Każda substancja na świecie ma pewność właściwości magnetyczne. Mierzone są przepuszczalnością magnetyczną. W tym artykule rozważymy właściwości magnetyczne materii.
Hipoteza Ampère
Przepuszczalność magnetyczna pokazuje, ile razy mniej lub więcej indukcji pola magnetycznego w danym ośrodku indukcji pola magnetycznego w próżni.
Substancja, która wytwarza własne pole magnetyczne, nazywana jest namagnesowaną. Namagnesowanie występuje, gdy substancja znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym.
Francuski naukowiec Ampère ustalił przyczynę, której konsekwencją jest posiadanie przez ciała właściwości magnetycznych. Hipoteza Ampère'a mówi, że wewnątrz substancji znajdują się mikroskopijne prądy elektryczne(elektron ma swój moment magnetyczny, który ma charakter kwantowy, ruch orbitalny w atomach elektronów). To oni określają magnetyczne właściwości materii. Jeśli prądy mają nieuporządkowane kierunki, to pola magnetyczneże generują się wzajemnie znosząc. Ciało nie jest namagnesowane. Prądy te reguluje zewnętrzne pole magnetyczne. W rezultacie substancja ma własne pole magnetyczne. To jest magnetyzacja materii.
To właśnie poprzez reakcję substancji na zewnętrzne pole magnetyczne i uporządkowanie ich Struktura wewnętrzna, określić właściwości magnetyczne substancji. Zgodnie z tymi parametrami podzielono je na następujące grupy:
- Paramagnesy
- Diamagnesy
- ferromagnesy
- Antyferromagnetyki
Diamagnesy i paramagnesy
- Substancje, które mają ujemną podatność magnetyczną, niezależną od siły pola magnetycznego, nazywane są diamagnesami. Zobaczmy, jakie właściwości magnetyczne substancji nazywamy ujemną podatnością magnetyczną. To wtedy magnes zostaje przyniesiony do ciała, a jednocześnie jest odpychany, a nie przyciągany. Diamagnesy obejmują na przykład gazy obojętne, wodór, fosfor, cynk, złoto, azot, krzem, bizmut, miedź, srebro. Oznacza to, że są to substancje, które są w stanie nadprzewodzącym lub mają wiązania kowalencyjne.
- Paramagnesy. W przypadku tych substancji podatność magnetyczna również nie zależy od natężenia pola. Jest jednak pozytywna. Oznacza to, że gdy paramagnes zbliża się do magnesu stałego, powstaje siła przyciągania. Należą do nich aluminium, platyna, tlen, mangan, żelazo.
ferromagnesy
Substancje o wysokiej dodatniej podatności magnetycznej nazywane są ferromagnetykami. W tych substancjach, w przeciwieństwie do diamagnesów i paramagnesów, podatność magnetyczna zależy w dużym stopniu od temperatury i natężenia pola magnetycznego. Należą do nich kryształy niklu i kobaltu.
Antyferromagnetyki i ferrimagnetyki
- Substancje, w których podczas ogrzewania zachodzi przemiana fazowa danej substancji, której towarzyszy pojawienie się właściwości paramagnetycznych, nazywamy antyferromagnetykami. Jeśli temperatura spadnie poniżej określonej wartości, te właściwości substancji nie będą obserwowane. Przykładami tych substancji są mangan i chrom.
- Ferrimagnesy charakteryzują się obecnością w nich nieskompensowanego antyferromagnetyzmu. Ich podatność magnetyczna zależy również od temperatury i natężenia pola magnetycznego. Ale nadal mają różnice. Substancje te obejmują różne tlenki.
Wszystkie powyższe magnesy można dalej podzielić na 2 kategorie:
- twarde materiały magnetyczne. Są to materiały z wysoka wartość siła przymusu. Aby odwrócić ich namagnesowanie, konieczne jest wytworzenie silnego pola magnetycznego. Materiały te są wykorzystywane do produkcji magnesów trwałych.
- Natomiast miękkie materiały magnetyczne mają niewielką siłę przymusu. W słabych polach magnetycznych są w stanie wejść w nasycenie. Mają niskie straty na odwrócenie namagnesowania. Z tego powodu materiały te są używane do wytwarzania rdzeni do maszyn elektrycznych, które pracują prąd przemienny. Jest to na przykład transformator prądu i napięcia, generator lub silnik asynchroniczny.
Zbadaliśmy wszystkie podstawowe właściwości magnetyczne materii i ustaliliśmy, jakie rodzaje magnesów istnieją.
3.5 Magnetyczne właściwości materii
3.5.1 Magnetyki. Właściwości magnetyczne substancji
W poprzednim rozdziale założono, że przewody przewodzące prądy wytwarzające pole magnetyczne znajdują się w próżni. Jeśli przewody przewodzące prąd znajdują się w jakimkolwiek środowisku, zmienia się pole magnetyczne. Wyjaśnia to fakt, że każda substancja jest magnesem, to znaczy jest w stanie uzyskać moment magnetyczny (namagnesować) pod wpływem pola magnetycznego. Namagnesowana substancja wytwarza pole magnetyczne V " , który nakłada się na pole indukowane prądem V 0 . Oba pola sumują się do pola wynikowego
|
V = V 0 + V " |
Zjawisko to zostało po raz pierwszy odkryte przez Ampère'a, który stwierdził, że dodanie żelaznego rdzenia do solenoidu jest równoznaczne ze zwiększeniem liczby obrotów tego solenoidu. Następnie stwierdzono, że indukcja V pole magnetyczne w substancji może być zarówno większe, jak i mniejsze niż indukcja b 0 to samo pole w próżni. Dzieje się tak, ponieważ każda substancja w mniejszym lub większym stopniu ma swoje właściwości magnetyczne. V ".
