Alla substanser i världen har vissa magnetiska egenskaper. De mäts med magnetisk permeabilitet. I den här artikeln kommer vi att överväga materiens magnetiska egenskaper.
Ampère hypotes
Magnetisk permeabilitet visar hur många gånger mindre eller mer magnetfältsinduktion i ett givet medium av magnetfältsinduktion i vakuum.
Ett ämne som skapar sitt eget magnetfält kallas magnetiserat. Magnetisering uppstår när ett ämne placeras i ett externt magnetfält.
Den franska forskaren Ampère fastställde orsaken, vars konsekvens är kropparnas besittning av magnetiska egenskaper. Ampères hypotes säger att inuti ämnet finns mikroskopiska elektriska strömmar(en elektron har sitt eget magnetiska moment, som har en kvantnatur, orbital rörelse i elektronatomer). Det är de som bestämmer materiens magnetiska egenskaper. Om strömmarna har oregelbundna riktningar, då magnetiska fält att de genererar tar ut varandra. Kroppen är inte magnetiserad. Ett externt magnetfält reglerar dessa strömmar. Som ett resultat har ämnet ett eget magnetfält. Detta är magnetiseringen av materia.
Det är just genom ämnens reaktion på ett externt magnetfält och genom ordningen av deras intern struktur, bestämma ett ämnes magnetiska egenskaper. I enlighet med dessa parametrar är de indelade i följande grupper:
- Paramagneter
- Diamagneter
- ferromagneter
- Antiferromagneter
Diamagneter och paramagneter
- Ämnen som har negativ magnetisk känslighet, oberoende av magnetfältets styrka, kallas diamagneter. Låt oss se vilka magnetiska egenskaper hos ett ämne som kallas negativ magnetisk känslighet. Det är när en magnet förs till kroppen, och samtidigt stöts den bort, inte attraheras. Diamagneter inkluderar till exempel inerta gaser, väte, fosfor, zink, guld, kväve, kisel, vismut, koppar, silver. Det vill säga, det är ämnen som är i supraledande tillstånd eller har kovalenta bindningar.
- Paramagneter. För dessa ämnen är den magnetiska känsligheten inte heller beroende av vilken fältstyrka som finns. Hon är dock positiv. Det vill säga när en paramagnet närmar sig en permanentmagnet uppstår en attraktionskraft. Dessa inkluderar aluminium, platina, syre, mangan, järn.
ferromagneter
Ämnen med hög positiv magnetisk känslighet kallas ferromagneter. I dessa ämnen, till skillnad från diamagneter och paramagneter, beror den magnetiska känsligheten på temperatur och magnetfältstyrka, och i stor utsträckning. Dessa inkluderar nickel- och koboltkristaller.
Antiferromagneter och ferrimagneter
- Ämnen i vilka, under uppvärmning, en fasövergång av ett visst ämne sker, åtföljd av uppkomsten av paramagnetiska egenskaper, kallas antiferromagneter. Om temperaturen blir under en viss, kommer dessa egenskaper hos ämnet inte att observeras. Exempel på dessa ämnen skulle vara mangan och krom.
- Ferrimagneter kännetecknas av närvaron av okompenserad antiferromagnetism i dem. Deras magnetiska känslighet beror också på temperatur och magnetfältstyrka. Men de har fortfarande skillnader. Dessa ämnen inkluderar olika oxider.
Alla ovanstående magneter kan delas in i två kategorier:
- hårda magnetiska material. Dessa är material från högt värde tvångskraft. För deras magnetiseringsomkastning är det nödvändigt att skapa ett kraftfullt magnetfält. Dessa material används vid tillverkning av permanentmagneter.
- Mjuka magnetiska material har tvärtom en liten tvångskraft. I svaga magnetfält kan de gå in i mättnad. De har låga förluster för magnetiseringsreversering. På grund av detta används dessa material för att tillverka kärnor för elektriska maskiner som körs på växelström. Detta är till exempel en ström- och spänningstransformator, eller en generator eller en asynkronmotor.
Vi undersökte materiens alla grundläggande magnetiska egenskaper och kom på vilka typer av magneter som finns.
3.5 Materias magnetiska egenskaper
3.5.1 Magnetik. Ämnes magnetiska egenskaper
I det föregående kapitlet antogs att trådarna som bär strömmar som skapar ett magnetfält befinner sig i ett vakuum. Om strömförande ledningar finns i någon miljö förändras magnetfältet. Detta förklaras av det faktum att vilket ämne som helst är en magnet, det vill säga det kan förvärva ett magnetiskt moment (magnetiseras) under påverkan av ett magnetfält. Ett magnetiserat ämne skapar ett magnetfält PÅ " , som överlagras på det ströminducerade fältet PÅ 0 . Båda fälten summerar till det resulterande fältet
|
PÅ = PÅ 0 + PÅ " |
Detta fenomen upptäcktes först av Ampère, som fann att att lägga till en järnkärna till en solenoid motsvarar att öka antalet amperevarv för den solenoiden. Därefter konstaterades att induktionen PÅ magnetfältet i ett ämne kan vara både större och mindre än induktionen B 0 samma fält i vakuum. Detta beror på att varje ämne, i större eller mindre utsträckning, har sina egna magnetiska egenskaper. PÅ ".
