucleară. Când se măsoară momentele magnetice ale electronilor, atomilor și moleculelor, se folosește magnetonul Bohr:
9,27× 10 -24 A×m 2 (J/T),
Unde " e” - sarcina electronilor, h- constanta lui Planck, pe mine- masa electronilor.
La măsurarea momentelor magnetice ale nucleonilor (protoni și neutroni) și nucleelor atomice, se folosește un magneton nuclear:
5,05× 10 -27 A×m 2 (J/T),
Unde m p- masa protonilor.
Momentele magnetice ale atomilor și moleculelor sunt cauzate de mișcarea spațială a electronilor (așa-numitele curenți orbitali și momentele magnetice orbitale corespunzătoare ale electronilor), momentele magnetice de forță ale electronilor corespunzătoare momentului unghiular propriu, mișcarea de rotație a moleculelor. (momentul magnetic de rotație), precum și momentele magnetice ale nucleelor atomice. Momentul magnetic al nucleului este determinat de momentele de spin ale protonului și neutronului, precum și de impulsul orbital al protonului din interiorul nucleului. Toate nucleele pentru care momentul mecanic rezultat este diferit de zero au un moment magnetic. Momentele magnetice ale nucleelor sunt cu câteva ordine de mărime mai mici decât momentele magnetice orbitale și de spin ale electronului.
Momentul magnetic al unui corp este egal cu suma vectorială a momentelor magnetice ale tuturor particulelor care formează corpul. Momentul magnetic al unei substanțe este de obicei menționat pe unitatea de volum (SI - ; magnetizare).
Unde j- magnetizare.
Proprietățile magnetice ale materiei.
Toate substanțele plasate într-un câmp magnetic dobândesc proprietăți magnetice, adică devin magnetizate și, prin urmare, într-o oarecare măsură modifică câmpul extern (inițial). Magneți numiți toate substanțele atunci când luați în considerare proprietățile lor magnetice. Se dovedește că unele substanțe slăbesc câmpul exterior, în timp ce altele îl întăresc; primele sunt numite diamagnetice, cele din urmă - substanțe paramagnetice sau, pe scurt, diamagnetice și paramagnetice. Ferromagneți sunt numite substanțe care provoacă o forță de câmp extern foarte mare (fier cristalin, nichel, cobalt, gadoliniu și dizirosiu, precum și unele aliaje și oxizi ai acestor metale și unele aliaje de mangan și crom).
Marea majoritate a substanțelor sunt diamagnetice. Diamagneții sunt elemente precum fosfor, sulf, antimoniu, carbon, multe metale (bismut, mercur, aur, argint, cupru etc.), majoritatea compușilor chimici (apa, aproape toți compușii organici). Materialele paramagnetice includ unele gaze (oxigen, azot) și metale (aluminiu, wolfram, platină, metale alcaline și alcalino-pământoase).
Pentru substanțele diamagnetice, momentul magnetic total al unui atom (molecule) este egal cu zero, deoarece momentele magnetice orbitale, spin și nucleare prezente în atom sunt compensate reciproc. Totuși, sub influența unui câmp magnetic extern, acești atomi dezvoltă (induc) un moment magnetic, întotdeauna îndreptat opus câmpului extern. Ca urmare, mediul diamagnetic devine magnetizat și își creează propriul câmp magnetic, îndreptat opus câmpului exterior și deci slăbind-l (figura).
Momentele magnetice induse ale atomilor diamagnetici se mențin atâta timp cât există câmpul exterior. Când câmpul extern este eliminat, momentele magnetice induse ale atomilor dispar și materialul diamagnetic devine magnetizat.
Într-un atom (moleculă) de substanțe paramagnetice, momentele magnetice orbitale, de spin și nucleare nu se compensează reciproc. Prin urmare, atomii paramagnetici au întotdeauna un moment magnetic, fiind, parcă, magneți elementari. Cu toate acestea, momentele magnetice atomice sunt aranjate aleatoriu și, prin urmare, mediul paramagnetic în ansamblu nu prezintă proprietăți magnetice. Un câmp magnetic extern rotește atomii paramagnetici astfel încât momentele lor magnetice se stabilesc predominant în direcția câmpului; orientarea completă este împiedicată de mișcarea termică a atomilor. Ca urmare, paramagnetul devine magnetizat și își creează propriul câmp magnetic, care coincide întotdeauna în direcție cu câmpul exterior și, prin urmare, îl intensifică (figura).