Nazywa się substancje zdolne do zmiany parametrów pola magnetycznego magnesy. Aby scharakteryzować właściwości magnetyczne substancji, ilość μ = b/ b 0 , nazywa przepuszczalność magnetyczna tę substancję. Zgodnie z wartością przenikalności magnetycznej wszystkie magnesy dzielą się na trzy grupy.
a) Ponieważ wewnętrzne pole magnetyczne w diamagnesie jest skierowane przeciwko polu zewnętrznemu, moduł indukcyjny powstałego pola w diamagnesie jest mniejszy niż moduł indukcyjny pola w próżni, tj. V<V 0 . Więc substancje, które mają μ<. ja, nazywa diamagnety. Należą do nich np. pierwiastki Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, gazy obojętne i inne substancje. Przepuszczalność magnetyczna μ diamagnes jest niezależny od indukcji V 0 zewnętrzne pole magnetyczne.
b) Substancje paramagnetyczne składają się z atomów, w których orbitalne momenty magnetyczne elektronów nie są kompensowane. Dlatego atomy diamagnesu mają niezerowe momenty magnetyczne. Jednak przy braku zewnętrznego pola magnetycznego ruch termiczny atomów prowadzi do chaotycznego ułożenia ich momentów magnetycznych, w wyniku czego dowolna objętość paramagnetyka jako całości nie ma momentu magnetycznego.
Gdy paramagnes zostanie wprowadzony w zewnętrzne pole magnetyczne, jego atomy w mniejszym lub większym stopniu (w zależności od indukcji tego pola) są ułożone tak, że ich momenty magnetyczne są zorientowane w kierunku pola zewnętrznego. W rezultacie w paramagnecie powstaje wewnętrzne pole magnetyczne, którego indukcja B pokrywa się w kierunku z indukcją Bn pola zewnętrznego. Czyli moduł indukcji V wynikowe pole magnetyczne w paramagnecie jest większe niż moduł indukcji V 0 pola w próżni, tj. B>B 0 . Więc paramagnesy zwane substancjami, w których μ>1. Należą do nich w szczególności Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, tlen i wiele innych pierwiastków, a także roztwory niektórych soli. Przepuszczalność magnetyczna μ paramagnesy, podobnie jak diamagnety, nie zależą od indukcji V 0 zewnętrzne pole magnetyczne.
Należy zauważyć, że wartość μ dla dia- i paramagnesów różni się od jedności bardzo niewiele, tylko o wartość rzędu 10 -5 - 10 -6, dlatego dia- i paramagnesy są klasyfikowane jako substancje słabo magnetyczne.
c) W przeciwieństwie do dia- i paramagnesów, w których właściwości magnetyczne są określane przez orbitalne momenty magnetyczne elektronów atomowych, właściwości magnetyczne ferromagnetyków wynikają z spinowych momentów magnetycznych elektronów. Substancje ferromagnetyczne (zawsze o strukturze krystalicznej) składają się z atomów, w których nie wszystkie elektrony mają wzajemnie zniesione spinowe momenty magnetyczne.
W ferromagnecie występują obszary spontaniczne ( spontaniczny ) namagnesowania, które nazywamy domeny. (Wielkość domen wynosi około 10 -4 - 10 -7 m.) W każdej domenie spinowe momenty magnetyczne elektronów atomowych mają tę samą orientację, w wyniku czego domena jest namagnesowana do stanu nasycenia. Ponieważ przy braku zewnętrznego pola magnetycznego momenty magnetyczne domen są zorientowane losowo, ferromagnetyczna próbka w takich warunkach na ogół nie jest namagnesowana.
Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego momenty magnetyczne domen są zorientowane zgodnie z kierunkiem tego pola. W efekcie w ferromagnecie z indukcją magnetyczną powstaje silne wewnętrzne pole magnetyczne V", zbieżny w kierunku z indukcją magnetyczną pola zewnętrznego V 0 . Czyli moduł indukcji V wynikowe pole magnetyczne w ferromagnecie jest znacznie większe, pole w próżni, tj. NOCLEG ZE ŚNIADANIEM 0 . Kiedy wszystkie momenty magnetyczne domen pod działaniem zewnętrznego pola magnetycznego są zorientowane wzdłuż pola, następuje nasycenie próbki ferromagnetycznej.
Po osiągnięciu określonych punktów temperatury dla każdej substancji, zwanych powyżej punktem Curie, struktura domeny zostaje zniszczona, a ferromagnes traci swoje nieodłączne właściwości.