Ämnen som kan ändra parametrarna för ett magnetfält kallas magneter. För att karakterisera ämnens magnetiska egenskaper, kvantiteten μ = B/ B 0 , kallad magnetisk permeabilitet detta ämne. Enligt värdet av magnetisk permeabilitet är alla magneter indelade i tre grupper.
a) Eftersom det interna magnetfältet i diamagneten är riktat mot det externa fältet är induktionsmodulen för det resulterande fältet i diamagneten mindre än fältinduktionsmodulen i vakuum, d.v.s. PÅ<PÅ 0 . Så ämnen som har μ<. l, kallad diamagneter. Dessa inkluderar till exempel grundämnena Bi, Cu, Ag, Au, Hg, Be, CI, inerta gaser och andra ämnen. Magnetisk permeabilitet μ diamagnet är oberoende av induktion PÅ 0 yttre magnetfält.
b) Paramagnetiska ämnen består av atomer där elektronernas orbitala magnetiska moment inte kompenseras. Därför har atomerna i en diamagnet magnetiska moment som inte är noll. Men i frånvaro av ett externt magnetfält leder atomernas termiska rörelse till ett kaotiskt arrangemang av deras magnetiska moment, som ett resultat av vilket någon volym av en paramagnet som helhet inte har ett magnetiskt moment.
När en paramagnet införs i ett externt magnetfält är dess atomer i större eller mindre utsträckning (beroende på induktionen av detta fält) anordnade så att deras magnetiska moment är orienterade i det yttre fältets riktning. Som ett resultat uppstår ett inre magnetfält i paramagneten, vars induktion B sammanfaller i riktning med induktionen Bn för det externa fältet. Alltså induktionsmodulen PÅ det resulterande magnetfältet i paramagneten är större än induktionsmodulen PÅ 0 fält i vakuum, dvs. B>B 0 . Så paramagneter kallas ämnen där μ>1. Dessa inkluderar i synnerhet Na, Mg, K, Ca, Al, Mn, Pt, syre och många andra grundämnen, såväl som lösningar av vissa salter. Magnetisk permeabilitet μ paramagneter, liksom diamagneter, är inte beroende av induktion PÅ 0 yttre magnetfält.
Det bör noteras att värdet μ för dia- och paramagneter skiljer den sig mycket lite från enhet, endast med ett värde av storleksordningen 10 -5 - 10 -6, därför klassificeras dia- och paramagneter som svagt magnetiska ämnen.
c) Till skillnad från dia- och paramagneter, där de magnetiska egenskaperna bestäms av atomelektronernas orbitala magnetiska moment, beror de magnetiska egenskaperna hos ferromagneter på elektronernas spinmagnetiska moment. Ferromagnetiska ämnen (som alltid har en kristallin struktur) består av atomer där inte alla elektroner har spinnmagnetiska moment ömsesidigt kompenserade.
I en ferromagnet finns det regioner med spontana ( spontan ) magnetiseringar, som kallas domäner. (Storleken på domänerna är cirka 10 -4 - 10 -7 m.) I varje domän har atomelektronernas spinnmagnetiska moment samma orientering, vilket resulterar i att domänen magnetiseras till ett mättnadstillstånd. Eftersom, i frånvaro av ett externt magnetfält, de magnetiska momenten för domänerna är slumpmässigt orienterade, magnetiseras ett ferromagnetiskt prov under sådana förhållanden i allmänhet inte.
Under inverkan av ett externt magnetfält är de magnetiska momenten för domänerna orienterade längs detta fälts riktning. Som ett resultat uppstår ett starkt inre magnetfält i en ferromagnet med magnetisk induktion PÅ", sammanfallande i riktning med den magnetiska induktionen av det yttre fältet PÅ 0 . Alltså induktionsmodulen PÅ det resulterande magnetfältet i en ferromagnet är mycket större, fältet i vakuum, dvs. B»B 0 . När alla magnetiska moment i domänerna under inverkan av ett externt magnetfält är orienterade längs fältet, uppstår mättnad av det ferromagnetiska provet.
När man når vissa temperaturpunkter för varje ämne, kallad Curie-punkten ovan, förstörs domänstrukturen och ferromagneten förlorar sina inneboende egenskaper.
Alltså ämnen i vilka μ»1 kallas ferromagneter. Dessa inkluderar elementen Fe, Co, Ni, Gd och många legeringar. I ett externt magnetfält beter sig ett ferromagnetiskt prov som en paramagnet. Den magnetiska permeabiliteten μ hos en ferromagnet beror dock på intensiteten H externt magnetfält och varierar över ett ganska brett område, som ett resultat av vilket beroendet B =f(H) är icke-linjär . Värdena på μ för vissa legeringar når tiotusentals. Därför klassificeras ferromagneter som högmagnetiska ämnen.
För varje ferromagnet finns det en viss temperatur, som kallas Curie punkt, vid upphettning över vilken det givna ämnet förlorar sina ferromagnetiska egenskaper och förvandlas till en paramagnet. Till exempel, för Fe är Curie-punkten 1043 K och för Ni är den 631 K.
