خواص مغناطیسی یک ماده دسته‌ای از پدیده‌های فیزیکی هستند که توسط میدان‌ها واسطه می‌شوند. جریان های الکتریکی و گشتاورهای مغناطیسی ذرات بنیادی میدانی ایجاد می کنند که بر جریان های دیگر اثر می گذارد. آشناترین اثرات در مواد فرومغناطیسی رخ می دهد که به شدت توسط میدان های مغناطیسی جذب می شوند و می توانند به طور دائم مغناطیسی شوند و خود میدان های باردار را ایجاد کنند.
فقط چند ماده فرومغناطیسی هستند. برای تعیین سطح توسعه این پدیده در یک ماده خاص، طبقه بندی مواد بر اساس خواص مغناطیسی وجود دارد. رایج ترین آنها آهن، نیکل و کبالت و آلیاژهای آنهاست. پیشوند ferro- به آهن اشاره دارد زیرا مغناطیس دائمی برای اولین بار در آهن خالی مشاهده شد، شکلی از سنگ آهن طبیعی به نام خواص مغناطیسی ماده، Fe3O4..
مواد پارامغناطیس
هر چندفرومغناطیس مسئول بیشتر تأثیرات مغناطیس است که در زندگی روزمره با آن مواجه می شویم، همه مواد دیگر تا حدی تحت تأثیر میدان هستند و همچنین برخی از انواع دیگر مغناطیس. مواد پارامغناطیس مانند آلومینیوم و اکسیژن به طور ضعیفی به یک میدان مغناطیسی اعمال شده جذب می شوند. مواد دیامغناطیسی مانند مس و کربن ضعیف دفع می‌کنند.
در حالی که مواد ضد فرومغناطیسی مانند کروم و شیشه های اسپین رابطه پیچیده تری با میدان مغناطیسی دارند. قدرت آهنربا بر روی مواد پارامغناطیس، دیامغناطیس و ضد فرومغناطیسی معمولاً آنقدر ضعیف است که نمی‌توان آن را احساس کرد و تنها با ابزارهای آزمایشگاهی قابل تشخیص است، بنابراین این مواد در فهرست موادی که خاصیت مغناطیسی دارند گنجانده نمی‌شوند.
شرایط
حالت (یا فاز) مغناطیسی یک ماده به دما و سایر متغیرها مانند فشار و میدان مغناطیسی اعمال شده بستگی دارد. یک ماده می تواند بیش از یک شکل مغناطیس را با تغییر این متغیرها نشان دهد.
تاریخ
خواص مغناطیسی یک ماده اولین بار در دنیای باستان زمانی کشف شد که مردم متوجه شدند آهنرباها، قطعات معدنی که به طور طبیعی مغناطیسی شده اند، می توانند آهن را جذب کنند. کلمه "مگنت" از واژه یونانی Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos به معنای "سنگ مغناطیس، سنگ پا" گرفته شده است.
در یونان باستان، ارسطو اولین بحثی را که می‌توان آن را بحث علمی درباره خواص مغناطیسی مواد نامید، نسبت داد.فیلسوف تالس اهل میلتوس که از سال 625 قبل از میلاد می زیست. ه. قبل از 545 قبل از میلاد ه. متن پزشکی هند باستانی Sushruta Samhita استفاده از مگنتیت را برای از بین بردن فلش های فرو رفته در بدن انسان توصیف می کند.
چین باستان
در چین باستان، اولین اشاره ادبی به خواص الکتریکی و مغناطیسی مواد در کتابی در قرن چهارم قبل از میلاد به نام نویسنده آن، حکیم دره ارواح، یافت می شود. اولین اشاره به جاذبه سوزنی در اثر قرن اول Lunheng (درخواستهای متوازن) است: "آهنربا سوزن را جذب می کند."
دانشمند چینی قرن یازدهم، شن کو، اولین کسی بود که - در مقاله استخر رویایی - یک قطب‌نمای مغناطیسی با یک سوزن را توصیف کرد و اینکه دقت ناوبری را از طریق روش‌های نجومی بهبود بخشید. مفهوم شمال واقعی در قرن دوازدهم، چینی‌ها به استفاده از قطب‌نمای آهنربایی برای ناوبری معروف بودند. آنها قاشق راهنما را از سنگ درست کردند تا دسته قاشق همیشه به سمت جنوب باشد.