Când câmpul extern este eliminat, mișcarea termică distruge imediat orientarea momentelor magnetice atomice și paramagnetul este demagnetizat.
Feromagneții au multe regiuni relativ mari, magnetizate spontan la saturație, numite domenii. Dimensiunile liniare ale domeniului sunt de ordinul a 10 -2 cm.Domeniul uneste multe miliarde de atomi; în cadrul unui domeniu, momentele magnetice ale tuturor atomilor sunt orientate în același mod (momentele magnetice de spin ale electronilor tuturor atomilor sunt mai precise). Oricum, orientarea domeniilor în sine este variată. Prin urmare, în absența unui câmp magnetic extern, feromagnetul în ansamblu se dovedește a fi nemagnetizat.
Odată cu apariția unui câmp exterior, domeniile orientate cu momentul lor magnetic în direcția acestui câmp încep să crească în volum datorită domeniilor învecinate având orientări diferite ale momentului magnetic; feromagnetul este magnetizat.. Cu un câmp suficient de puternic, toate domeniile se întorc în întregime în direcția câmpului și feromagnetul devine rapid magnetizat până la saturație.
Când câmpul extern este eliminat, feromagneții nu se demagnetizează complet, dar păstrează o inducție magnetică reziduală, deoarece mișcarea termică nu este capabilă să dezorienteze rapid colecții atât de mari de atomi ca domenii.
Țesuturile corpului sunt în mare parte diamagnetice, precum apa. Cu toate acestea, corpul conține și substanțe paramagnetice, molecule și ioni. Nu există particule feromagnetice în organism.
Procesele primare fizice sau fizico-chimice sub acțiunea unui câmp magnetic asupra sistemelor biologice pot fi: orientarea moleculelor, modificări ale concentrației moleculelor sau ionilor într-un câmp magnetic neuniform, acțiunea forței (forța Lorentz) asupra ionilor care se deplasează împreună cu un fluid biologic, efectul Hall care apare în câmpul magnetic în timpul propagării unui impuls de excitație electrică etc.
Efect Hall - apariția într-un conductor plasat într-un câmp magnetic a unui câmp electric (câmp Hall) direcționat perpendicular NȘi j(densitatea curentă).
În prezent, natura fizică a efectului unui câmp magnetic asupra obiectelor biologice nu a fost încă stabilită.
Magnetoterapia- o metodă de fizioterapie, care se bazează pe efectul asupra corpului al unui câmp magnetic alternant sau constant de joasă frecvență.
Câmpurile magnetice în direcția liniilor de câmp pot fi constante sau variabile și generate în moduri continue sau intermitente (puls) cu frecvențe, forme și durate diferite ale impulsurilor. Câmpul magnetic care apare între polii nord și sud ai unui magnet poate fi uniform sau neomogen.
PROPRIETĂȚI MAGNETICE ALE SUBSTANȚELOR
Magnetismul este o proprietate fundamentală a materiei. Capacitatea magneților permanenți de a atrage obiecte de fier este cunoscută încă din cele mai vechi timpuri. Timp de multe secole, în rândul navigatorilor există o legendă despre o stâncă magnetică, care se presupune că este capabilă să atragă cuie de fier de pe o navă care navighează prea aproape de ea și să o distrugă. Din fericire, un câmp magnetic atât de puternic nu poate exista decât în vecinătatea stelelor neutronice. Dezvoltarea electromagnetismului a făcut posibilă crearea de electromagneți mai puternici decât cei permanenți existenți în natură. În general, diverse instrumente și dispozitive bazate pe utilizarea fenomenelor electromagnetice sunt atât de răspândite încât acum este imposibil să ne imaginăm viața fără ele.
