תכונות מגנטיות של חומר הן מחלקה של תופעות פיזיקליות המתווכות על ידי שדות. זרמים חשמליים ומומנטים מגנטיים של חלקיקים יסודיים יוצרים שדה הפועל על זרמים אחרים. ההשפעות המוכרות ביותר מתרחשות בחומרים פרומגנטיים, אשר נמשכים חזק על ידי שדות מגנטיים ויכולים להתמגנט לצמיתות, וליצור את השדות הטעונים עצמם.
רק חומרים בודדים הם פרומגנטיים. כדי לקבוע את רמת ההתפתחות של תופעה זו בחומר מסוים, יש סיווג של חומרים לפי תכונות מגנטיות. הנפוצים ביותר הם ברזל, ניקל וקובלט וסגסוגותיהם. הקידומת ferro- מתייחסת לברזל מכיוון שמגנטיות קבועה נצפתה לראשונה בברזל ריק, צורה של עפרת ברזל טבעית הנקראת התכונות המגנטיות של החומר, Fe3O4.
חומרים פרמגנטיים
למרותפרומגנטיות אחראית לרוב ההשפעות של מגנטיות בה נתקלים בחיי היומיום, כל שאר החומרים מושפעים מהשדה במידה מסוימת, כמו גם כמה סוגים אחרים של מגנטיות. חומרים פרמגנטיים כמו אלומיניום וחמצן נמשכים בצורה חלשה לשדה מגנטי מופעל. חומרים דיאמגנטיים כמו נחושת ופחמן דוחים בצורה חלשה.
למרות שלחומרים אנטי-פרומגנטיים כמו כרום ומשקפי ספין יש קשר מורכב יותר עם השדה המגנטי. חוזקו של מגנט על חומרים פרמגנטיים, דיאמגנטיים ואנטי-פרומגנטיים בדרך כלל חלשה מכדי להיות מורגשת וניתן לזהות אותו רק על ידי מכשירי מעבדה, ולכן חומרים אלו אינם כלולים ברשימת החומרים בעלי תכונות מגנטיות.
תנאים
המצב המגנטי (או הפאזה) של חומר תלוי בטמפרטורה ובמשתנים אחרים כגון לחץ ושדה מגנטי מופעל. חומר יכול להפגין יותר מצורה אחת של מגנטיות כאשר משתנים אלה משתנים.
היסטוריה
התכונות המגנטיות של חומר התגלו לראשונה בעולם העתיק כאשר אנשים שמו לב שמגנטים, חתיכות מינרלים ממוגנטות באופן טבעי, יכולים למשוך ברזל. המילה "מגנט" מגיעה מהמונח היווני Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "אבן מגנזי, אבן רגל".
ביוון העתיקה, אריסטו ייחס לדיון הראשון במה שאפשר לכנות דיון מדעי על התכונות המגנטיות של חומרים,הפילוסוף תאלס ממילטוס, שחי משנת 625 לפני הספירה. ה. לפני 545 לפני הספירה ה. הטקסט הרפואי ההודי העתיק Sushruta Samhita מתאר את השימוש במגנטיט להסרת חיצים המוטבעים בגוף האדם.
סין העתיקה
בסין העתיקה, ההתייחסות הספרותית המוקדמת ביותר לתכונות החשמליות והמגנטיות של חומרים נמצאת בספר מהמאה הרביעית לפני הספירה הקרוי על שם מחברו, "החכם של עמק הרוחות". האזכור המוקדם ביותר של משיכה למחטים הוא ביצירה של המאה ה-1 לוננג (בקשות מאוזנות): "המגנט מושך את המחט."
המדען הסיני של המאה ה-11 Shen Kuo היה האדם הראשון שתיאר - במאמר מאגר החלומות - מצפן מגנטי עם מחט ושהוא שיפר את דיוק הניווט באמצעות שיטות אסטרונומיות. מושג הצפון האמיתי. עד המאה ה-12, הסינים היו ידועים כשהם משתמשים במצפן המגנט לניווט. הם עיצבו את כף המדריך מאבן כך שהידית של הכף תצביע תמיד דרומה.
ימי הביניים
Alexander Neckam, בשנת 1187, היה הראשון באירופה שתיאר את המצפן והשימוש בו לניווט. חוקר זה, לראשונה באירופה, ביסס היטב את תכונות החומרים המגנטיים. בשנת 1269 כתב פיטר פרגרין דה מריקור את ה-Epistola de magnete, החיבור הראשון ששרד המתאר את תכונותיהם של מגנטים. בשנת 1282, תכונותיהם של מצפנים וחומרים בעלי תכונות מגנטיות מיוחדות תוארו על ידי אל-אשרף, פיזיקאי, אסטרונום וגיאוגרף תימני.