قرون وسطا
Alexander Neckam تا سال 1187 اولین کسی بود که در اروپا قطب نما و استفاده از آن را برای ناوبری توصیف کرد. این محقق برای اولین بار در اروپا به طور کامل خواص مواد مغناطیسی را مشخص کرد. در سال 1269 پیتر پرگرین د ماریکور Epistola de Magnete را نوشت که اولین رساله باقی مانده در توصیف خواص آهنربا بود. در سال 1282، خواص قطب نماها و مواد با خواص مغناطیسی خاص توسط الاشرف، فیزیکدان، ستاره شناس و جغرافی دان یمنی شرح داده شد..
رنسانس
در سال 1600، ویلیام گیلبرت منتشر کرد"جسم مغناطیسی" و "تلوریوم مغناطیسی" او ("درباره آهنربا و اجسام مغناطیسی، و همچنین روی آهنربای بزرگ زمین"). در این مقاله، او بسیاری از آزمایش‌های خود را با زمین مدل خود، به نام ترلا، توصیف می‌کند که با آن تحقیقاتی در مورد خواص مواد مغناطیسی انجام داد.
از آزمایشات خود به این نتیجه رسید که خود زمین مغناطیسی است و به همین دلیل است که قطب نماها به سمت شمال هستند (قبلاً برخی معتقد بودند که این ستاره قطبی (Polaris) یا یک جزیره مغناطیسی بزرگ در شمال است. قطبی که قطب نما را جذب کرد).
زمان جدید
درک رابطه بین الکتریسیته و مواد با خواص مغناطیسی خاص در سال 1819 در کار هانس کریستین اورستد، استاد دانشگاه کپنهاگ ظاهر شد، که با چرخاندن تصادفی سوزن قطب نما در نزدیکی یک سیم متوجه شد که یک برق وجود دارد. جریان می تواند میدان مغناطیسی ایجاد کند. این آزمایش برجسته به عنوان آزمایش Oersted شناخته می شود. چندین آزمایش دیگر با آندره ماری آمپر دنبال شد، که در سال 1820 کشف کرد که یک میدان مغناطیسی در حال گردش در یک مسیر بسته مربوط به جریانی است که در اطراف محیط مسیر جریان دارد.
کارل فردریش گاوس به مطالعه مغناطیس مشغول بود. ژان باپتیست بیوت و فلیکس ساوارت در سال 1820 قانون بیوت ساوارت را ارائه کردند که معادله مورد نظر را به دست می دهد. مایکل فارادی، که در سال 1831 کشف کرد که یک شار مغناطیسی متغیر با زمان از طریق یک حلقه سیم باعث ایجاد ولتاژ می شود. و دانشمندان دیگر ارتباط بیشتری بین مغناطیس و الکتریسیته پیدا کرده اند.
قرن بیستم و مازمان
James Clerk Maxwell این درک از معادلات ماکسول را با متحد کردن الکتریسیته، مغناطیس و اپتیک در زمینه الکترومغناطیس سنتز و گسترش داد. در سال 1905، انیشتین از این قوانین استفاده کرد تا نظریه نسبیت خاص خود را با الزام این که قوانین در همه چارچوب های مرجع اینرسی درست باشند، برانگیخت.
الکترومغناطیس به تکامل خود در قرن بیست و یکم ادامه داد و در تئوری های اساسی تر نظریه گیج، الکترودینامیک کوانتومی، نظریه الکتروضعیف و در نهایت مدل استاندارد گنجانده شد. امروزه دانشمندان در حال بررسی خواص مغناطیسی مواد نانوساختار با قدرت و اصل هستند. اما احتمالاً بزرگترین و شگفت انگیزترین اکتشافات در این زمینه هنوز در پیش روی ما هستند.
