Proprietà magnetiche delle sostanze. Classificazione delle sostanze mediante proprietà magnetiche

In un modo o nell'altro, tutti i materiali hanno proprietà magnetiche, poiché queste proprietà riflettono i modelli strutturali inerenti alla materia a livello micro. Le caratteristiche della struttura causano differenze nelle proprietà magnetiche delle sostanze, cioè nella natura della loro interazione con il campo magnetico.

La struttura della materia e il magnetismo

La prima teoria che spiega la natura del magnetismo attraverso l'interrelazione dei fenomeni elettrici e magnetici è stata creata dal fisico francese J.-M. Ampere negli anni '20 del XIX secolo. Nell'ambito di questa teoria, Ampere suggerì la presenza di microscopiche correnti chiuse nei corpi fisici, che di solito si compensano a vicenda. Ma per le sostanze con proprietà magnetiche, tali "correnti molecolari" creano una corrente superficiale, a seguito della quale il materiale diventa magnete permanente Questa ipotesi non è stata confermata, ad eccezione di un'idea molto importante - sulle microcorrenti come fonti di campi magnetici.

Le microcorrenti nella materia esistono a causa del movimento degli elettroni negli atomi e creano un momento magnetico. Inoltre, gli elettroni hanno il loro momento magnetico di natura quantistica.

Il momento magnetico totale di una sostanza, cioè l'aggregato di correnti elementari in esso, in relazione a un volume unitario, determina lo stato di magnetizzazione di un corpo macroscopico. Per la maggior parte delle sostanze, i momenti delle particelle sono orientati casualmente (le oscillazioni caotiche termiche svolgono un ruolo di primo piano in questo) e la magnetizzazione è quasi zero.

Comportamento della sostanza in un campo magnetico

Sotto l'azione di un campo magnetico esterno, i vettori dei momenti magnetici delle particelle cambiano direzione: il corpo viene magnetizzato e in esso appare un proprio campo magnetico. La natura di questo cambiamento e la sua intensità, che determinano le proprietà magnetiche delle sostanze, sono dovute a vari fattori:

• caratteristiche strutturali dei gusci degli elettroni negli atomi e nelle molecole della materia;
• interazioni interatomiche e intermolecolari;
• caratteristiche della struttura del reticolo cristallino (anisotropia);
• temperatura della sostanza;
• intensità e configurazione del campo magnetico e così via.

La magnetizzazione di una sostanza è proporzionale forza del campo magnetico in esso. Il loro rapporto è determinato da un coefficiente speciale - suscettibilità magnetica. Al vuoto, è zero, alcune sostanze sono negative.

Il valore che caratterizza il rapporto di induzione magnetica e intensità di campo in una sostanza è solitamente chiamato permeabilità magnetica. Nel vuoto, l'induzione e l'intensità coincidono e la sua permeabilità è uguale all'unità. La permeabilità magnetica di una sostanza può essere espressa come valore relativo. Questo è il rapporto tra i suoi valori assoluti per una data sostanza e per un vuoto (quest'ultimo valore è preso come costante magnetica).

Classificazione delle sostanze mediante proprietà magnetiche

In base al tipo di comportamento di vari materiali solidi, liquidi, gas in un campo magnetico, si distinguono diversi gruppi:

• diamagnetico;
• paramagnetica;
• ferromagnets;
• ferrimagnets;
• antiferromagnets.

Le principali caratteristiche magnetiche della sostanza alla base della classificazione sono la suscettività magnetica e la permeabilità magnetica. Noi caratterizziamo le proprietà di base inerenti a ciascun gruppo.

diamagnetics

A causa di alcune caratteristiche strutturali delle nuvole di elettroni, gli atomi (o le molecole) dei materiali diamagnetici non hanno un momento magnetico. Appare quando appare un campo esterno. Il campo indotto, indotto ha la direzione opposta, e il campo risultante è un po 'più debole di quello esterno. È vero, questa differenza non può essere significativa.

La suscettività magnetica del diamagnetico è espressa da numeri negativi con un ordine di grandezza compreso tra 10 ^-4 e 10 ^-6 e non dipende dalla forza del campo; la permeabilità magnetica è inferiore a quella del vuoto, dello stesso ordine di grandezza.

L'imposizione di un campo magnetico non uniforme porta al fatto che il diamagnetico viene espulso da questo campo, poiché tende a spostarsi in un'area in cui il campo è più debole. L'effetto della levitazione diamagnetica si basa su questa caratteristica delle proprietà magnetiche delle sostanze di questo gruppo.

