Bir malzemenin manyetik özellikleri, alanların aracılık ettiği bir fiziksel fenomen sınıfıdır. Temel parçacıkların elektrik akımları ve manyetik momentleri, diğer akımlara etki eden bir alan oluşturur. En tanıdık etkiler, manyetik alanlar tarafından güçlü bir şekilde çekilen ve kalıcı olarak manyetize olabilen ve yüklü alanları kendileri yaratan ferromanyetik malzemelerde meydana gelir.
Yalnızca birkaç madde ferromanyetiktir. Belirli bir maddede bu fenomenin gelişme seviyesini belirlemek için, manyetik özelliklere göre malzemelerin bir sınıflandırması vardır. En yaygın olanları demir, nikel ve kob alt ve bunların alaşımlarıdır. Ferro- ön eki demiri ifade eder, çünkü kalıcı manyetizma ilk olarak boş demirde, malzemenin manyetik özellikleri, Fe3O4 olarak adlandırılan bir doğal demir cevheri formunda gözlemlenmiştir.
Paramanyetik malzemeler
Yine deFerromanyetizma, günlük hayatta karşılaşılan manyetizma etkilerinin çoğundan sorumludur, diğer tüm materyaller, diğer bazı manyetizma türlerinin yanı sıra alandan bir dereceye kadar etkilenir. Alüminyum ve oksijen gibi paramanyetik maddeler, uygulanan bir manyetik alan tarafından zayıf bir şekilde çekilir. Bakır ve karbon gibi diyamanyetik maddeler zayıf bir şekilde itilir.
Krom ve spin camlar gibi antiferromanyetik malzemelerin manyetik alanla daha karmaşık bir ilişkisi vardır. Bir mıknatısın paramanyetik, diamanyetik ve antiferromanyetik malzemeler üzerindeki gücü genellikle hissedilemeyecek kadar zayıftır ve yalnızca laboratuvar cihazlarıyla tespit edilebilir, dolayısıyla bu maddeler manyetik özelliklere sahip malzemeler listesine dahil edilmez.
Koşullar
Bir malzemenin manyetik durumu (veya fazı), sıcaklığa ve basınç ve uygulanan manyetik alan gibi diğer değişkenlere bağlıdır. Bu değişkenler değiştikçe bir malzeme birden fazla manyetizma biçimi sergileyebilir.
Tarih
Bir malzemenin manyetik özellikleri ilk olarak antik dünyada, doğal olarak manyetize edilmiş mineral parçaları olan mıknatısların demiri çekebileceğini fark ettiklerinde keşfedildi. "Mıknatıs" kelimesi Yunanca Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnezyen taşı, ayak taşı" teriminden gelir.
Antik Yunanistan'da Aristoteles, malzemelerin manyetik özellikleri hakkında bilimsel bir tartışma olarak adlandırılabilecek olanın ilkini,MÖ 625'te yaşamış olan Miletli filozof Thales. e. 545'ten önce e. Eski Hint tıbbi metni Sushruta Samhita, insan vücuduna gömülü okları çıkarmak için manyetit kullanımını açıklar.
Antik Çin
Antik Çin'de, malzemelerin elektriksel ve manyetik özelliklerine ilişkin en eski edebi referans, yazarı The Sage of the Valley of the Ghosts'ın adını taşıyan MÖ 4. yüzyıldaki bir kitapta bulunur. İğne çekiciliğinden en erken söz, 1. yüzyıldaki Lunheng (Dengeli İstekler) çalışmasındadır: "Mıknatıs iğneyi çeker."
11. yüzyıl Çinli bilim adamı Shen Kuo, - Dream Pool Essay'de - iğneli manyetik bir pusulayı ve astronomik yöntemlerle navigasyonun doğruluğunu geliştirdiğini tanımlayan ilk kişiydi. gerçek kuzey kavramı. 12. yüzyılda Çinlilerin navigasyon için mıknatıs pusulasını kullandıkları biliniyordu. Kılavuz kaşığı taştan yaptılar, böylece kaşığın sapı her zaman güneyi gösterecek.
Orta Çağ
Alexander Neckam, 1187'de Avrupa'da pusulayı ve navigasyon için kullanımını tanımlayan ilk kişiydi. Bu araştırmacı, Avrupa'da ilk kez, manyetik malzemelerin özelliklerini derinlemesine belirledi. 1269'da Peter Peregrine de Maricourt, mıknatısların özelliklerini tanımlayan hayatta kalan ilk inceleme olan Epistola de magnete'i yazdı. 1282'de, pusulaların ve özel manyetik özelliklere sahip malzemelerin özellikleri, Yemenli fizikçi, astronom ve coğrafyacı el-Eşref tarafından tanımlandı.