רנסנס
בשנת 1600 פרסם ויליאם גילברט"הקורפוס המגנטי" שלו ו"הטלוריום המגנטי" ("על המגנט והגופים המגנטיים, וגם על מגנט האדמה הגדול"). במאמר זה, הוא מתאר רבים מהניסויים שלו עם מודל כדור הארץ שלו, הנקרא טרלה, שאיתו הוא ערך מחקר על תכונות החומרים המגנטיים.
מהניסויים שלו, הוא הגיע למסקנה שכדור הארץ עצמו מגנטי וזו הסיבה שמצפנים הצביעו צפונה (קודם לכן, היו שסברו שזהו כוכב הקוטב (פולריס) או אי מגנטי גדול בצפון מוט שמשך את המצפן).
שעה חדשה
הבנת הקשר בין חשמל לחומרים בעלי תכונות מגנטיות מיוחדות הופיעה ב-1819 בעבודתו של הנס כריסטיאן אורסטד, פרופסור באוניברסיטת קופנהגן, שגילה בטעות בעווית מחט מצפן ליד חוט כי זרם יכול ליצור שדה מגנטי. ניסוי ציון דרך זה ידוע בשם ניסוי אורסטד. מספר ניסויים נוספים באו בעקבותיו עם אנדרה-מארי אמפר, שגילה ב-1820 ששדה מגנטי שמסתובב בנתיב סגור קשור לזרם הזורם סביב היקפו של הנתיב.
קרל פרידריך גאוס עסק בחקר המגנטיות. ז'אן-בטיסט ביו ופליקס סאוורט בשנת 1820 הגיעו עם חוק ביו-סווארט, שנותן את המשוואה הרצויה. מייקל פאראדיי, שגילה ב-1831 ששטף מגנטי המשתנה בזמן דרך לולאת תיל גרם למתח. ומדענים אחרים מצאו קשרים נוספים בין מגנטיות לחשמל.
המאה ה-XX ושלנוזמן
ג'יימס קלרק מקסוול סינתז והרחיב את ההבנה הזו של משוואות מקסוול על ידי איחוד חשמל, מגנטיות ואופטיקה בתחום האלקטרומגנטיות. בשנת 1905, איינשטיין השתמש בחוקים אלה כדי להניע את תורת היחסות הפרטית שלו בכך שדרש שהחוקים יתקיימו בכל מסגרות ההתייחסות האינרציאליות.
אלקטרומגנטיות המשיכה להתפתח לתוך המאה ה-21, תוך שהיא משולבת בתיאוריות הבסיסיות יותר של תורת המדידות, האלקטרודינמיקה הקוונטית, תורת האלקטרו-חלש ולבסוף המודל הסטנדרטי. כיום, מדענים כבר חוקרים את התכונות המגנטיות של חומרים בננו עם עוצמה ועיקרית. אבל התגליות הגדולות והמדהימות ביותר בתחום זה כנראה עדיין לפנינו.
Essence
התכונות המגנטיות של חומרים נובעות בעיקר מהמומנטים המגנטיים של האלקטרונים המסלוליים של האטומים שלהם. המומנטים המגנטיים של גרעיני אטום קטנים בדרך כלל מאלו של אלקטרונים, ולכן הם זניחים בהקשר של מגנטיזציה של חומרים. עם זאת, מומנטים מגנטיים גרעיניים חשובים מאוד בהקשרים אחרים, במיוחד בתהודה מגנטית גרעינית (NMR) ובהדמיית תהודה מגנטית (MRI).
בדרך כלל, המספר העצום של אלקטרונים בחומר מסודר כך שהמומנטים המגנטיים שלהם (הן המסלוליים והן הפנימיים) מתבטלים. במידה מסוימת, הדבר נובע מהעובדה שאלקטרונים מתחברים בזוגות עם מומנטים מגנטיים מהותיים מנוגדים כתוצאה מעקרון פאולי (ראה תצורת אלקטרונים) ומתאחדים לתת-קליפות מלאות עם אפס תנועה מסלולית נטו.
Bבשני המקרים, האלקטרונים משתמשים בעיקר במעגלים שבהם המומנט המגנטי של כל אלקטרון מתבטל על ידי הרגע ההפוך של האלקטרון השני. יתרה מכך, גם כאשר תצורת האלקטרונים היא כזו שישנם אלקטרונים לא מזווגים ו/או תת-קליפות לא מלאות, לעיתים קרובות קורה שאלקטרונים שונים במוצק יתרמו מומנטים מגנטיים המצביעים לכיוונים שונים ואקראיים, כך שהחומר לא יהיה מגנטי.
לפעמים, באופן ספונטני או עקב שדה מגנטי חיצוני מופעל, כל אחד מהמומנטים המגנטיים של האלקטרונים יסתדר בממוצע. החומר הנכון יכול ליצור שדה מגנטי נטו חזק.
