Magnetische eigenschappen van een materiaal zijn een klasse van fysieke verschijnselen die worden gemedieerd door velden. Elektrische stromen en magnetische momenten van elementaire deeltjes wekken een veld op dat inwerkt op andere stromen. De meest bekende effecten treden op in ferromagnetische materialen, die sterk worden aangetrokken door magnetische velden en permanent kunnen worden gemagnetiseerd, waardoor de geladen velden zelf ontstaan.
Slechts een paar stoffen zijn ferromagnetisch. Om het ontwikkelingsniveau van dit fenomeen in een bepaalde stof te bepalen, is er een classificatie van materialen op basis van magnetische eigenschappen. De meest voorkomende zijn ijzer, nikkel en kob alt en hun legeringen. Het voorvoegsel ferro- verwijst naar ijzer omdat permanent magnetisme voor het eerst werd waargenomen in leeg ijzer, een vorm van natuurlijk ijzererts dat de magnetische eigenschappen van het materiaal Fe3O4 wordt genoemd.
Paramagnetische materialen
Hoewelferromagnetisme is verantwoordelijk voor de meeste effecten van magnetisme in het dagelijks leven, alle andere materialen worden tot op zekere hoogte door het veld beïnvloed, evenals enkele andere soorten magnetisme. Paramagnetische stoffen zoals aluminium en zuurstof worden zwak aangetrokken door een aangelegd magnetisch veld. Diamagnetische stoffen zoals koper en koolstof stoten zwak af.
Terwijl antiferromagnetische materialen zoals chroom en spinglazen een complexere relatie hebben met het magnetische veld. De sterkte van een magneet op paramagnetische, diamagnetische en antiferromagnetische materialen is meestal te zwak om te voelen en kan alleen worden gedetecteerd door laboratoriuminstrumenten, dus deze stoffen zijn niet opgenomen in de lijst met materialen met magnetische eigenschappen.
Voorwaarden
De magnetische toestand (of fase) van een materiaal hangt af van de temperatuur en andere variabelen zoals druk en aangelegd magnetisch veld. Een materiaal kan meer dan één vorm van magnetisme vertonen als deze variabelen veranderen.
Geschiedenis
De magnetische eigenschappen van een materiaal werden voor het eerst ontdekt in de oudheid toen mensen opmerkten dat magneten, van nature gemagnetiseerde stukjes mineralen, ijzer konden aantrekken. Het woord "magneet" komt van de Griekse term Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "magnesische steen, voetsteen".
In het oude Griekenland schreef Aristoteles de eerste toe van wat een wetenschappelijke discussie over de magnetische eigenschappen van materialen zou kunnen worden genoemd,filosoof Thales van Miletus, die leefde vanaf 625 voor Christus. e. vóór 545 v. Chr e. De oude Indiase medische tekst Sushruta Samhita beschrijft het gebruik van magnetiet om pijlen te verwijderen die in het menselijk lichaam zijn ingebed.
Het oude China
In het oude China wordt de vroegste literaire verwijzing naar de elektrische en magnetische eigenschappen van materialen gevonden in een boek uit de 4e eeuw voor Christus, vernoemd naar de auteur, The Sage of the Valley of Ghosts. De vroegste vermelding van naaldaantrekking is in het 1e-eeuwse werk Lunheng (Gebalanceerde verzoeken): "De magneet trekt de naald aan."
De 11e-eeuwse Chinese wetenschapper Shen Kuo was de eerste persoon die - in de Dream Pool Essay - een magnetisch kompas met een naald beschreef en dat het de nauwkeurigheid van navigatie verbeterde door middel van astronomische methoden. concept van het echte noorden. Tegen de 12e eeuw was het bekend dat de Chinezen het magneetkompas gebruikten voor navigatie. Ze maakten de geleidelepel van steen, zodat het handvat van de lepel altijd naar het zuiden wijst.
Middeleeuwen
Alexander Neckam was in 1187 de eerste in Europa die het kompas en het gebruik ervan voor navigatie beschreef. Deze onderzoeker heeft voor het eerst in Europa de eigenschappen van magnetische materialen grondig vastgesteld. In 1269 schreef Peter Peregrine de Maricourt de Epistola de magnete, de eerste bewaard gebleven verhandeling die de eigenschappen van magneten beschrijft. In 1282 werden de eigenschappen van kompassen en materialen met speciale magnetische eigenschappen beschreven door al-Ashraf, een Jemenitische natuurkundige, astronoom en geograaf.