Rönesans
1600'de William Gilbert,“Manyetik Corpus” ve “Manyetik Tellür” (“Mıknatıs ve Manyetik Cisimler ve ayrıca Büyük Dünya Mıknatısı üzerinde”). Bu yazıda, manyetik malzemelerin özellikleri üzerine araştırma gerçekleştirdiği terrella adlı model dünyasıyla yaptığı deneylerin birçoğunu anlatıyor.
Deneylerinden, Dünya'nın kendisinin manyetik olduğu ve pusulaların bu yüzden kuzeyi gösterdiği sonucuna vardı (daha önce bazıları bunun kutup yıldızı (Polaris) veya kuzeyde büyük bir manyetik ada olduğuna inanıyordu Pusulayı çeken direk).
Yeni zaman
Elektrik ve özel manyetik özelliklere sahip malzemeler arasındaki ilişkinin anlaşılması, 1819'da Kopenhag Üniversitesi'nde profesör olan Hans Christian Oersted'in bir telin yanında bir pusula iğnesini yanlışlıkla seğirerek elektriğin olduğunu keşfeden çalışmasında ortaya çıktı. akım bir manyetik alan oluşturabilir. Bu dönüm noktası deneyi, Oersted Deneyi olarak bilinir. Bunu, 1820'de kapalı bir yolda dolaşan bir manyetik alanın, yolun çevresinde akan bir akımla ilişkili olduğunu keşfeden André-Marie Ampère ile takip eden birkaç deney daha izledi.
Carl Friedrich Gauss manyetizma çalışmasıyla meşguldü. Jean-Baptiste Biot ve Felix Savart 1820'de istenen denklemi veren Biot-Savart yasasını ortaya attılar. Michael Faraday, 1831'de bir tel döngüsü boyunca zamanla değişen bir manyetik akının gerilime neden olduğunu keşfetti. Ve diğer bilim adamları manyetizma ve elektrik arasında daha fazla bağlantı buldular.
XX yüzyıl ve bizimzaman
James Clerk Maxwell, elektromanyetizma alanında elektrik, manyetizma ve optiği birleştirerek Maxwell denklemlerine ilişkin bu anlayışı sentezledi ve genişletti. 1905'te Einstein, yasaların tüm eylemsiz referans çerçevelerinde doğru olmasını gerektirerek özel görelilik kuramını harekete geçirmek için bu yasaları kullandı.
Elektromanyetizma 21. yüzyılda gelişmeye devam etti ve daha temel gösterge teorisi teorilerine, kuantum elektrodinamiğine, elektrozayıf teoriye ve son olarak standart modele dahil edildi. Günümüzde, bilim adamları zaten güçlü ve ana ile nano yapılı malzemelerin manyetik özelliklerini inceliyorlar. Ancak bu alandaki en büyük ve en şaşırtıcı keşifler muhtemelen hala önümüzde.
Öz
Malzemelerin manyetik özellikleri esas olarak atomlarının yörünge elektronlarının manyetik momentlerinden kaynaklanır. Atom çekirdeğinin manyetik momentleri genellikle elektronlarınkinden binlerce kat daha küçüktür ve bu nedenle malzemelerin manyetizasyonu bağlamında ihmal edilebilirler. Nükleer manyetik momentler yine de diğer bağlamlarda, özellikle nükleer manyetik rezonans (NMR) ve manyetik rezonans görüntülemede (MRI) çok önemlidir.
Genellikle, bir malzemedeki çok sayıda elektron, manyetik momentleri (hem yörüngesel hem de dahili) sıfırlanacak şekilde düzenlenir. Bir dereceye kadar bunun nedeni, elektronların Pauli ilkesinin bir sonucu olarak (bkz. Elektron konfigürasyonu) zıt içsel manyetik momentlerle çiftler halinde birleşmesi ve sıfır net yörünge hareketi ile dolu alt kabuklar halinde birleşmesidir.
BHer iki durumda da elektronlar ağırlıklı olarak, her elektronun manyetik momentinin diğer elektronun zıt momenti tarafından iptal edildiği devreleri kullanır. Ayrıca, elektron konfigürasyonu eşleşmemiş elektronlar ve/veya doldurulmamış alt kabuklar olacak şekilde olsa bile, çoğu zaman bir katıdaki farklı elektronların farklı, rastgele yönlere işaret eden manyetik momentlere katkıda bulunacağı ve böylece malzemenin manyetik.
Bazen, kendiliğinden veya uygulanan bir harici manyetik alan nedeniyle, elektronların manyetik momentlerinin her biri ortalama olarak aynı hizaya gelir. Doğru malzeme daha sonra güçlü bir net manyetik alan oluşturabilir.