ההתנהגות המגנטית של חומר תלויה במבנה שלו, בפרט בתצורה האלקטרונית שלו, מהסיבות שצוינו לעיל, וגם בטמפרטורה. בטמפרטורות גבוהות, תנועה תרמית אקראית מקשה על האלקטרונים להתיישר.
Diamagnetism
דיאמגנטיות נמצאת בכל החומרים והיא הנטייה של חומר להתנגד לשדה מגנטי מופעל ולכן לדחות את השדה המגנטי. אולם בחומר בעל תכונות פרמגנטיות (כלומר עם נטייה לחזק שדה מגנטי חיצוני), ההתנהגות הפראמגנטית שולטת. לפיכך, למרות ההתרחשות האוניברסלית, התנהגות דיאמגנטית נצפית רק בחומר דיאמגנטי בלבד. אין אלקטרונים בלתי מזווגים בחומר דיאמגנטי, כך שהמומנטים המגנטיים הפנימיים של אלקטרונים אינם יכולים ליצורכל אפקט עוצמת הקול.
אנא שים לב שתיאור זה נועד כהיוריסטיקה בלבד. משפט Bohr-Van Leeuwen מראה שדיאמגנטיות בלתי אפשרית לפי הפיזיקה הקלאסית, ושהבנה נכונה מחייבת תיאור מכאני קוונטי.
שים לב שכל החומרים עוברים את התגובה המסלולית הזו. עם זאת, בחומרים פרמגנטיים ופרומגנטיים, ההשפעה הדיאמגנטית מדוכאת על ידי השפעות חזקות הרבה יותר הנגרמות על ידי אלקטרונים לא מזווגים.
יש אלקטרונים לא מזווגים בחומר פרמגנטי; כלומר, אורביטלים אטומיים או מולקולריים עם אלקטרון אחד בדיוק בתוכם. בעוד שעיקרון ההדרה של פאולי מחייב לאלקטרונים מזווגים מומנטים מגנטיים משלהם ("ספין") המצביעים לכיוונים מנוגדים, וגורמים לשדות המגנטיים שלהם להתבטל, אלקטרון לא מזווג יכול ליישר את המומנט המגנטי שלו לכל אחד מהכיוונים. כאשר שדה חיצוני מוחל, הרגעים הללו נוטים להתיישר באותו כיוון כמו השדה המוחל, ומחזקים אותו.
Ferromagnets
לפרומגנט, כחומר פרמגנטי, יש אלקטרונים לא מזווגים. עם זאת, בנוסף לנטייה של המומנט המגנטי הפנימי של האלקטרונים להיות מקביל לשדה המופעל, בחומרים אלו ישנה גם נטייה של מומנטים מגנטיים אלו להתמצא במקביל זה לזה על מנת לשמור על מצב של מופחת. אֵנֶרְגִיָה. כך, גם בהיעדר תחום יישומיהמומנטים המגנטיים של האלקטרונים בחומר מתיישרים באופן ספונטני במקביל זה לזה.
לכל חומר פרומגנטי יש טמפרטורה אינדיבידואלית משלו, הנקראת טמפרטורת Curie, או נקודת Curie, שמעליה הוא מאבד את התכונות הפרומגנטיות שלו. הסיבה לכך היא שהנטייה התרמית לחוסר סדר גוברת על הפחתת האנרגיה עקב סדר פרומגנטי.
פרומגנטיות מתרחשת רק בכמה חומרים; ברזל, ניקל, קובלט, הסגסוגות שלהם וכמה סגסוגות אדמה נדירות נפוצים.
המומנטים המגנטיים של אטומים בחומר פרומגנטי גורמים להם להתנהג כמו מגנטים קבועים זעירים. הם נצמדים זה לזה ומתאחדים לאזורים קטנים של יישור פחות או יותר אחיד הנקראים תחומים מגנטיים או תחומי וייס. ניתן לצפות בתחומים מגנטיים באמצעות מיקרוסקופ כוח מגנטי כדי לחשוף גבולות של תחום מגנטי הדומים לקווים לבנים בסקיצה. ישנם ניסויים מדעיים רבים שיכולים להראות פיזית שדות מגנטיים.
תפקיד הדומיינים
כאשר תחום מכיל יותר מדי מולקולות, הוא הופך לבלתי יציב ומתפצל לשני תחומים המיושרים בכיוונים מנוגדים כדי להיצמד זה לזה בצורה יציבה יותר, כפי שמוצג בצד ימין.
כאשר נחשפים לשדה מגנטי, גבולות התחום נעים כך שתחומים מיושרים מגנטית גדלים ושולטים במבנה (אזור צהוב מנוקד), כפי שמוצג משמאל. כאשר השדה הממגנט מוסר, ייתכן שהתחומים לא יחזרו למצב לא ממוגנט. זה מוביל לכי החומר הפרומגנטי ממוגנט ויוצר מגנט קבוע.