Cu toate acestea, nu numai magneții permanenți interacționează cu câmpul magnetic, ci și toate celelalte substanțe. Câmpul magnetic, interacționând cu materia, își schimbă valoarea față de vid (în continuare toate formulele sunt scrise în sistemul SI):
unde m0 este constanta magnetică egală cu 4p "10-7 H/m, m este permeabilitatea magnetică a substanței, B este inducția magnetică (în T), H este puterea câmpului magnetic (în A/m). Pentru majoritatea substanțelor, m este foarte aproape de unitate, prin urmare, în magnetochimie, unde obiectul principal este o moleculă, este mai convenabil să se folosească valoarea c determinată de ecuație, care se numește susceptibilitate magnetică.c poate fi atribuită unei unități de volumul, masa sau cantitatea unei substante, atunci se numeste, respectiv, susceptibilitate magnetica volumetrica (adimensionala), cd specifica (in cm3/g) sau cm molara (in cm3/mol).Este clar ca, urmand formula ( 2), c de vid este egal cu zero.Sustanțele pot fi împărțite în două categorii: cele care slăbesc câmpul magnetic (c 0), - paramagneți (Fig. 1).Se poate imagina că într-un câmp magnetic neuniform, asupra unui material diamagnetic acționează o forță, împingându-l în afara câmpului, iar paramagnetic, dimpotrivă, trăgându-l. Metodele discutate mai jos pentru măsurarea proprietăților magnetice ale substanțelor se bazează pe aceasta. Diamagneții (și aceasta este marea majoritate a compușilor organici și cu molecule înalte) și în principal paramagneții sunt obiecte de studiu ale magnetochimiei.
Diamagnetismul este cea mai importantă proprietate a materiei, datorită faptului că, sub influența unui câmp magnetic, electronii din învelișurile de electroni umplute (care pot fi considerați conductoare mici) încep să preceadă și, după cum se știe, orice mișcare a o sarcină electrică provoacă un câmp magnetic, care, după regula lui Lenz, va fi direcționat astfel pentru a reduce impactul din câmpul exterior. În acest caz, precesia electronică poate fi considerată curenți circulari. Diamagnetismul este caracteristic tuturor substanțelor, cu excepția hidrogenului atomic, deoarece toate substanțele au electroni perechi și învelișuri de electroni umplute.
Paramagnetismul este cauzat de electronii nepereche, care sunt numiți așa deoarece propriul lor moment magnetic (spin) nu este echilibrat în niciun fel (în consecință, spinurile electronilor perechi sunt direcționate în direcții opuse și se anulează reciproc). Într-un câmp magnetic, spinurile tind să se alinieze în direcția câmpului, întărindu-l, deși această ordine este perturbată de mișcarea termică haotică. Prin urmare, este clar că susceptibilitatea paramagnetică depinde de temperatură - cu cât temperatura este mai mică, cu atât valoarea cm este mai mare. În cel mai simplu caz, aceasta este exprimată printr-o relație numită legea lui Curie: unde C este constanta Curie, sau legea Curie-Weiss, unde q este corecția lui Weiss. Acest tip de susceptibilitate magnetică se mai numește și paramagnetism orientativ, deoarece cauza sa este orientarea momentelor magnetice elementare într-un câmp magnetic extern.