Tak więc substancje, w których μ»1 są nazywane ferromagnesy. Należą do nich pierwiastki Fe, Co, Ni, Gd i wiele stopów. W zewnętrznym polu magnetycznym próbka ferromagnetyczna zachowuje się jak paramagnes. Jednak przenikalność magnetyczna μ ferromagnesu zależy od natężenia h zewnętrzne pole magnetyczne i zmienia się w dość szerokim zakresie, w wyniku czego zależność B =F(h) jest nieliniowy . Wartości μ dla niektórych stopów sięgają dziesiątek tysięcy. Dlatego ferromagnesy zaliczane są do substancji silnie magnetycznych.
Na każdy ferromagnes przypada określona temperatura, zwana Punkt Curie, po podgrzaniu powyżej której dana substancja traci swoje właściwości ferromagnetyczne i zamienia się w paramagnet. Na przykład dla Fe punkt Curie wynosi 1043 K, a dla Ni 631 K.
Aby wyjaśnić proces magnetyzacji ciał, Ampère zasugerował, że prądy kołowe (prądy molekularne) krążą w cząsteczkach materii. Każdy taki prąd ma moment magnetyczny i wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. W przypadku braku pola zewnętrznego prądy molekularne są zorientowane losowo, w wyniku czego wynikające z nich pole wynosi zero. Ze względu na losową orientację momentów magnetycznych poszczególnych cząsteczek, całkowity moment magnetyczny ciała jest również równy zeru. Pod działaniem pola momenty magnetyczne cząsteczek uzyskują dominującą orientację w jednym kierunku, w wyniku czego magnes jest namagnesowany - jego całkowity moment magnetyczny staje się różny od zera. Pola magnetyczne poszczególnych prądów molekularnych w tym przypadku przestają się kompensować i powstaje pole V". Namagnesowanie magnesu jest naturalnie charakteryzowane przez moment magnetyczny na jednostkę objętości. Ta wartość nazywa się namagnesowanie i oznaczone literą J. Namagnesowanie zwykle kojarzy się nie z indukcją magnetyczną, ale z natężeniem pola. Zakłada się, że w każdym punkcie
W przeciwieństwie do podatności dielektrycznej, która może mieć tylko wartości dodatnie (polaryzacja r w dielektryku izotropowym jest zawsze skierowany wzdłuż pola mi), podatność magnetyczna χ jest zarówno pozytywna, jak i negatywna. Dlatego przenikalność magnetyczna μ może być większa lub mniejsza od jedności.
Namagnesowanie substancji słabo magnetycznych zmienia się liniowo wraz z natężeniem pola. Namagnesowanie ferromagnetyków h, zależy od h w skomplikowany sposób. Na rysunku - 3,39 dan krzywa magnetyzacji ferromagnes, którego moment magnetyczny początkowo wynosił zero. Już w polach rzędu kilku erstedów (~100 A/m) namagnesowanie J osiąga nasycenie. Główna krzywa namagnesowania na schemacie B - H pokazano na ryc. 59,2 (krzywa 0-1). Po osiągnięciu nasycenia V nadal rośnie od h zgodnie z prawem liniowym. Jeśli doprowadzimy namagnesowanie do nasycenia (punkt 1 na rysunku - 3,40), a następnie zmniejszyć natężenie pola magnetycznego, a następnie indukcję V nie podąża za oryginalną krzywą 0-1, a zmiany zgodnie z krzywą 1-2. W rezultacie, gdy siła pola zewnętrznego staje się równa zeru (punkt 2), namagnesowanie nie zanika i charakteryzuje się wartością V r , który jest nazywany indukcja resztkowa. Namagnesowanie jest ważne J r zwane namagnesowaniem szczątkowym.
|
|
|
|
Rysunek - 3,39 |
Rysunek - 3,40 |
Wprowadzenie V znika tylko pod wpływem pola h Z , o kierunku przeciwnym do pola, które spowodowało namagnesowanie. napięcie h Z nazywa siła przymusu.
Istnienie namagnesowania szczątkowego umożliwia wytwarzanie magnesów trwałych, czyli ciał, które bez zużywania energii na utrzymanie prądów makroskopowych mają moment magnetyczny i wytwarzają pole magnetyczne w swoim otoczeniu. Magnes trwały im lepiej zachowuje swoje właściwości, im większa siła przymusu materiału, z którego jest wykonany.
Gdy na ferromagnetyk działa zmienne pole magnetyczne, indukcja zmienia się zgodnie z krzywą / - 2 -3-4-5-1 (Rysunek - 3.40), który nazywa się pętla histerezy(podobną pętlę otrzymujemy na schemacie) J- h). Jeśli maksymalne wartości h są takie, że namagnesowanie osiąga nasycenie, uzyskuje się tzw. pętlę histerezy maksymalnej (pełna pętla na rysunku to 3,40). Jeśli przy wartościach amplitudy h nasycenie nie zostanie osiągnięte, uzyskuje się pętlę, zwaną pętlą częściową (pętla kropkowana na rysunku). Istnieje nieskończona liczba cykli prywatnych, wszystkie leżą w pętli maksymalnej histerezy. Histereza prowadzi do tego, że namagnesowanie ferromagnesu nie jest funkcją jednowartościową H, w dużej mierze zależało to od prehistorii próbki – na jakich polach była wcześniej.