Bir malzemenin manyetik davranışı, yapısına, özellikle de yukarıda belirtilen nedenlerle elektronik konfigürasyonuna ve ayrıca sıcaklığa bağlıdır. Yüksek sıcaklıklarda, rastgele termal hareket elektronların hizalanmasını zorlaştırır.
Diamanyetizma
Diamanyetizma tüm malzemelerde bulunur ve bir malzemenin uygulanan bir manyetik alana direnme ve dolayısıyla manyetik alanı itme eğilimidir. Bununla birlikte, paramanyetik özelliklere sahip (yani, harici bir manyetik alanı güçlendirme eğilimi olan) bir malzemede, paramanyetik davranış baskındır. Bu nedenle, evrensel oluşuma rağmen, diyamanyetik davranış yalnızca tamamen diyamanyetik bir malzemede gözlenir. Diyamanyetik bir malzemede eşleşmemiş elektron yoktur, bu nedenle elektronların içsel manyetik momentleriherhangi bir ses efekti.
Lütfen bu açıklamanın yalnızca buluşsal amaçlı olduğunu unutmayın. Bohr-Van Leeuwen teoremi, klasik fiziğe göre diamanyetizmanın imkansız olduğunu ve doğru bir anlayışın kuantum mekaniksel bir tanımlama gerektirdiğini gösterir.
Tüm malzemelerin bu yörünge tepkisinden geçtiğine dikkat edin. Ancak paramanyetik ve ferromanyetik maddelerde diyamanyetik etki, eşleşmemiş elektronların neden olduğu çok daha güçlü etkiler tarafından bastırılır.
Paramanyetik bir malzemede eşleşmemiş elektronlar vardır; yani, içinde tam olarak bir elektron bulunan atomik veya moleküler orbitaller. Pauli dışlama ilkesi, eşleştirilmiş elektronların zıt yönlere işaret eden kendi ("dönen") manyetik momentlerine sahip olmasını gerektirirken, manyetik alanlarının birbirini götürmesine neden olurken, eşleştirilmemiş bir elektron manyetik momentini her iki yönde de hizalayabilir. Harici bir alan uygulandığında, bu anlar uygulanan alanla aynı yönde hizalanarak onu güçlendirecektir.
Ferromıknatıslar
Paramanyetik bir madde olarak bir ferromıknatısın eşleşmemiş elektronları vardır. Bununla birlikte, elektronların içsel manyetik momentinin uygulanan alana paralel olma eğilimine ek olarak, bu malzemelerde, indirgenmiş bir durumu korumak için bu manyetik momentlerin kendilerini birbirine paralel yönlendirme eğilimi de vardır. enerji. Böylece, uygulamalı bir alanın yokluğunda bilemalzemedeki elektronların manyetik momentleri kendiliğinden birbirine paralel olarak hizalanır.
Her ferromanyetik maddenin Curie sıcaklığı veya Curie noktası olarak adlandırılan kendi bireysel sıcaklığı vardır ve bu sıcaklığın üzerinde ferromanyetik özelliklerini kaybeder. Bunun nedeni, termal düzensizlik eğiliminin, ferromanyetik düzen nedeniyle enerjideki azalmayı bastırmasıdır.
Ferromanyetizma yalnızca birkaç maddede oluşur; demir, nikel, kob alt, bunların alaşımları ve bazı nadir toprak alaşımları yaygındır.
Ferromanyetik bir malzemedeki atomların manyetik momentleri, onların küçük kalıcı mıknatıslar gibi davranmalarına neden olur. Birbirlerine yapışırlar ve manyetik alanlar veya Weiss alanları olarak adlandırılan az çok tekdüze hizalamanın küçük bölgelerinde birleşirler. Bir çizimde beyaz çizgilere benzeyen manyetik alan sınırlarını ortaya çıkarmak için bir manyetik kuvvet mikroskobu kullanılarak manyetik alanlar gözlemlenebilir. Manyetik alanları fiziksel olarak gösterebilen birçok bilimsel deney var.
Alan adlarının rolü
Bir alan çok fazla molekül içerdiğinde, kararsız hale gelir ve sağda gösterildiği gibi daha kararlı bir şekilde birbirine yapışmak için zıt yönlerde hizalanmış iki alana bölünür.
Bir manyetik alana maruz kaldığında, alan sınırları hareket eder, böylece manyetik olarak hizalanmış alanlar büyür ve yapıya hakim olur (noktalı sarı alan), solda gösterildiği gibi. Mıknatıslanma alanı kaldırıldığında, alanlar manyetize edilmemiş bir duruma geri dönmeyebilir. Bu yol açarçünkü ferromanyetik malzeme mıknatıslanarak kalıcı bir mıknatıs oluşturur.