Proprietățile magnetice ale electronilor dintr-un atom pot fi descrise în două moduri. În prima metodă, se crede că momentul magnetic propriu (spin) al electronului nu afectează momentul orbital (datorită mișcării electronilor în jurul nucleului) sau invers. Mai precis, o astfel de influență reciprocă există întotdeauna (interacțiunea spin-orbită), dar pentru ionii 3d este mică, iar proprietățile magnetice pot fi descrise cu suficientă acuratețe prin două numere cuantice L (orbital) și S (spin). Pentru atomii mai grei, o astfel de aproximare devine inacceptabilă și se introduce un alt număr cuantic al momentului magnetic total J, care poate lua valori din | L+S | înainte de | L - S | . Van Vleck a considerat contribuțiile energetice ale orbitalilor în funcție de influența câmpului magnetic (conform teoriei perturbației mecanice cuantice, acestea pot fi extinse într-o serie și însumate): unde H este puterea câmpului magnetic și, în consecință, E (0) este contribuția independentă de câmpul extern, E (1 ) - contribuție direct proporțională cu câmpul etc. S-a dovedit că energia de ordinul zero este determinată de interacțiunea spin-orbita, care este importantă în descrierea legăturilor chimice:
unde l este constanta de interacțiune spin-orbita. Energia de ordinul I (interacțiunea momentului magnetic al unui electron nepereche (m = gbS) cu câmpul magnetic H) este egală cu
unde g este factorul Lande, de obicei egal cu doi pentru majoritatea compușilor, b este magnetonul Bohr, egal cu 9,27 "10-19 erg/Oe (amintim că energia interacțiunilor magnetice este produsul scalar al vectorilor de moment magnetic m și H).E (2) - o contribuție energetică care va trebui luată pe credință, deoarece depinde de trăsăturile subtile ale structurii electronice și este greu de explicat din punct de vedere al fizicii clasice.Atenție trebuie acordată micșorarea energiei de interacțiune magnetică (pentru temperaturile camerei și câmpurile magnetice comune în laborator, energia interacțiunilor magnetice este cu trei până la patru ordine de mărime mai mică decât energia mișcării termice a moleculelor).
După transformări matematice, expresia pentru susceptibilitatea magnetică macroscopică, ținând cont de distribuția Boltzmann a ansamblului de momente magnetice pe niveluri de energie, ia forma (derivarea sa este prezentată, de exemplu, în)
Aceasta este ecuația Van Vleck - principala în magnetochimie, conectând proprietățile magnetice cu structura moleculelor. Aici NA este numărul lui Avogadro, k este constanta lui Boltzmann. Am întâlnit deja câteva cazuri extreme în acest sens. Dacă = 0, și poate fi neglijat, atunci obținem drept rezultat legea lui Curie (cf. ecuația (3)), dar într-o formă mai strictă.
Se poate observa că legea lui Curie reflectă așa-numitul magnetism de spin pur, caracteristic majorității compușilor paramagnetici, de exemplu sărurile de cupru, fier, nichel și alte metale de tranziție. Dacă = 0 și @ kT, atunci ecuația Van Vleck este simplificată semnificativ: unde Na este paramagnetism independent de temperatură (van Vleck). După cum se poate observa din cele de mai sus, paramagnetismul Van Vleck este un fenomen pur cuantic și inexplicabil din punctul de vedere al fizicii clasice. Poate fi considerată ca un amestec de niveluri de energie excitată în starea fundamentală a moleculei.
Există destul de multe substanțe care, atunci când temperatura scade, mai întâi se comportă ca paramagneți, iar apoi, la atingerea unei anumite temperaturi, își schimbă brusc proprietățile magnetice. Cel mai faimos exemplu este feromagneții și substanța de la care își iau numele - fierul, ale cărui momente magnetice atomice sub temperatura Curie (în acest caz egale cu TC = 770? C) se aliniază într-o singură direcție, provocând magnetizare spontană. Magnetizarea macroscopică nu are loc însă în absența unui câmp, deoarece proba este împărțită spontan în regiuni de aproximativ 1 μm, numite domenii, în cadrul cărora momentele magnetice elementare sunt direcționate în același mod, dar magnetizările diferitelor domeniile sunt orientate aleator și, în medie, se compensează reciproc. Forțele care provoacă tranziția feromagnetică pot fi explicate doar folosind legile mecanicii cuantice.
Antiferomagneții se caracterizează prin faptul că momentele magnetice de spin la temperatura tranziției antiferomagnetice (temperatura Néel TN) sunt ordonate în așa fel încât se anulează reciproc. Valoarea maximă a susceptibilității magnetice se realizează la TN, peste care c scade conform legii Curie-Weiss, mai jos - datorită așa-numitelor interacțiuni de schimb. Antiferomagneții sunt, de exemplu, MnO și KNiF3.