Ze względu na niejednoznaczność zależności V z h pojęcie przenikalności magnetycznej dotyczy tylko głównej krzywej namagnesowania. Przenikalność magnetyczna ferromagnesów μ , dlatego podatność magnetyczna χ jest funkcją natężenia pola. Na rysunku - 3,41 ,a pokazana jest główna krzywa namagnesowania. (rysujemy prostą z początku współrzędnych przechodzącą przez dowolny punkt krzywej. Styczna kąta nachylenia: prosta jest proporcjonalna do stosunku V/N, t. e. przenikalność magnetyczna μ, dla odpowiedniej wartości naprężenia N. Ze wzrostem h od zera kąt nachylenia (a co za tym idzie μ ) pierwsze podwyżki. W punkcie 2 osiąga maksimum (bezpośrednio O jest styczna do krzywej), a następnie maleje. Na rysunku - 3,41, b podano wykres zależności μ z N. Z rysunku widać, że maksymalna wartość przepuszczalności osiągana jest nieco wcześniej niż nasycenie. Z nieograniczonym wzrostem h przepuszczalnie asymptotycznie zbliża się do jedności. Wynika to z faktu, że / w wyrażeniu μ = 1 - J/ h nie może przekraczać 1.
|
|
|
Rysunek - 3,41 |
Wielkie ilości V r (lub J r ), N Z oraz μ to główne cechy ferromagnesu. Jeśli siła przymusu h Z ma świetne wartość ferromagnesu nazywa się trudny. Posiada szeroką pętlę histerezy. ferromagnes z małym h Z (i odpowiednio wąską pętlę histerezy) nazywa się miękki. W zależności od celu brane są ferromagnetyki o takiej lub innej charakterystyce. Tak więc do magnesów trwałych użył twardych ferromagnesów, a miękkich do rdzeni transformatorów. Obecność punktu Curie w ferromagnetykach można zrozumieć, biorąc pod uwagę, że atomy uczestniczą w ruchu termicznym: dopóki temperatura jest niska, atomy zachowują równoległą orientację swoich momentów magnetycznych w domenach. Ale wraz ze wzrostem temperatury wzrasta również ruch termiczny, gdy substancja osiągnie określoną dla danej substancji temperaturę, ruch termiczny niszczy tę orientację – domena znika. Ponadto ferromagnes zachowuje się jak paramagnes.
Podstawy teorii ferromagnetyzmu zostały stworzone przez Ya I. Frenkla i W. Heisenberga w 1928 r. W naszych czasach magnesy i ich właściwości magnetyczne są szeroko stosowane w nauce i technice.
Jeśli przedmiot zostanie umieszczony w polu magnetycznym, to jego „zachowanie” i rodzaj wewnętrznych zmian strukturalnych będzie zależeć od materiału, z którego wykonany jest przedmiot. Wszystkie znane substancje można podzielić na pięć głównych grup: paramagnesy, ferromagnetyki i antyferromagnetyki, ferrimagnetyki i diamagnesy. Zgodnie z tą klasyfikacją rozróżnia się właściwości magnetyczne substancji. Aby zrozumieć, co kryje się za tymi terminami, rozważymy każdą grupę bardziej szczegółowo.
Substancje wykazujące właściwości paramagnetyzmu charakteryzują się przenikalnością magnetyczną ze znakiem dodatnim i niezależnie od wartości natężenia zewnętrznego pola magnetycznego, w którym znajduje się przedmiot. Najbardziej znanymi przedstawicielami tej grupy są gazowy tlen, metale ziem alkalicznych i grupy alkaliczne, a także sole żelaza.
Ferromagnesy charakteryzują się wysoką podatnością magnetyczną znaku dodatniego (dochodząca do 1 miliona). W zależności od natężenia pola zewnętrznego i temperatury podatność zmienia się w szerokim zakresie. Należy zauważyć, że ponieważ momenty cząstek elementarnych różnych podsieci w strukturze są równe, całkowita wartość momentu wynosi zero.
Zarówno w nazwie, jak iw niektórych właściwościach substancje ferrimagnetyczne są im bliskie. Łączy je duża zależność podatności od nagrzewania i wartości natężenia pola, ale są też różnice. atomy umieszczone w podsieciach nie są sobie równe, dlatego w przeciwieństwie do poprzedniej grupy moment całkowity jest niezerowy. Substancja jest nieodłącznie związana z samoistnym namagnesowaniem. Połączenie podsieci jest antyrównoległe. Najbardziej znane są ferryty. Właściwości magnetyczne substancji z tej grupy są wysokie, dlatego są często wykorzystywane w technice.
Szczególnie interesująca jest grupa antyferromagnetyków. Gdy takie substancje są schładzane poniżej pewnej granicy temperatury, atomy i ich jony znajdujące się w strukturze sieci krystalicznej w naturalny sposób zmieniają swoje momenty magnetyczne, uzyskując orientację antyrównoległą. Zupełnie inny proces zachodzi, gdy substancja jest podgrzewana – rejestruje właściwości magnetyczne charakterystyczne dla grupy paramagnesów. Przykładami są węglany, tlenki itp.