Diamagnetic rappresentano un vasto gruppo di sostanze. Include metalli come rame, zinco, oro, argento, bismuto. Include anche silicio, germanio, fosforo, azoto, idrogeno, gas inerti. Delle sostanze complesse - acqua, molti sali, composti organici. I diamagneti ideali sono i superconduttori. La loro permeabilità magnetica è zero. Il campo all'interno del superconduttore non può penetrare.

paramagnetica

Le sostanze appartenenti a questo gruppo sono caratterizzate da una suscettibilità magnetica positiva (molto bassa, dell'ordine di 10 ^-5 - 10 ^-6 ). Sono magnetizzati parallelamente al vettore del campo applicato, cioè, sono disegnati in esso, ma l'interazione di paramagnetico con essa è molto debole, come in diamagnetico. La loro permeabilità magnetica è vicina al valore della permeabilità al vuoto, solo leggermente la supera.

In assenza di un campo esterno, i materiali paramagnetici, di regola, non possiedono magnetizzazione: i loro atomi hanno i loro momenti magnetici, ma sono orientati casualmente a causa delle oscillazioni termiche. A basse temperature, i materiali paramagnetici possono avere una propria piccola magnetizzazione, che è fortemente dipendente da influenze esterne. Tuttavia, l'influenza del movimento termico è troppo grande, in conseguenza della quale i momenti magnetici elementari dei materiali paramagnetici non sono mai impostati esattamente nella direzione del campo. Questo è il motivo della loro bassa suscettibilità magnetica.

Anche le forze dell'interazione interatomica e intermolecolare giocano un ruolo significativo, contribuendo o, al contrario, resistendo all'ordinamento di momenti magnetici elementari. Ciò causa un'ampia varietà di proprietà magnetiche della sostanza dei materiali paramagnetici.

Questo gruppo di sostanze include molti metalli, come il tungsteno, l'alluminio, il manganese, il sodio, il magnesio. I paramagnetici sono ossigeno, sali di ferro, alcuni ossidi.

ferromagnets

Esiste un piccolo gruppo di sostanze che, a causa delle peculiarità della struttura, hanno proprietà magnetiche molto elevate. Il primo metallo in cui sono state scoperte queste qualità era il ferro, e grazie a lui a questo gruppo fu dato il nome di ferromagnetica.

La struttura dei ferromagneti è caratterizzata dalla presenza di strutture speciali - domini. Queste sono aree in cui la magnetizzazione si forma spontaneamente. A causa delle peculiarità delle interazioni interatomiche e intermolecolari, i ferromagneti stabiliscono la disposizione più energeticamente favorevole dei momenti magnetici atomici ed elettronici. Acquisiscono una direzione parallela nelle cosiddette direzioni di facile magnetizzazione. Tuttavia, l'intero volume, per esempio, di un cristallo di ferro non può acquisire magnetizzazione spontanea unidirezionale - questo aumenterebbe l'energia complessiva del sistema. Pertanto, il sistema è diviso in sezioni, la cui magnetizzazione spontanea nel corpo ferromagnetico si compensa a vicenda. Ecco come si formano i domini.

La suscettività magnetica dei ferromagneti è estremamente elevata, può variare da diverse decine a centinaia di migliaia e in larga misura dipende dalla forza del campo esterno. La ragione di ciò è che l'orientamento dei domini nella direzione del campo risulta anche energeticamente favorevole. La direzione del vettore di magnetizzazione di una parte dei domini coinciderà necessariamente con il vettore dell'intensità del campo e la loro energia sarà la più piccola. Tali aree crescono e allo stesso tempo vengono ridotti i settori orientati non redditizi. La magnetizzazione aumenta e l'induzione magnetica aumenta. Il processo non è uniforme e il grafico della connessione di induzione con l'intensità del campo esterno è chiamato curva di magnetizzazione della sostanza ferromagnetica.

Quando la temperatura sale ad un certo valore di soglia, chiamato punto Curie, la struttura del dominio viene disturbata a causa dell'aumento del movimento termico. In queste condizioni, un ferromagnete presenta proprietà paramagnetiche.

Oltre al ferro e all'acciaio, le proprietà ferromagnetiche sono intrinseche al cobalto e al nichel, alcune leghe e metalli delle terre rare.