Renaissance
In 1600 publiceerde William Gilbertzijn "Magnetic Corpus" en "Magnetic Tellurium" ("Op de magneet en magnetische lichamen, en ook op de grote aardemagneet"). In dit artikel beschrijft hij veel van zijn experimenten met zijn model aarde, de terrella genaamd, waarmee hij onderzoek deed naar de eigenschappen van magnetische materialen.
Uit zijn experimenten kwam hij tot de conclusie dat de aarde zelf magnetisch is en dat dit de reden is waarom kompassen naar het noorden wezen (eerder geloofden sommigen dat het de poolster (Polaris) of een groot magnetisch eiland in het noorden was Pool die het kompas aantrok).
Nieuwe tijd
Begrip van de relatie tussen elektriciteit en materialen met speciale magnetische eigenschappen verscheen in 1819 in het werk van Hans Christian Oersted, een professor aan de Universiteit van Kopenhagen, die ontdekte door per ongeluk een kompasnaald in de buurt van een draad te laten trillen dat een elektrische stroom kan een magnetisch veld creëren. Dit baanbrekende experiment staat bekend als het Oersted-experiment. Verschillende andere experimenten volgden met André-Marie Ampère, die in 1820 ontdekte dat een magnetisch veld dat in een gesloten pad circuleert, verband houdt met een stroom die rond de omtrek van het pad vloeit.
Carl Friedrich Gauss hield zich bezig met de studie van magnetisme. Jean-Baptiste Biot en Felix Savart bedachten in 1820 de wet van Biot-Savart, die de gewenste vergelijking geeft. Michael Faraday, die in 1831 ontdekte dat een in de tijd variërende magnetische flux door een draadlus een spanning veroorzaakte. En andere wetenschappers hebben verdere verbanden gevonden tussen magnetisme en elektriciteit.
XX eeuw en onzetijd
James Clerk Maxwell heeft dit begrip van de vergelijkingen van Maxwell gesynthetiseerd en uitgebreid door elektriciteit, magnetisme en optica op het gebied van elektromagnetisme te verenigen. In 1905 gebruikte Einstein deze wetten om zijn speciale relativiteitstheorie te motiveren door te eisen dat de wetten gelden in alle traagheidsreferentieframes.
Elektromagnetisme is in de 21e eeuw blijven evolueren en wordt opgenomen in de meer fundamentele theorieën van de ijktheorie, de kwantumelektrodynamica, de elektrozwakke theorie en ten slotte het standaardmodel. Tegenwoordig bestuderen wetenschappers al met veel macht de magnetische eigenschappen van nanogestructureerde materialen. Maar de grootste en meest verbazingwekkende ontdekkingen op dit gebied liggen waarschijnlijk nog voor ons.
Essentie
De magnetische eigenschappen van materialen zijn voornamelijk te wijten aan de magnetische momenten van de orbitale elektronen van hun atomen. De magnetische momenten van atoomkernen zijn meestal duizenden keren kleiner dan die van elektronen, en daarom zijn ze verwaarloosbaar in de context van de magnetisatie van materialen. Nucleaire magnetische momenten zijn niettemin erg belangrijk in andere contexten, vooral in nucleaire magnetische resonantie (NMR) en magnetische resonantie beeldvorming (MRI).
Meestal is het enorme aantal elektronen in een materiaal zo gerangschikt dat hun magnetische momenten (zowel orbitaal als intern) teniet worden gedaan. Tot op zekere hoogte is dit te wijten aan het feit dat elektronen paren combineren met tegengestelde intrinsieke magnetische momenten als resultaat van het Pauli-principe (zie Elektronenconfiguratie) en combineren tot gevulde subschillen zonder netto orbitale beweging.
BIn beide gevallen gebruiken de elektronen voornamelijk circuits waarin het magnetische moment van elk elektron wordt opgeheven door het tegenovergestelde moment van het andere elektron. Bovendien, zelfs wanneer de elektronenconfiguratie zodanig is dat er ongepaarde elektronen en/of ongevulde subschillen zijn, is het vaak zo dat verschillende elektronen in een vaste stof magnetische momenten zullen bijdragen die in verschillende, willekeurige richtingen wijzen, zodat het materiaal niet magnetisch.
Soms, spontaan of als gevolg van een aangelegd extern magnetisch veld, zal elk van de magnetische momenten van de elektronen gemiddeld op één lijn liggen. Het juiste materiaal kan dan een sterk netto magnetisch veld creëren.