Dacă compensarea momentelor magnetice este incompletă, atunci astfel de substanțe se numesc ferimagneți, de exemplu Fe2O3 și FeCr2O4. Ultimele trei clase de compuși (Tabelul 1) sunt solide și sunt studiate în principal de fizicieni. În ultimele decenii, fizicienii și chimiștii au creat noi materiale magnetice, ale căror proprietăți pot fi găsite mai detaliat în.
Într-o moleculă care conține un electron nepereche, electronii rămași (pereche) slăbesc câmpul magnetic, dar contribuția fiecăruia dintre ei este cu două până la trei ordine de mărime mai mică. Totuși, dacă dorim să măsurăm foarte precis proprietățile magnetice ale electronilor nepereche, trebuie să introducem așa-numitele corecții diamagnetice, în special pentru moleculele organice mari, unde pot ajunge la zeci de procente. Susceptibilitățile diamagnetice ale atomilor dintr-o moleculă se adaugă între ele în conformitate cu regula Pascal-Langevin a aditivității. Pentru a face acest lucru, susceptibilitatea diamagnetică a atomilor de fiecare tip este înmulțită cu numărul de astfel de atomi din moleculă, iar apoi se introduc corecții constitutive pentru caracteristicile structurale (legături duble și triple, inele aromatice etc.). Să trecem la analizarea modului în care sunt studiate experimental proprietățile magnetice ale substanțelor.
MĂSURARE EXPERIMENTALĂ A SUSPITIVITĂȚII MAGNETICE
Principalele metode experimentale pentru determinarea susceptibilității magnetice au fost create în ultimul secol. Conform metodei Gouy (Fig. 2, a), modificarea greutății probei într-un câmp magnetic se măsoară în comparație cu absența acesteia, care este egală cu unde Dmg = F este forța care acționează asupra substanței în câmpul magnetic. gradientul câmpului, c este susceptibilitatea magnetică măsurată a substanței, c0 - susceptibilitatea magnetică a mediului (aerul), S - aria secțiunii transversale a probei, Hmax și Hmin - puterea maximă și minimă a câmpului magnetic extern.
Metoda Faraday (Fig. 2, b) măsoară forța care acționează asupra unei probe într-un câmp magnetic neuniform:
Eșantionul este ales mic astfel încât H0dH/dz să rămână constant în limitele sale, iar valoarea maximă a parametrului se realizează prin alegerea unui profil special al vârfurilor magnetului. Principala diferență dintre metoda lui Gouy și metoda lui Faraday este că, în primul caz, neomogenitatea este menținută de-a lungul unui model (extins), iar în al doilea - de-a lungul câmpului magnetic.
Metoda Quincke (Fig. 2, c) este utilizată numai pentru lichide și soluții. Măsoară modificarea înălțimii unei coloane de lichid într-un capilar sub influența unui câmp magnetic.
În acest caz, pentru lichidele diamagnetice înălțimea coloanei scade, pentru lichidele paramagnetice crește.
Metoda viscozimetrului măsoară timpul de curgere a lichidului printr-o gaură mică cu câmpul magnetic pornit (tH) și oprit (t0). Timpul de curgere al lichidelor paramagnetice într-un câmp magnetic este vizibil mai scurt decât în absența unui câmp; pentru lichidele diamagnetice, este invers. Diferența dintre cei doi timpi de curgere este determinată de susceptibilitatea magnetică, iar valoarea constantei de calibrare k este determinată prin măsurarea unui lichid cu susceptibilitate magnetică cunoscută. Susceptibilitățile magnetice volumetrice ale unor solvenți obișnuiți sunt prezentate mai jos.