כשהמגנטיזציה הייתה מספיק חזקה כך שהתחום הדומיננטי חופף את כל האחרים, מה שהוביל להיווצרות של תחום נפרד אחד בלבד, החומר היה רווי מגנטית. כאשר חומר פרומגנטי ממוגנט מחומם לטמפרטורת נקודת קירי, המולקולות מתערבבות עד לנקודה שבה התחומים המגנטיים מאבדים ארגון והתכונות המגנטיות שהן גורמות נפסקות. כאשר החומר מתקרר, מבנה יישור התחום הזה חוזר באופן ספונטני, בערך בדומה לאופן שבו נוזל יכול לקפוא למוצק גבישי.
Antiferromagnetics
באנטי-פרומגנט, בניגוד לפרומגנט, המומנטים המגנטיים הפנימיים של אלקטרוני ערכיות שכנים נוטים להצביע בכיוונים מנוגדים. כאשר כל האטומים מסודרים בחומר כך שכל שכן הוא אנטי מקביל, החומר הוא אנטי-פרומגנטי. לאנטי-פרומגנטים יש מומנט מגנטי נטו של אפס, מה שאומר שהם לא יוצרים שדה.
מגנטים אנטי-פרומגנטים נדירים יותר מסוגי התנהגות אחרים והם נצפים לרוב בטמפרטורות נמוכות. בטמפרטורות שונות, אנטי-פרומגנטים מציגים תכונות דיאמגנטיות ופרומגנטיות.
בחלק מהחומרים, אלקטרונים שכנים מעדיפים להצביע בכיוונים מנוגדים, אבל אין סידור גיאומטרי שבו כל זוג שכנים הוא אנטי-מיושר. זה נקרא זכוכית ספין והוא דוגמה לתסכול גיאומטרי.
תכונות מגנטיות של חומרים פרומגנטיים
כמו פרומגנטיות, פרימגנטים שומרים על המגנטיות שלהם בהיעדר שדה. עם זאת, כמו אנטי-פרומגנטים, זוגות ספינים סמוכים של אלקטרונים נוטים להצביע בכיוונים מנוגדים. שתי התכונות הללו אינן סותרות זו את זו מכיוון שבסידור גיאומטרי אופטימלי, המומנט המגנטי מתת-סריג של אלקטרונים המצביע לאותו כיוון גדול יותר מאשר מתת-סריג שמצביע בכיוון ההפוך.
רוב הפריטים הם פרומגנטיים. התכונות המגנטיות של חומרים פרומגנטיים כיום נחשבות ללא עוררין. החומר המגנטי הראשון שהתגלה, מגנטיט, הוא פריט ובמקור חשבו שהוא פרומגנט. עם זאת, לואי ניל הפריך זאת בכך שגילה פרימגנטיות.
כאשר פרומגנט או פרימגנט קטנים מספיק, הם פועלים כספין מגנטי יחיד הכפוף לתנועה בראונית. התגובה שלו לשדה מגנטי דומה מבחינה איכותית לזו של פרמגנט, אבל הרבה יותר.
Electromagnets
אלקטרומגנט הוא מגנט שבו נוצר שדה מגנטי על ידי זרם חשמלי. השדה המגנטי נעלם עם כיבוי הזרם. אלקטרומגנטים מורכבים בדרך כלל ממספר רב של סיבובי חוט מרווחים קרובים היוצרים שדה מגנטי. סלילי תיל מקופלים לרוב סביב ליבה מגנטית העשויה מחומר פרומגנטי או פרומגנטי.חומר כמו ברזל; הליבה המגנטית מרכזת את השטף המגנטי ויוצרת מגנט חזק יותר.
היתרון העיקרי של אלקטרומגנט על פני מגנט קבוע הוא שניתן לשנות את השדה המגנטי במהירות על ידי שליטה בכמות הזרם החשמלי בפיתול. עם זאת, בניגוד למגנט קבוע, שאינו דורש חשמל, אלקטרומגנט דורש אספקה רציפה של זרם כדי לשמור על השדה המגנטי.
אלקטרומגנטים נמצאים בשימוש נרחב כרכיבים של מכשירים חשמליים אחרים כגון מנועים, גנרטורים, ממסרים, סולנואידים, רמקולים, כוננים קשיחים, מכונות MRI, מכשירים מדעיים וציוד הפרדה מגנטי. אלקטרומגנטים משמשים גם בתעשייה לאחיזה והנעת חפצי ברזל כבדים כמו גרוטאות מתכת ופלדה. האלקטרומגנטיות התגלתה בשנת 1820. במקביל, פורסם הסיווג הראשון של חומרים לפי תכונות מגנטיות.