Ferrimagnetici e antiferromagnetici

La struttura del dominio è anche peculiare di due tipi di materiali magnetici, ma i momenti magnetici in essi sono orientati antiparalleli. Questi sono gruppi come:

• Antiferromagnets. I momenti magnetici dei domini in queste sostanze sono uguali in valore numerico e compensati reciprocamente. Per questo motivo, le proprietà magnetiche dei materiali degli antiferromagneti sono caratterizzate da una suscettibilità magnetica estremamente bassa. Nel campo esterno si manifestano come paramagnetici molto deboli. Al di sopra della temperatura di soglia, chiamata punto Neel, tale sostanza diventa un ordinario paramagnetico. Gli antiferromagneti sono cromo, manganese, alcuni metalli delle terre rare, attinidi. Alcune leghe antiferromagnetiche hanno due punti Neel. Quando la temperatura è inferiore alla soglia inferiore, il materiale diventa ferromagnetico.
• Ferrimagnets. Per le sostanze di questa classe, le grandezze dei momenti magnetici delle diverse unità strutturali non sono uguali, a causa della quale non si verifica la loro compensazione reciproca. La loro suscettività magnetica dipende dalla temperatura e dall'intensità del campo di magnetizzazione. Ferrimagnetici includono ferriti, che comprendono l'ossido di ferro.

Il concetto di isteresi. Magnetismo permanente

I materiali ferromagnetici e ferrimagnetici hanno la proprietà di magnetizzazione residua. Questa proprietà è dovuta al fenomeno dell'isteresi - ritardo. La sua essenza consiste nel ritardare il cambiamento nella magnetizzazione del materiale dal cambiamento nel campo esterno. Se, al raggiungimento della saturazione, l'intensità del campo viene ridotta, la magnetizzazione non cambierà in base alla curva di magnetizzazione, ma in modo più delicato, poiché una parte significativa dei domini rimane orientata di conseguenza al vettore di campo. A causa di questo fenomeno, ci sono magneti permanenti.

Il Degaussing si verifica quando il campo cambia direzione, quando raggiunge un certo valore, chiamato forza coercitiva (ritardante). Più grande è il suo valore, migliore è la sostanza che mantiene la magnetizzazione residua. La chiusura del ciclo di isteresi si verifica con il successivo cambiamento di tensione in direzione e ampiezza.

Durezza e morbidezza magnetiche

Il fenomeno dell'isteresi influenza notevolmente le proprietà magnetiche dei materiali. Le sostanze in cui il loop sul grafico di isteresi è espanso, richiedendo una notevole forza coercitiva per la smagnetizzazione, sono chiamate materiali magneticamente duri con un loop stretto, che sono molto più facili da smagnetizzare - magneticamente morbidi.

Nei campi alternati, l'isteresi magnetica appare particolarmente luminosa. È sempre accompagnato dal calore. Inoltre, in un campo magnetico alternato in un campo magnetico, si verificano correnti parassite di induzione che emettono una quantità particolarmente elevata di calore.

Molti ferromagneti e ferrimagneti sono utilizzati in apparecchiature che funzionano a corrente alternata (ad esempio, i nuclei di elettromagneti) e durante il funzionamento si re-globalizzano. Al fine di ridurre le perdite di energia dovute all'isteresi e alle perdite di correnti parassite dinamiche, in tali apparecchiature vengono utilizzate apparecchiature magnetiche come ferro puro, ferriti, acciai elettrici e leghe (ad esempio, permalloy). Esistono altri modi per ridurre al minimo la perdita di energia.

I solidi rigidi, al contrario, sono utilizzati in apparecchiature che operano su un campo magnetico costante. Mantengono la magnetizzazione residua molto più a lungo, ma sono più difficili da magnetizzare alla saturazione. Molti di questi sono attualmente compositi di vari tipi, ad esempio magneti in metallo-ceramica o in neodimio.

Un po 'di più sull'uso di materiali magnetici.

Le moderne industrie high-tech richiedono l'uso di magneti fabbricati con materiali strutturali, inclusi materiali compositi con specifiche proprietà magnetiche delle sostanze. Tali sono, per esempio, i nanocompositi magnetici di un ferromagnete-superconduttore o un paramagnet ferromagnetico usato nella spintronica, o magnetopolimeri - gel, elastomeri, lattici, ferrofluidi, che sono ampiamente usati.

Sono anche estremamente richieste varie leghe magnetiche. La lega al neodimio-ferro-boro è caratterizzata da un'elevata resistenza alla smagnetizzazione e alla potenza: i suddetti magneti al neodimio, essendo i più potenti magneti permanenti oggi, sono utilizzati in un'ampia varietà di industrie, nonostante la presenza di alcuni svantaggi, come la fragilità. Sono utilizzati in imager a risonanza magnetica, turbine eoliche, quando si puliscono fluidi tecnici e si sollevano carichi pesanti.

Molto interessanti sono le prospettive per l'uso di antiferromagneti nelle nanostrutture a bassa temperatura per la produzione di celle di memoria, che possono aumentare significativamente la densità di registrazione senza disturbare lo stato dei bit adiacenti.

Si deve presumere che l'applicazione delle proprietà magnetiche delle sostanze con determinate caratteristiche si espanderà sempre di più e fornirà serie scoperte tecnologiche in vari campi.