Susceptibilitatea magnetică poate fi măsurată și folosind un spectrometru RMN. Puteți citi despre bazele fizice ale metodei RMN în. Ne vom limita doar la a observa: magnitudinea deplasării chimice a semnalului RMN în cazul general este determinată nu numai de constanta de screening, care este o măsură a densității electronilor pe nucleul studiat, ci și de magneticul. susceptibilitatea probei. Pentru o probă în formă de cuboid, deplasarea chimică este determinată și de orientarea probei în câmpul magnetic, unde constantele de calibrare A și B sunt determinate prin măsurarea a două lichide cu susceptibilitate magnetică cunoscută (cel mai adesea apă și acetonă). Această metodă a fost dezvoltată la Departamentul de Chimie Anorganică a Universității din Kazan și este singura care vă permite să calibrați dispozitivul folosind standarde diamagnetice, iar apoi să efectuați măsurători și cu probe paramagnetice. În acest fel, a fost măsurată susceptibilitatea magnetică a multor substanțe. Ce ne-au permis să aflăm despre structura lor?
Valoarea rezultată a susceptibilității magnetice pentru materialele paramagnetice este determinată de numărul de electroni nepereche (cf. (9) pentru un electron nepereche)
În acest fel, este posibil să se determine numărul cuantic de spin S și, prin urmare, numărul de electroni nepereche. Trebuie remarcat faptul că în compușii reali factorul g variază ușor față de valoarea „spin pur”, care este egală cu doi, așa cum s-a menționat mai sus.
Valorile cm pentru substanțele paramagnetice sunt mici și nu sunt foarte convenabile în explicarea structurii compușilor. Prin urmare, susceptibilitatea paramagnetică este caracterizată mai des de momentul magnetic efectiv meff, care este determinat de ecuație.
Apoi, la o temperatură de 298 K, valoarea „spinului pur” pentru un electron nepereche ms = 1,73 magnetoni Bohr (mB), pentru doi - 3,46 mB etc. (Masa 2). Contribuția altor factori, în primul rând interacțiunea spin-orbita, se reflectă în valoarea factorului g și duce la faptul că meff diferă de ms.
Cunoașterea numărului de electroni nepereche ajută la înțelegerea unora dintre caracteristicile plasării elementelor în Tabelul periodic D.I. Mendeleev. Astfel, carcasele electronice care sunt complet sau exact pe jumătate umplute au stabilitate sporită. Odată cu creșterea masei atomice relative, mai întâi întâlnim acest lucru în crom. Să comparăm configurațiile electronice în starea fundamentală: Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, următorul crom nu este 3d 44s 2, ci 3d 54s 1, carcasa mai stabilă pe jumătate este subliniată:
Și acest lucru a fost stabilit tocmai prin măsurători ale susceptibilității magnetice, când s-a descoperit că atomul de crom conține șase electroni nepereche, nu patru. Adevărat, pentru aceasta a fost necesar să se efectueze măsurători destul de subtile asupra atomilor izolați în faza gazoasă, deoarece proprietățile magnetice ale conductorilor nu sunt legate de numărul de electroni nepereche (deoarece electronii de valență din metale nu sunt atașați la anumiți atomi, ci se mișcă). haotic în întregul cristal), dar sunt determinate de legile cuantice (așa-numitul diamagnetism Fermi și paramagnetism Landau). În același timp, de exemplu, ordinea de umplere a orbitalilor 5d și 4f din seria lantanidelor nu modifică numărul de electroni nepereche, prin urmare configurațiile electronice corecte au fost stabilite abia în anii 60 prin calcule mecanice cuantice (este imposibil de distinge între configurațiile 5d 1 și 4f de măsurătorile magnetice 1). Cu toate acestea, studiile magnetochimice permit stabilirea configurației electronice, după cum probabil că a observat deja cititorul atent, a compușilor metalelor tranziționale, care stau la baza chimiei compușilor (complexi) de coordonare.