جوهر
خواص مغناطیسی مواد عمدتاً به دلیل گشتاورهای مغناطیسی الکترون های مداری اتم های آنها است. گشتاورهای مغناطیسی هسته‌های اتمی معمولاً هزاران بار کوچک‌تر از ممان‌های مغناطیسی الکترون‌ها هستند و بنابراین در زمینه مغناطیسی مواد ناچیز هستند. با این حال، گشتاورهای مغناطیسی هسته‌ای در زمینه‌های دیگر، به ویژه در تشدید مغناطیسی هسته‌ای (NMR) و تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) بسیار مهم هستند.
معمولاً تعداد زیادی الکترون در یک ماده به گونه ای مرتب می شوند که گشتاورهای مغناطیسی آنها (اعم از مداری و داخلی) باطل می شوند. تا حدودی، این به این دلیل است که الکترون‌ها در نتیجه اصل پائولی به صورت جفت با گشتاورهای مغناطیسی ذاتی مخالف ترکیب می‌شوند (به پیکربندی الکترون مراجعه کنید) و در زیر پوسته‌های پر شده با حرکت خالص مداری صفر ترکیب می‌شوند.
Bدر هر دو مورد، الکترون ها عمدتاً از مدارهایی استفاده می کنند که در آن گشتاور مغناطیسی هر الکترون توسط گشتاور مخالف الکترون دیگر خنثی می شود. علاوه بر این، حتی زمانی که پیکربندی الکترون به گونه‌ای است که الکترونهای جفت‌نشده و/یا لایه‌های فرعی پر نشده وجود داشته باشد، اغلب این اتفاق می‌افتد که الکترونهای مختلف در یک جامد گشتاورهای مغناطیسی را وارد می‌کنند که در جهات مختلف و تصادفی قرار می‌گیرند، به‌طوری که ماده به‌طور تصادفی تبدیل نمی‌شود. مغناطیسی.
گاهی اوقات، به طور خود به خود یا به دلیل یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال شده، هر یک از گشتاورهای مغناطیسی الکترون ها به طور متوسط در یک ردیف قرار می گیرند. سپس ماده مناسب می تواند یک میدان مغناطیسی خالص قوی ایجاد کند.
رفتار مغناطیسی یک ماده به ساختار آن، به ویژه به پیکربندی الکترونیکی آن، به دلایل ذکر شده در بالا، و همچنین به دما بستگی دارد. در دماهای بالا، حرکت حرارتی تصادفی تراز کردن الکترون‌ها را دشوار می‌کند.
Diamagnetism
دیامغناطیس در همه مواد یافت می شود و تمایل یک ماده به مقاومت در برابر میدان مغناطیسی اعمال شده و در نتیجه دفع میدان مغناطیسی است. با این حال، در ماده ای با خواص پارامغناطیس (یعنی با تمایل به تقویت یک میدان مغناطیسی خارجی)، رفتار پارامغناطیس غالب است. بنابراین، با وجود وقوع جهانی، رفتار دیامغناطیس فقط در یک ماده دیا مغناطیسی صرف مشاهده می شود. هیچ الکترون جفت نشده ای در یک ماده دیامغناطیسی وجود ندارد، بنابراین گشتاورهای مغناطیسی ذاتی الکترون ها نمی توانند ایجاد کنند.هر اثر حجمی.
لطفاً توجه داشته باشید که این توصیف فقط به عنوان یک اکتشافی در نظر گرفته شده است. قضیه بور-ون لیوون نشان می‌دهد که دیامغناطیس بر اساس فیزیک کلاسیک غیرممکن است و درک صحیح نیاز به توصیف مکانیک کوانتومی دارد.
توجه داشته باشید که همه مواد از این پاسخ مداری عبور می کنند. با این حال، در مواد پارامغناطیس و فرومغناطیسی، اثر دیامغناطیس توسط اثرات بسیار قوی تر ناشی از الکترون های جفت نشده سرکوب می شود.
در یک ماده پارامغناطیس الکترونهای جفت نشده وجود دارد. یعنی اوربیتال های اتمی یا مولکولی که دقیقاً یک الکترون در آنها وجود دارد. در حالی که اصل طرد پائولی مستلزم آن است که الکترونهای جفتی دارای گشتاورهای مغناطیسی ("اسپین") خود باشند که در جهت مخالف قرار می‌گیرند، که باعث می‌شود میدان‌های مغناطیسی آنها خنثی شود، یک الکترون جفت نشده می‌تواند گشتاور مغناطیسی خود را در هر جهت تراز کند. هنگامی که یک میدان خارجی اعمال می شود، این لحظات تمایل دارند در همان جهت میدان اعمال شده تراز شوند و آن را تقویت کنند.