Het magnetische gedrag van een materiaal hangt af van zijn structuur, in het bijzonder van zijn elektronische configuratie, om de hierboven vermelde redenen, en ook van de temperatuur. Bij hoge temperaturen maakt willekeurige thermische beweging het moeilijk voor elektronen om uit te lijnen.
Diamagnetisme
Diamagnetisme wordt in alle materialen aangetroffen en is de neiging van een materiaal om weerstand te bieden aan een aangelegd magnetisch veld en daarom het magnetische veld af te stoten. In een materiaal met paramagnetische eigenschappen (dat wil zeggen, met de neiging om een extern magnetisch veld te versterken), domineert het paramagnetische gedrag. Dus, ondanks het universele voorkomen, wordt diamagnetisch gedrag alleen waargenomen in een puur diamagnetisch materiaal. Er zijn geen ongepaarde elektronen in een diamagnetisch materiaal, dus de intrinsieke magnetische momenten van elektronen kunnen niet worden gecreëerdelk volume-effect.
Houd er rekening mee dat deze beschrijving alleen als heuristiek is bedoeld. De stelling van Bohr-Van Leeuwen laat zien dat diamagnetisme onmogelijk is volgens de klassieke natuurkunde, en dat een juist begrip een kwantummechanische beschrijving vereist.
Merk op dat alle materialen door deze orbitale respons gaan. In paramagnetische en ferromagnetische stoffen wordt het diamagnetische effect echter onderdrukt door veel sterkere effecten veroorzaakt door ongepaarde elektronen.
Er zijn ongepaarde elektronen in een paramagnetisch materiaal; dat wil zeggen, atomaire of moleculaire orbitalen met precies één elektron erin. Terwijl het Pauli-uitsluitingsprincipe vereist dat gepaarde elektronen hun eigen ("spin") magnetische momenten hebben die in tegengestelde richtingen wijzen, waardoor hun magnetische velden opheffen, kan een ongepaard elektron zijn magnetische moment in beide richtingen uitlijnen. Wanneer een extern veld wordt toegepast, zullen deze momenten de neiging hebben om in dezelfde richting uit te lijnen als het aangelegde veld, waardoor het wordt versterkt.
Ferromagnetten
Een ferromagneet heeft als paramagnetische substantie ongepaarde elektronen. Naast de neiging van het intrinsieke magnetische moment van de elektronen om evenwijdig aan het aangelegde veld te zijn, is er in deze materialen echter ook een neiging van deze magnetische momenten om zich parallel aan elkaar te oriënteren om een toestand van verminderde energie. Dus, zelfs in de afwezigheid van een toegepast veldde magnetische momenten van de elektronen in het materiaal worden spontaan parallel aan elkaar uitgelijnd.
Elke ferromagnetische stof heeft zijn eigen individuele temperatuur, de Curie-temperatuur of Curie-punt genoemd, waarboven het zijn ferromagnetische eigenschappen verliest. Dit komt omdat de thermische neiging tot wanorde de vermindering van energie als gevolg van ferromagnetische ordening overweldigt.
Ferromagnetisme komt maar in een paar stoffen voor; ijzer, nikkel, kob alt, hun legeringen en sommige zeldzame aardlegeringen komen veel voor.
De magnetische momenten van atomen in een ferromagnetisch materiaal zorgen ervoor dat ze zich gedragen als kleine permanente magneten. Ze plakken aan elkaar en combineren in kleine regio's met min of meer uniforme uitlijning, magnetische domeinen of Weiss-domeinen genoemd. Magnetische domeinen kunnen worden waargenomen met behulp van een magnetische krachtmicroscoop om magnetische domeingrenzen te onthullen die lijken op witte lijnen in een schets. Er zijn veel wetenschappelijke experimenten die magnetische velden fysiek kunnen laten zien.
Rol van domeinen
Als een domein te veel moleculen bevat, wordt het onstabiel en splitst het in twee domeinen die in tegengestelde richtingen zijn uitgelijnd om stabieler aan elkaar te blijven plakken, zoals rechts wordt weergegeven.
Bij blootstelling aan een magnetisch veld bewegen de domeingrenzen zodat magnetisch uitgelijnde domeinen groeien en de structuur domineren (gestippeld geel gebied), zoals links getoond. Wanneer het magnetiserende veld wordt verwijderd, keren de domeinen mogelijk niet terug naar een niet-gemagnetiseerde toestand. Dit leidt totomdat het ferromagnetische materiaal gemagnetiseerd is en een permanente magneet vormt.