Liczne eksperymenty wskazują, że wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym są namagnesowane i wytwarzają własne pole magnetyczne, którego działanie dodaje się do działania zewnętrznego pola magnetycznego:
gdzie jest indukcja magnetyczna pola w substancji; - indukcja magnetyczna pola w próżni, - indukcja magnetyczna pola w wyniku namagnesowania materii.
W takim przypadku substancja może wzmocnić lub osłabić pole magnetyczne. Wpływ substancji na zewnętrzne pole magnetyczne charakteryzuje się wartością zwaną przenikalnością magnetyczną substancji
Przepuszczalność magnetyczna jest fizyczną wartością skalarną pokazującą, ile razy indukcja pola magnetycznego w danej substancji różni się od indukcji pola magnetycznego w próżni.
Substancje, które osłabiają zewnętrzne pole magnetyczne, nazywane są diamagnety(bizmut, azot, hel, dwutlenek węgla, woda, srebro, złoto, cynk, kadm itp.).
Substancje wzmacniające zewnętrzne pole magnetyczne - paramagnesy(sole glinu, tlenu, platyny, miedzi, wapnia, chromu, manganu, kobaltu itp.).
Dla diamagnesów >1. Ale w obu przypadkach różnica od 1 jest niewielka (kilka dziesięciotysięcznych lub stutysięcznych jednostki). Na przykład bizmut = 0,9998 = 1,000.
Niektóre substancje (żelazo, kobalt, nikiel, gadolin i różne stopy) powodują bardzo duży wzrost pola zewnętrznego. Nazywają się ferromagnesy. Dla nich = 10 3 -10 5 .
Ampère po raz pierwszy wyjaśnił powody, dla których ciała mają właściwości magnetyczne. Zgodnie z jego hipotezą, w cząsteczkach i atomach krążą elementarne prądy elektryczne, które określają właściwości magnetyczne każdej substancji.
Obecnie ustalono, że wszystkie atomy i cząstki elementarne rzeczywiście mają właściwości magnetyczne. O właściwościach magnetycznych atomów decydują głównie elektrony składowe.
Zgodnie z półklasycznym modelem atomu zaproponowanym przez E. Rutherforda i N. Bohra elektrony w atomach poruszają się wokół jądra po zamkniętych orbitach (w pierwszym przybliżeniu można przyjąć, że są kołowe). Ruch elektronu można przedstawić jako elementarny prąd kołowy, gdzie e jest ładunkiem elektronu, v jest częstotliwością obrotu elektronu na orbicie. Prąd ten tworzy pole magnetyczne, które charakteryzuje się momentem magnetycznym, jego moduł określa wzór , gdzie S jest obszarem orbity.
Moment magnetyczny elektronu spowodowany jego ruchem wokół jądra nazywa się orbitalny moment magnetyczny. Orbitalny moment magnetyczny jest wielkością wektorową, a kierunek jest określany przez regułę śruby prawej ręki. Jeżeli elektron porusza się zgodnie z ruchem wskazówek zegara (rys. 1), to prądy są skierowane przeciwnie do ruchu wskazówek zegara (w kierunku ruchu) ładunek dodatni), a wektor jest prostopadły do płaszczyzny orbity.
Ponieważ orbity różnych elektronów w atomie nie pokrywają się, ich momenty magnetyczne są skierowane do siebie pod różnymi kątami. Powstały orbitalny moment magnetyczny atomu wieloelektronowego jest równy sumie wektorowej orbitalnych momentów magnetycznych poszczególnych elektronów.
Atomy z częściowo wypełnionymi powłokami elektronowymi mają nieskompensowany orbitalny moment magnetyczny. W atomach z wypełnionymi powłokami elektronowymi jest równy 0.
Oprócz orbitalnego momentu magnetycznego elektron ma również własny (wirujący) moment magnetyczny, który został po raz pierwszy założony przez O. Sterna i V. Gerlacha w 1922 roku. Istnienie pola magnetycznego w elektronie tłumaczy się jego obrotem wokół własnej osi, chociaż nie należy dosłownie porównywać elektronu do obracającej się naładowanej kuli (u góry ).
Niezawodnie ustalono, że pole magnetyczne elektronu jest tą samą integralną własnością, co jego masa i ładunek. Elektron, w bardzo przybliżonym przybliżeniu, można przedstawić jako bardzo małą kulkę otoczoną polami elektrycznymi i magnetycznymi (ryc. 2). Pola magnetyczne wszystkich elektronów są takie same, podobnie jak ich masy i ładunki. Spinowy moment magnetyczny jest wektorem skierowanym wzdłuż osi obrotu. Może orientować się tylko na dwa sposoby: albo wzdłuż... albo przeciw... Jeśli w miejscu, w którym znajduje się elektron, istnieje zewnętrzne pole magnetyczne, to albo wzdłuż pola, albo przeciwnie. Jak pokazano w Fizyka kwantowa, tylko dwa elektrony mogą być w tym samym stanie energetycznym, których spinowe momenty magnetyczne są przeciwne (zasada Pauliego).
W atomach wieloelektronowych spinowe momenty magnetyczne poszczególnych elektronów, jak również momenty orbitalne, sumują się jako wektory. W tym przypadku wypadkowy spinowy moment magnetyczny atomu dla atomów z wypełnionymi powłokami elektronowymi wynosi 0.