فرومغناطیس
فرومغناطیس، به عنوان یک ماده پارامغناطیس، دارای الکترون های جفت نشده است. با این حال، علاوه بر تمایل گشتاور مغناطیسی ذاتی الکترون ها به موازی با میدان اعمال شده، در این مواد نیز تمایلی وجود دارد که این گشتاورهای مغناطیسی به موازات یکدیگر جهت گیری کنند تا حالت کاهش یافته را حفظ کنند. انرژی. بنابراین، حتی در صورت عدم وجود یک زمینه کاربردیگشتاورهای مغناطیسی الکترونهای موجود در ماده به‌طور خود به خود به موازات یکدیگر قرار می‌گیرند.
هر ماده فرومغناطیسی دمای خاص خود را دارد که دمای کوری یا نقطه کوری نامیده می شود که در بالای آن خاصیت فرومغناطیسی خود را از دست می دهد. این به این دلیل است که تمایل حرارتی به بی نظمی بر کاهش انرژی ناشی از نظم فرومغناطیسی غلبه می کند.
فرومغناطیس فقط در چند ماده رخ می دهد. آهن، نیکل، کبالت، آلیاژهای آنها و برخی از آلیاژهای خاکی کمیاب رایج هستند.
گشتاورهای مغناطیسی اتم ها در یک ماده فرومغناطیسی باعث می شود که آنها مانند آهنرباهای دائمی کوچک رفتار کنند. آنها به هم می چسبند و در مناطق کوچکی با هم ترازی کم و بیش یکنواخت به نام حوزه های مغناطیسی یا حوزه های ویس ترکیب می شوند. حوزه های مغناطیسی را می توان با استفاده از میکروسکوپ نیروی مغناطیسی مشاهده کرد تا مرزهای حوزه مغناطیسی را که شبیه خطوط سفید در یک طرح هستند، آشکار کند. آزمایش های علمی زیادی وجود دارد که می تواند میدان های مغناطیسی را به صورت فیزیکی نشان دهد.
نقش دامنه
هنگامی که یک دامنه حاوی تعداد زیادی مولکول باشد، ناپایدار می شود و به دو حوزه در جهت مخالف تقسیم می شود تا پایدارتر به هم بچسبند، همانطور که در سمت راست نشان داده شده است.
هنگامی که در معرض میدان مغناطیسی قرار می گیرند، مرزهای دامنه به گونه ای حرکت می کنند که دامنه های تراز مغناطیسی رشد می کنند و بر ساختار (ناحیه زرد نقطه چین)، همانطور که در سمت چپ نشان داده شده است، تسلط پیدا می کنند. وقتی میدان مغناطیسی حذف می شود، ممکن است دامنه ها به حالت غیر مغناطیسی باز نگردند. این منجر بهزیرا مواد فرومغناطیسی مغناطیسی می شوند و یک آهنربای دائمی تشکیل می دهند.
هنگامی که مغناطش به اندازه کافی قوی بود به طوری که حوزه غالب با سایر حوزه ها همپوشانی داشت و منجر به تشکیل تنها یک حوزه مجزا شد، ماده از نظر مغناطیسی اشباع شد. هنگامی که یک ماده فرومغناطیسی مغناطیسی تا دمای نقطه کوری گرم می شود، مولکول ها تا جایی مخلوط می شوند که حوزه های مغناطیسی سازماندهی خود را از دست می دهند و خواص مغناطیسی که ایجاد می کنند متوقف می شود. هنگامی که ماده سرد می شود، این ساختار هم ترازی دامنه به طور خود به خود باز می گردد، تقریبا مشابه نحوه یخ زدن مایع به یک جامد کریستالی.