Mıknatıslanma, baskın alan diğer tüm alanlarla örtüşecek ve yalnızca bir ayrı alan oluşumuna yol açacak kadar güçlü olduğunda, malzeme manyetik olarak doymuştu. Manyetize edilmiş bir ferromanyetik malzeme Curie noktası sıcaklığına ısıtıldığında, moleküller manyetik alanların organizasyonunu kaybettiği ve neden oldukları manyetik özelliklerin durduğu noktaya kadar karışır. Malzeme soğuduğunda, bu alan hizalama yapısı, kabaca bir sıvının donarak kristal bir katıya nasıl dönüşebileceğine benzer şekilde, kendiliğinden geri döner.
Antiferromanyetik
Bir antiferromıknatısta, bir ferromıknatısın aksine, komşu değerlik elektronlarının içsel manyetik momentleri zıt yönleri gösterme eğilimindedir. Bir maddede tüm atomlar, her komşusu antiparalel olacak şekilde düzenlendiğinde, madde antiferromanyetiktir. Antiferromıknatısların net manyetik momenti sıfırdır, bu da bir alan oluşturmadıkları anlamına gelir.
Antiferromıknatıslar diğer davranış türlerinden daha nadirdir ve çoğunlukla düşük sıcaklıklarda gözlenir. Farklı sıcaklıklarda, antiferromanyetikler diyamanyetik ve ferromanyetik özellikler sergiler.
Bazı malzemelerde, komşu elektronlar zıt yönleri göstermeyi tercih eder, ancak her bir komşu çiftinin hizasız olduğu geometrik bir düzenleme yoktur. Döner cam denir vegeometrik hüsrana bir örnektir.
Ferromanyetik malzemelerin manyetik özellikleri
Ferromanyetizma gibi, ferrimanyetler de bir alan olmadığında manyetizasyonlarını korurlar. Bununla birlikte, antiferromıknatıslar gibi, bitişik elektron spin çiftleri zıt yönleri gösterme eğilimindedir. Bu iki özellik birbiriyle çelişmez, çünkü optimal bir geometrik düzenlemede, aynı yönü gösteren bir elektron alt örgüsünden gelen manyetik moment, zıt yönü gösteren bir alt örgüden daha büyüktür.
Çoğu ferrit ferrimanyetiktir. Günümüzde ferromanyetik malzemelerin manyetik özellikleri yadsınamaz olarak kabul edilmektedir. Keşfedilen ilk manyetik madde olan manyetit, bir ferrittir ve başlangıçta bir ferromanyet olduğu düşünülmüştür. Ancak Louis Neel, ferrimanyetizmayı keşfederek bunu çürüttü.
Bir ferromıknatıs veya ferrimıknatıs yeterince küçük olduğunda, Brown hareketine maruz kalan tek bir manyetik dönüş gibi davranır. Manyetik alana tepkisi niteliksel olarak bir paramagnetinkine benzer, ancak çok daha fazlası.
Elektromıknatıslar
Elektromıknatıs, içinde bir elektrik akımı tarafından bir manyetik alan oluşturulan bir mıknatıstır. Akım kesildiğinde manyetik alan kaybolur. Elektromıknatıslar genellikle bir manyetik alan oluşturan çok sayıda birbirine yakın tel sarımlarından oluşur. Tel bobinler genellikle ferromanyetik veya ferrimanyetik malzemeden yapılmış manyetik bir çekirdeğin etrafına sarılır.demir gibi bir malzeme; manyetik çekirdek manyetik akıyı yoğunlaştırır ve daha güçlü bir mıknatıs oluşturur.
Bir elektromıknatısın kalıcı bir mıknatısa göre ana avantajı, sargıdaki elektrik akımı miktarını kontrol ederek manyetik alanın hızla değiştirilebilmesidir. Bununla birlikte, güç gerektirmeyen kalıcı bir mıknatısın aksine, bir elektromıknatıs, manyetik alanı korumak için sürekli bir akım kaynağı gerektirir.
Elektromıknatıslar, motorlar, jeneratörler, röleler, solenoidler, hoparlörler, sabit sürücüler, MRI makineleri, bilimsel aletler ve manyetik ayırma ekipmanları gibi diğer elektrikli cihazların bileşenleri olarak yaygın olarak kullanılmaktadır. Elektromıknatıslar ayrıca endüstride hurda metal ve çelik gibi ağır demir nesneleri tutmak ve taşımak için kullanılır. Elektromanyetizma 1820'de keşfedildi. Aynı zamanda malzemelerin manyetik özelliklerine göre ilk sınıflandırması yayınlandı.