Toen de magnetisatie sterk genoeg was zodat het dominante domein alle andere overlapte, wat leidde tot de vorming van slechts één afzonderlijk domein, was het materiaal magnetisch verzadigd. Wanneer een gemagnetiseerd ferromagnetisch materiaal wordt verwarmd tot de Curie-punttemperatuur, vermengen de moleculen zich tot het punt waarop de magnetische domeinen hun organisatie verliezen en de magnetische eigenschappen die ze veroorzaken ophouden. Wanneer het materiaal wordt afgekoeld, keert deze domeinuitlijningsstructuur spontaan terug, ongeveer analoog aan hoe een vloeistof kan bevriezen tot een kristallijne vaste stof.
Antferromagnetische
In een antiferromagneet, in tegenstelling tot een ferromagneet, hebben de intrinsieke magnetische momenten van naburige valentie-elektronen de neiging in tegengestelde richtingen te wijzen. Wanneer alle atomen in een stof zijn gerangschikt, zodat elke buur antiparallel is, is de stof antiferromagnetisch. Antiferromagneten hebben een netto magnetisch moment van nul, wat betekent dat ze geen veld creëren.
Antiferromagneten zijn zeldzamer dan andere soorten gedrag en worden het vaakst waargenomen bij lage temperaturen. Bij verschillende temperaturen vertonen antiferromagneten diamagnetische en ferromagnetische eigenschappen.
In sommige materialen wijzen naburige elektronen bij voorkeur in tegengestelde richtingen, maar er is geen geometrische opstelling waarin elk paar buren niet uitgelijnd is. Het heet spinglas enis een voorbeeld van geometrische frustratie.
Magnetische eigenschappen van ferromagnetische materialen
Net als ferromagnetisme behouden ferrimagnetten hun magnetisatie in afwezigheid van een veld. Echter, net als antiferromagneten, hebben aangrenzende paren elektronenspins de neiging om in tegengestelde richtingen te wijzen. Deze twee eigenschappen zijn niet in tegenspraak met elkaar omdat, in een optimale geometrische opstelling, het magnetische moment van een subrooster van elektronen die in dezelfde richting wijzen groter is dan van een subrooster dat in de tegenovergestelde richting wijst.
De meeste ferrieten zijn ferrimagnetisch. De magnetische eigenschappen van ferromagnetische materialen worden tegenwoordig als onmiskenbaar beschouwd. De eerste magnetische substantie die werd ontdekt, magnetiet, is een ferriet en werd oorspronkelijk beschouwd als een ferromagneet. Louis Neel weerlegde dit echter door ferrimagnetisme te ontdekken.
Als een ferromagneet of ferrimagneet klein genoeg is, fungeert deze als een enkele magnetische spin die onderhevig is aan Brownse beweging. Zijn reactie op een magnetisch veld is kwalitatief vergelijkbaar met die van een paramagneet, maar veel meer.
Elektromagneten
Een elektromagneet is een magneet waarin een magnetisch veld wordt gecreëerd door een elektrische stroom. Het magnetische veld verdwijnt wanneer de stroom wordt uitgeschakeld. Elektromagneten bestaan meestal uit een groot aantal dicht bij elkaar gelegen draadwindingen die een magnetisch veld creëren. Draadspoelen worden vaak gewikkeld rond een magnetische kern van ferromagnetisch of ferrimagnetisch materiaal.een materiaal zoals ijzer; de magnetische kern concentreert de magnetische flux en creëert een sterkere magneet.
Het belangrijkste voordeel van een elektromagneet ten opzichte van een permanente magneet is dat het magnetische veld snel kan worden veranderd door de hoeveelheid elektrische stroom in de wikkeling te regelen. In tegenstelling tot een permanente magneet, die geen stroom nodig heeft, heeft een elektromagneet echter een continue stroomtoevoer nodig om het magnetische veld te behouden.
Elektromagneten worden veel gebruikt als componenten van andere elektrische apparaten zoals motoren, generatoren, relais, elektromagneten, luidsprekers, harde schijven, MRI-machines, wetenschappelijke instrumenten en magnetische scheidingsapparatuur. Elektromagneten worden ook in de industrie gebruikt om zware ijzeren voorwerpen zoals schroot en staal vast te pakken en te verplaatsen. Elektromagnetisme werd ontdekt in 1820. Tegelijkertijd werd de eerste classificatie van materialen op basis van magnetische eigenschappen gepubliceerd.