Całkowity moment magnetyczny atomu (cząsteczki) jest równy sumie wektorowej momentów magnetycznych (orbitalnego i spinowego) elektronów wchodzących do atomu (cząsteczki):
Diamagnety składają się z atomów, które w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego nie mają własnych momentów magnetycznych, ponieważ wszystkie spiny i orbitalne momenty magnetyczne są dla nich kompensowane.
Zewnętrzne pole magnetyczne nie działa na cały atom diamagnesu, ale działa na poszczególne elektrony atomu, których momenty magnetyczne są niezerowe. Wpuść ten moment prędkość elektronu tworzy pewien kąt (rys. 3) z indukcją magnetyczną pola zewnętrznego.
Ze względu na składową na elektron działa siła Lorentza (skierowana do nas na rys. 3), co spowoduje dodatkowy (poza innymi ruchami, w których elektron uczestniczy przy braku pola) ruch po okręgu. Ale ten ruch jest dodatkowym prądem kołowym, który wytworzy pole magnetyczne, charakteryzujące się momentem magnetycznym (indukowanym), skierowanym zgodnie z regułą prawej śruby w kierunku. W efekcie diamagnety osłabiają zewnętrzne pole magnetyczne.
Paramagnesy składają się z atomów, które mają wypadkowy moment magnetyczny atomu. W przypadku braku pola zewnętrznego momenty te są zorientowane losowo, a substancja jako całość nie wytwarza wokół siebie pola magnetycznego. Gdy paramagnesy zostaną umieszczone w polu magnetycznym, dominujący orientacja wektorów wzdłuż pola (zapobiega temu ruch termiczny cząstek). W ten sposób paramagnes zostaje namagnesowany, tworząc własne pole magnetyczne, pokrywające się w kierunku z polem zewnętrznym i wzmacniając je. Ten efekt nazywa się paramagnetycznym. Gdy zewnętrzne pole magnetyczne jest osłabione do zera, orientacja momentów magnetycznych jest spowodowana ruch termiczny jest uszkodzony, a paramagnes jest rozmagnesowany. W paramagnetykach również obserwuje się efekt diamagnetyczny, ale jest on znacznie słabszy niż paramagnetyczny.
WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE I STRUKTURA SUBSTANCJI
Magnetochemia to dział chemii zajmujący się badaniem właściwości magnetycznych substancji, a także ich związku ze strukturą cząsteczek. Jej powstanie jako nauki można przypisać początkom XX wieku, kiedy odkryto podstawowe prawa magnetyzmu.
WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE SUBSTANCJI
Magnetyzm - fundamentalna własność materiał. Od czasów starożytnych znana była właściwość magnesów trwałych do przyciągania przedmiotów żelaznych. Rozwój elektromagnetyzmu umożliwił stworzenie elektromagnesów silniejszych niż stałe występujące w przyrodzie. Ogólnie rzecz biorąc, różne urządzenia i urządzenia oparte na wykorzystaniu zjawisk elektromagnetycznych są tak rozpowszechnione, że obecnie nie można sobie wyobrazić bez nich życia.
Jednak nie tylko magnesy trwałe oddziałują z polem magnetycznym, ale także wszystkie inne substancje. Pole magnetyczne oddziałujące z materią zmienia swoją wielkość w stosunku do próżni (tu i poniżej wszystkie wzory są zapisane w układzie SI):
gdzie µ 0 jest stałą magnetyczną równą 4p 10 -7 Gn/m, µ jest przenikalnością magnetyczną substancji, B jest indukcją magnetyczną (w T), H jest natężeniem pola magnetycznego (w A/m). Dla większości substancji m jest bardzo bliskie jedności, więc w magnetochemii, gdzie głównym obiektem jest cząsteczka, wygodniej jest użyć wartości c, która nazywana jest podatnością magnetyczną. Można go przypisać jednostce objętości, masie lub ilości substancji, wtedy nazywa się to odpowiednio objętością (bezwymiarową) życiorys, konkretny płyta CD(w cm3/g) lub molowych cm(w cm3/mol) podatność magnetyczna.
Substancje można podzielić na dwie kategorie: te, które osłabiają pole magnetyczne (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), są paramagnetykami. Można sobie wyobrazić, że w niejednorodnym polu magnetycznym siła działa na diamagnes, wypychając go z pola, a na paramagnes przeciwnie, wciąga go. Stanowi to podstawę omówionych poniżej metod pomiaru właściwości magnetycznych substancji. Diamagnesy (a jest to zdecydowana większość związków organicznych i wielkocząsteczkowych) a przede wszystkim paramagnesy są przedmiotem badań magnetochemii.
Diamagnetyzm jest najważniejszą właściwością materii, ponieważ pod wpływem pola magnetycznego elektrony w wypełnionych powłokach elektronowych (które można przedstawić jako małe przewodniki) zaczynają wyprzedzać i, jak wiadomo, każdy ruch ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne, które zgodnie z zasadą Lenza będzie skierowane tak, aby zmniejszyć oddziaływanie pola zewnętrznego. W tym przypadku precesję elektroniczną można uznać za prądy kołowe. Diamagnetyzm jest charakterystyczny dla wszystkich substancji, z wyjątkiem atomowego wodoru, ponieważ wszystkie substancje mają sparowane elektrony i wypełnione powłoki elektronowe.