ضدفرومغناطیس
در یک ضد فرومغناطیس، بر خلاف فرومغناطیس، گشتاورهای مغناطیسی ذاتی الکترون های ظرفیت همسایه تمایل دارند در جهت مخالف قرار گیرند. وقتی همه اتم ها در یک ماده قرار می گیرند به طوری که هر همسایه پاد موازی است، آن ماده ضد فرومغناطیسی است. ضد فرومغناطیس ها دارای گشتاور مغناطیسی خالص صفر هستند، به این معنی که میدانی ایجاد نمی کنند.
ضدفرومغناطیس ها نسبت به سایر انواع رفتار نادرتر هستند و اغلب در دماهای پایین مشاهده می شوند. در دماهای مختلف، ضد فرومغناطیس ها خواص دیامغناطیس و فرومغناطیسی از خود نشان می دهند.
در برخی مواد، الکترون های همسایه ترجیح می دهند در جهت مخالف قرار گیرند، اما آرایش هندسی وجود ندارد که در آن هر جفت همسایه ضد تراز باشند. به آن شیشه اسپین می گویند ونمونه ای از سرخوردگی هندسی است.
خواص مغناطیسی مواد فرومغناطیسی
مانند فرومغناطیس، آهنربای آهنی مغناطیسی خود را در غیاب میدان حفظ می کنند. با این حال، مانند پادفرومغناطیس ها، جفت اسپین های الکترونی مجاور نیز تمایل دارند در جهت مخالف قرار گیرند. این دو ویژگی با یکدیگر تضاد ندارند زیرا در آرایش هندسی بهینه، گشتاور مغناطیسی از زیرشبکه‌ای از الکترون‌ها که در یک جهت قرار می‌گیرند بیشتر از شبکه‌ای فرعی است که در جهت مخالف قرار می‌گیرد.
بیشتر فریت ها فری مغناطیسی هستند. امروزه خواص مغناطیسی مواد فرومغناطیسی غیر قابل انکار است. اولین ماده مغناطیسی کشف شده، مگنتیت، یک فریت است و در ابتدا تصور می شد که یک فرومغناطیس باشد. با این حال، لوئیس نیل با کشف فریمغناطیس این موضوع را رد کرد.
وقتی فرومغناطیس یا آهنربای آهنی به اندازه کافی کوچک است، به عنوان یک اسپین مغناطیسی منفرد عمل می کند که در معرض حرکت براونی است. پاسخ آن به میدان مغناطیسی از نظر کیفی شبیه به یک پارامغناطیس است، اما بسیار بیشتر.
الکترومغناطیس
آهنربای الکتریکی آهنربایی است که در آن میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی ایجاد می شود. با قطع جریان، میدان مغناطیسی ناپدید می شود. الکترومغناطیس ها معمولاً از تعداد زیادی پیچ سیم با فاصله نزدیک تشکیل شده اند که میدان مغناطیسی ایجاد می کنند. سیم‌پیچ‌ها اغلب به دور یک هسته مغناطیسی ساخته شده از مواد فرومغناطیسی یا فرومغناطیسی پیچیده می‌شوند.ماده ای مانند آهن؛ هسته مغناطیسی شار مغناطیسی را متمرکز می کند و آهنربای قوی تری ایجاد می کند.
مزیت اصلی آهنربای الکتریکی نسبت به آهنربای دائمی این است که میدان مغناطیسی را می توان با کنترل مقدار جریان الکتریکی در سیم پیچ به سرعت تغییر داد. با این حال، برخلاف آهنربای دائمی که نیازی به برق ندارد، یک آهنربای الکتریکی برای حفظ میدان مغناطیسی به جریان پیوسته نیاز دارد.
الکترومغناطیس ها به طور گسترده ای به عنوان اجزای سایر دستگاه های الکتریکی مانند موتورها، ژنراتورها، رله ها، سلونوئیدها، بلندگوها، هارد دیسک ها، دستگاه های MRI، ابزارهای علمی و تجهیزات جداسازی مغناطیسی استفاده می شوند. الکترومغناطیس همچنین در صنعت برای گرفتن و جابجایی اجسام آهنی سنگین مانند ضایعات فلزی و فولاد استفاده می شود. الکترومغناطیس در سال 1820 کشف شد. در همان زمان، اولین طبقه بندی مواد بر اساس خواص مغناطیسی منتشر شد.