Compușii de coordonare se formează, de regulă, datorită unei legături donor-acceptor, adică perechile singure de electroni ai liganzilor ocupă poziții libere în orbitalii atomului central. În acest caz, numărul de electroni nepereche și momentul magnetic al ionilor care formează complex rămâne același cu cel al unui ion liber în faza gazoasă. Acest lucru este valabil pentru complexele acvatice ale metalelor de tranziție, de exemplu fier (II) (Fig. 3). Există însă și complexe anormale din punct de vedere magnetic, al căror moment magnetic este mai mic decât cel al ionului gazos. Structura lor electronică poate fi explicată în cadrul metodei legăturii de valență după cum urmează. Mulți compuși complecși au un număr de coordonare de șase. Șase liganzi sunt localizați simetric la vârfurile octaedrului. Pentru a obține șase orbitali hibrizi, șase orbitali de valență ai atomului central trebuie să ia parte la formarea lor: o astfel de redistribuire a densității electronice se numește hibridizare sp3d 2 (comparați cu hibridizarea sp3 a atomului de carbon în alcani, unde sunt patru legături). îndreptată spre vârfurile tetraedrului). Vă rugăm să rețineți că orbitalii d cu același număr atomic ca orbitalii s și p participă la formarea orbitalilor hibrizi. Acest lucru se explică prin faptul că orbitalii d interni situati mai puțin în energie sunt ocupați de electronii proprii ai ionului metalic. Pentru a ocupa orbitalii de energie inferioară, liganzii trebuie să forțeze electronii proprii ai ionului metalic să se împerecheze și să elibereze orbitalii d interiori pentru așa-numita hibridizare d 2sp 3. Acest lucru poate fi realizat numai de liganzi cu câmp înalt care formează legături puternice cu ionul metalic, de exemplu, ionii de cianură în complexul hexacianoferrat (II) (vezi Fig. 3).
În consecință, primul tip de complexe, care are un moment magnetic ridicat, se numește complex orbital exterior, iar al doilea tip cu un moment magnetic redus este numit complex intraorbital. Această diferență, care duce la o modificare a numărului de electroni nepereche din complex, duce la o modificare a momentelor magnetice ale complexelor orbitale exterioare și, respectiv, interioare și este cauzată de disparitatea energetică a orbitalilor d corespunzători (de obicei numită energia de divizare în câmpul liganzilor și notat cu D sau 10Dq).
Pe baza capacității lor de a forma complexe intraorbitale (pe baza valorii D), toți liganzii pot fi aranjați într-o serie, care se numește seria spectrochimică de liganzi:
CN->NO2->SO32->NH3>NCS->H3O>
>OH->F->Cl->Br->I-
Și-a primit numele deoarece culoarea complexului depinde de poziția ligandului în această serie, iar acest lucru dezvăluie legătura dintre proprietățile optice și magnetice ale compușilor de coordonare.
Astfel, prin măsurarea susceptibilității magnetice, se poate aprecia cu ușurință gradul de oxidare și geometria primei sfere de coordonare din complex. Datele despre susceptibilitatea magnetică a unui număr de metale tranziționale și ioni de lantanide sunt date în tabel. 2. Se poate observa că proprietățile magnetice ale ionilor 3d în cele mai multe cazuri corespund bine valorilor pur spin ms și pentru a explica proprietățile magnetice ale lantanidelor, este necesar un model mai complex care implică numărul cuantic J menționat mai sus.
Se știe că majoritatea reacțiilor chimice care sunt importante în practică au loc în soluții, inclusiv reacții complexe de formare, așa că în secțiunea următoare vom lua în considerare proprietățile magnetice ale soluțiilor în care compușii metalelor tranziționale sunt realizați sub formă de complecși.
SUSPECTIVITATEA MAGNETICĂ A SOLUȚIILOR
La trecerea de la un solid la o soluție, trebuie luată în considerare susceptibilitatea magnetică a solventului și a tuturor substanțelor dizolvate. În acest caz, cel mai simplu mod de a lua în considerare acest lucru este să însumăm contribuțiile tuturor componentelor soluției conform regulii aditivității. Principiul aditivității este unul dintre principiile fundamentale în prelucrarea datelor experimentale. Uneori chiar eșuează experimentatorii, deoarece este dificil pentru mintea umană să-și imagineze un alt mecanism de interacțiune a diferiților factori, alții decât simpla lor adăugare. Orice abateri de la acesta sunt cel mai adesea asociate cu faptul că principiul aditivității în sine este îndeplinit, iar componentele soluției își schimbă proprietățile. Prin urmare, se presupune că susceptibilitatea magnetică a unei soluții este egală cu suma susceptibilității magnetice a componentelor individuale, ținând cont de concentrația unde ci este concentrația (în mol/l), cmi este susceptibilitatea magnetică molară a a i-a componentă a soluției, se folosește un coeficient de 1/1000 pentru a ajunge la concentrația molară. În acest caz, însumarea se efectuează peste toate substanțele dizolvate și solventul. Se poate observa că contribuțiile substanțelor paramagnetice și diamagnetice la susceptibilitatea magnetică măsurată sunt de semn opus și pot fi separate
cv(măsurat) = cv(pereche) - cv(dia).