Paramagnetyzm jest spowodowany niesparowanymi elektronami, które są tak nazywane, ponieważ ich własny moment magnetyczny (spin) nie jest niczym zrównoważony (odpowiednio spiny sparowanych elektronów są skierowane w przeciwnych kierunkach i wzajemnie się kompensują). W polu magnetycznym spiny mają tendencję do ustawiania się w kierunku pola, wzmacniając je, chociaż porządek ten jest zakłócany przez chaotyczny ruch termiczny. Widać zatem wyraźnie, że podatność paramagnetyczna zależy od temperatury – im niższa temperatura, tym wyższa wartość podatności.
Ten rodzaj podatności magnetycznej nazywany jest również paramagnetyzmem orientacyjnym, ponieważ jego przyczyną jest orientacja elementarnych momentów magnetycznych w zewnętrznym polu magnetycznym.
Właściwości magnetyczne elektronów w atomie można opisać na dwa sposoby. W pierwszej metodzie uważa się, że własny (spinowy) moment magnetyczny elektronu nie wpływa na moment orbitalny (ze względu na ruch elektronów wokół jądra) lub odwrotnie. Dokładniej, to wzajemny wpływ zawsze istnieje (oddziaływanie spin-orbita), ale dla jonów 3d jest małe, a właściwości magnetyczne można opisać z wystarczającą dokładnością dwiema liczbami kwantowymi L (orbital) i S (spin). Dla cięższych atomów takie przybliżenie staje się niedopuszczalne i wprowadza się jeszcze jedną liczbę kwantową całkowitego momentu magnetycznego J, która może przyjmować wartości od | L+S | przed | L-S |
Należy zwrócić uwagę na małą energię oddziaływania magnetycznego (dla temperatur pokojowych i pól magnetycznych powszechnych w laboratorium energia oddziaływań magnetycznych jest o trzy do czterech rzędów wielkości mniejsza niż energia ruchu termicznego cząsteczek).
Istnieje wiele substancji, które przy obniżeniu temperatury najpierw zachowują się jak paramagnesy, a po osiągnięciu określonej temperatury dramatycznie zmieniają się ich właściwości magnetyczne. Najbardziej znanym przykładem są ferromagnetyki i substancja, od której zostały nazwane, żelazo, którego atomowe momenty magnetyczne poniżej temperatury Curie układają się w tym samym kierunku, powodując spontaniczne namagnesowanie. Jednak makroskopowe namagnesowanie nie występuje przy braku pola, ponieważ próbka jest spontanicznie podzielona na obszary o wielkości około 1 μm, zwane domenami, w których elementarne momenty magnetyczne są skierowane w ten sam sposób, ale namagnesowania różnych domen są zorientowane losowo i średnio kompensują się nawzajem. Siły, które powodują przejście ferromagnetyczne, można wyjaśnić jedynie za pomocą praw mechaniki kwantowej.
Antyferromagnetyki charakteryzują się tym, że spinowe momenty magnetyczne w temperaturze przejścia antyferromagnetycznego (temperatura Néela TN) są uporządkowane w taki sposób, że wzajemnie się znoszą.
Jeśli kompensacja momentów magnetycznych jest niepełna, to takie substancje nazywamy ferrimagnesami, na przykład Fe2O3 i FeCr2O4. Ostatnie trzy klasy związków to ciała stałe i są badane głównie przez fizyków. W ciągu ostatnich dziesięcioleci fizycy i chemicy stworzyli nowe materiały magnetyczne.
W cząsteczce zawierającej niesparowany elektron pozostałe (sparowane) elektrony osłabiają pole magnetyczne, ale wkład każdego z nich jest o dwa do trzech rzędów wielkości mniejszy. Jeśli jednak chcemy bardzo dokładnie zmierzyć właściwości magnetyczne niesparowanych elektronów, to musimy wprowadzić tzw. poprawki diamagnetyczne, zwłaszcza dla dużych organiczne molekuły, gdzie mogą osiągnąć kilkadziesiąt procent. Podatności diamagnetyczne atomów w cząsteczce sumują się zgodnie z zasadą addytywności Pascala-Langevina. W tym celu podatności diamagnetyczne atomów każdego typu mnoży się przez liczbę takich atomów w cząsteczce, a następnie wprowadza się poprawki konstytutywne dla cech strukturalnych (wiązania podwójne i potrójne, pierścienie aromatyczne itp.). Przejdźmy do rozważenia, w jaki sposób badane są eksperymentalnie właściwości magnetyczne substancji.
EKSPERYMENTALNY POMIAR PODATNOŚCI MAGNETYCZNEJ
Główne metody eksperymentalne określania podatności magnetycznej powstały w ubiegłym stuleciu. Metoda Gouy'a mierzy zmianę masy próbki w polu magnetycznym w porównaniu z jej brakiem.
Metoda Faradaya mierzy siłę działającą na próbkę w niejednorodnym polu magnetycznym.
Główna różnica między metodą Gouy a metodą Faradaya polega na tym, że w pierwszym przypadku niejednorodność utrzymuje się wzdłuż (rozszerzonej) próbki, aw drugim przypadku wzdłuż pola magnetycznego.
Metoda Quincke jest stosowana tylko do płynów i roztworów. Mierzy zmianę wysokości słupa cieczy w kapilarze pod wpływem pola magnetycznego.
W tym przypadku dla cieczy diamagnetycznych wysokość kolumny maleje, dla cieczy paramagnetycznych wzrasta.
Metoda wiskozymetryczna mierzy czas przepływu płynu przez mały otwór przy włączonym (tH) i wyłączonym (t0) polu magnetycznym. Czas wypływu płynów paramagnetycznych w polu magnetycznym jest zauważalnie krótszy niż w przypadku braku pola i odwrotnie w przypadku płynów diamagnetycznych.
Podatność magnetyczną można również zmierzyć za pomocą spektrometru NMR. Należy zauważyć, że przesunięcie chemiczne sygnału NMR jest generalnie określane nie tylko przez stałą ekranowania, która jest miarą gęstości elektronowej na badanym jądrze, ale także przez podatność magnetyczną próbki.
Otrzymana wartość podatności magnetycznej dla paramagnesów jest określona przez liczbę niesparowanych elektronów (dla jednego niesparowanego elektronu)
Badania magnetochemiczne pozwalają na ustalenie konfiguracji elektronowej związków metali przejściowych, które stanowią podstawę chemii związków koordynacyjnych (złożonych).
Mierząc podatność magnetyczną, można łatwo ocenić stopień utlenienia i geometrię pierwszej sfery koordynacyjnej w kompleksie.
Wiadomo, że najważniejsze w praktyce reakcje chemiczne występują w roztworach, obejmują one również reakcje tworzenia kompleksów, dlatego w kolejnym rozdziale rozważymy właściwości magnetyczne roztworów, w których związki metali przejściowych są realizowane w postaci kompleksów.
PODOBNOŚĆ MAGNETYCZNA ROZWIĄZAŃ
Podczas przeprowadzki z ciało stałe do roztworu, należy wziąć pod uwagę podatność magnetyczną rozpuszczalnika i wszystkich substancji rozpuszczonych. W takim przypadku najprostszym sposobem uwzględnienia tego będzie sumowanie wkładów wszystkich składników rozwiązania zgodnie z zasadą addytywności. Zasada addytywności jest jedną z podstawowych zasad przetwarzania danych eksperymentalnych. Wszelkie odstępstwa od niej częściej wiążą się z tym, że spełniona jest sama zasada addytywności, a składniki roztworu zmieniają swoje właściwości. Dlatego przyjmuje się, że podatność magnetyczna roztworu jest równa sumie podatności magnetycznych poszczególnych składników z uwzględnieniem stężenia
Z badania właściwości magnetycznych tej samej substancji w różnych rozpuszczalnikach można wywnioskować, że mogą one znacząco zależeć od charakteru rozpuszczalnika. Można to wytłumaczyć wejściem cząsteczek rozpuszczalnika do pierwszej sfery koordynacyjnej i odpowiednią zmianą w strukturze elektronowej kompleksu, energiami orbitali d (D) i innymi właściwościami kompleksu solwatowego. Zatem magnetochemia umożliwia również badanie solwatacji, czyli oddziaływania substancji rozpuszczonej z rozpuszczalnikiem.
Jeżeli pole magnetyczne wpływa na właściwości roztworu, a liczne fakty doświadczalne (pomiary gęstości, lepkości, przewodności elektrycznej, stężenia protonów, podatności magnetycznej) wskazują, że tak jest, to należy uznać, że energia oddziaływania jednostki składowych roztworu i zbioru cząsteczek wody jest dość wysoki, to jest porównywalny lub przewyższa energię ruchu termicznego cząstek w roztworze, co uśrednia każdy wpływ na roztwór. Przypomnijmy, że energia oddziaływania magnetycznego jednej cząstki (cząsteczki) jest niewielka w porównaniu z energią ruchu termicznego. Takie oddziaływanie jest możliwe, jeśli przyjmiemy, że w wodzie i roztworach wodnych, ze względu na kooperacyjny charakter wiązań wodorowych, powstają duże lodowopodobne zespoły strukturalne cząsteczek wody, które pod wpływem rozpuszczonych substancji mogą ulegać wzmocnieniu lub zniszczeniu. energia powstawania takich „zespołów” jest podobno porównywalna z energią ruchu termicznego i pod wpływem magnetycznym rozwiązanie może ją zapamiętać i nabrać nowych właściwości, ale ruch Browna lub wzrost temperatury na pewien czas eliminuje tę „pamięć”.
Precyzyjnie dobierając stężenia substancji paramagnetycznych w rozpuszczalniku diamagnetycznym można wytworzyć ciecz niemagnetyczną, czyli taką, w której średnia podatność magnetyczna wynosi zero lub w której pola magnetyczne rozchodzą się dokładnie tak samo jak w próżni . Ta interesująca właściwość nie znalazła jeszcze zastosowania w technologii.
- W kontakcie z 0
- Google Plus 0
- ok 0
- Facebook 0