Când se studiază proprietățile magnetice ale aceleiași substanțe în diferiți solvenți (Tabelul 3), este clar că acestea pot depinde în mod semnificativ de natura solventului. Acest lucru poate fi explicat prin intrarea moleculelor de solvent în prima sferă de coordonare și o schimbare corespunzătoare în structura electronică a complexului, energiile orbitalilor d (D) și alte proprietăți ale complexului de solvat. Astfel, magnetochimia face posibilă și studierea solvației, adică a interacțiunii unei substanțe dizolvate cu un solvent.
În soluții, determinarea compușilor de coordonare cm și meff permite, după cum se poate observa din materialul teoretic prezentat mai sus, determinarea unui număr de parametri structurali (l, S, D), ceea ce face ca studiile magnetochimice să fie foarte valoroase. Diferiți complexe ale aceluiași ion metalic pot diferi semnificativ în ceea ce privește valoarea momentului magnetic efectiv. Folosind exemplul cuprului(II), se poate observa că în timpul formării complexului, momentul magnetic efectiv crește, iar atunci când se formează un complex dimeric, acesta scade datorită interacțiunii antiferomagnetice a electronilor neperechi ai ionilor de cupru(II). Proprietățile magnetice ale compușilor complexi de cupru (II) sunt prezentate mai jos. (La scrierea formulelor s-au folosit denumiri prescurtate pentru liganzii adoptați în chimia coordonării: acac - acetilacetonă CH3COCH3COCH3, H4Tart - acid tartric HOOC(CHOH)2COOH.)
Câteva cuvinte despre apa „magnetică”, sau mai precis, despre soluțiile apoase (deoarece chiar și apa distilată conține impurități, precum oxigenul dizolvat, care este paramagnetic). Acest subiect, desigur, necesită o analiză separată; îl vom atinge numai în legătură cu magnetochimia. Dacă un câmp magnetic afectează proprietățile unei soluții și numeroase fapte experimentale (măsurători de densitate, vâscozitate, conductivitate electrică, concentrație de protoni, susceptibilitate magnetică) indică faptul că acesta este cazul, atunci trebuie recunoscut că energia interacțiunilor dintre componentele individuale ale soluției și ansamblul de molecule de apă este destul de mare, apoi este comparabilă cu sau depășește energia mișcării termice a particulelor dintr-o soluție, ceea ce evaluează orice efect asupra soluției. Să ne amintim că energia interacțiunii magnetice a unei particule (molecule) este mică în comparație cu energia mișcării termice. O astfel de interacțiune este posibilă dacă acceptăm că în apă și soluții apoase, datorită naturii cooperante a legăturilor de hidrogen, se realizează mari ansambluri structurale asemănătoare gheții de molecule de apă, care pot fi întărite sau distruse sub influența substanțelor dizolvate. Energia de formare a unor astfel de „ansambluri” este aparent comparabilă cu energia mișcării termice, iar sub influență magnetică soluția o poate aminti și dobândi noi proprietăți, dar mișcarea browniană sau creșterea temperaturii elimină această „memorie” de-a lungul unui timp.
Vă rugăm să rețineți că, selectând cu atenție concentrațiile de substanțe paramagnetice într-un solvent diamagnetic, este posibil să se creeze un lichid nemagnetic, adică unul a cărui susceptibilitate magnetică medie este zero sau în care câmpurile magnetice se propagă exact în același mod ca și în un vid. Această proprietate interesantă nu și-a găsit încă aplicație în tehnologie.