För att förklara processen för magnetisering av kroppar, föreslog Ampère att cirkulära strömmar (molekylära strömmar) cirkulerar i materiens molekyler. Varje sådan ström har ett magnetiskt moment och skapar ett magnetfält i det omgivande rummet. I frånvaro av ett externt fält är de molekylära strömmarna slumpmässigt orienterade, vilket resulterar i att det resulterande fältet på grund av dem är noll. På grund av den slumpmässiga orienteringen av de magnetiska momenten hos enskilda molekyler är kroppens totala magnetiska moment också lika med noll. Under fältets verkan får molekylernas magnetiska moment en dominerande orientering i en riktning, som ett resultat av vilket magneten magnetiseras - dess totala magnetiska moment blir annorlunda än noll. De magnetiska fälten för individuella molekylströmmar kompenserar i detta fall inte längre varandra och ett fält uppstår PÅ". Magnetiseringen av en magnet kännetecknas naturligtvis av det magnetiska momentet per volymenhet. Detta värde kallas magnetisering och betecknas med bokstaven J. Magnetisering förknippas vanligtvis inte med magnetisk induktion, utan med fältstyrkan. Det antas att vid varje punkt
I motsats till den dielektriska känsligheten, som bara kan ha positiva värden (polarisation R i ett isotropiskt dielektrikum är alltid riktat längs fältet E), magnetisk känslighet χ är både positivt och negativt. Därför den magnetiska permeabiliteten μ kan antingen vara större eller mindre än enhet.
Magnetiseringen av svagt magnetiska ämnen varierar linjärt med fältstyrkan. Magnetiseringen av ferromagneter h, beror på H på ett komplicerat sätt. I figuren - 3,39 dan magnetiseringskurva ferromagnet, vars magnetiska moment från början var noll. Redan i fält i storleksordningen flera oersteds (~100 A/m), magnetiseringen J når mättnad. Huvudmagnetiseringskurvan i diagrammet B - H visas i fig. 59,2 (kurva 0-1). När den nått mättnad PÅ fortsätter att växa från H enligt en linjär lag. Om vi bringar magnetiseringen till mättnad (punkt 1 i figuren - 3.40) och minska sedan magnetfältets styrka, sedan induktionen PÅ följer inte den ursprungliga kurvan 0-1, a ändras enligt kurvan 1-2. Som ett resultat, när styrkan på det yttre fältet blir lika med noll (punkt 2), magnetisering försvinner inte och kännetecknas av värdet PÅ r , som kallas kvarvarande induktion. Magnetisering är viktigt J r kallas remanent magnetisering.
|
|
|
|
Bild - 3.39 |
Ritning - 3,40 |
Induktion PÅ försvinner endast under påverkan av fältet H med , har en riktning motsatt fältet som orsakade magnetiseringen. spänning H med kallad tvångskraft.
Förekomsten av restmagnetisering gör det möjligt att tillverka permanentmagneter, det vill säga kroppar som, utan att förbruka energi för att upprätthålla makroskopiska strömmar, har ett magnetiskt moment och skapar ett magnetfält i sin omgivning. En permanentmagnet behåller sina egenskaper ju bättre, desto större är tvångskraften hos materialet som den är gjord av.
När ett växelmagnetiskt fält verkar på en ferromagnet ändras induktionen i enlighet med kurvan / - 2 -3-4-5-1 (Figur - 3.40), som kallas hysteres loop(en liknande slinga erhålls i diagrammet J- H). Om de maximala värdena Här sådana att magnetiseringen når mättnad, erhålls den så kallade maximala hysteresloopen (en solid loop i figuren är 3,40). Om vid amplitudvärden H mättnad inte uppnås, en loop erhålls, kallad partiell loop (prickad loop i figuren). Det finns ett oändligt antal privata cykler, de ligger alla inuti den maximala hysteresloopen. Hysteres leder till att magnetiseringen av en ferromagnet inte är en envärdig funktion H, det berodde till stor del på provets förhistoria - på vilka fält det hade varit i tidigare.
På grund av beroendets tvetydighet PÅ från H begreppet magnetisk permeabilitet gäller endast huvudmagnetiseringskurvan. Magnetisk permeabilitet för ferromagneter μ därför är den magnetiska känsligheten χ en funktion av fältstyrkan. I figuren - 3,41 ,a huvudmagnetiseringskurvan visas. (vi ritar en rät linje från origo för koordinater som passerar genom en godtycklig punkt på kurvan. Tangensen för lutningsvinkeln: den räta linjen är proportionell mot förhållandet V/N, t. e. magnetisk permeabilitet μ, för motsvarande spänningsvärde N. Med en ökning H från noll lutningsvinkeln (och därmed μ ) första ökningar. Vid punkten 2 den når ett maximum (direkt O tangerar kurvan) och minskar sedan. I figuren - 3,41, b beroendediagram ges μ från N. Av figuren framgår att det maximala permeabilitetsvärdet nås något tidigare än mättnad. Med en obegränsad ökning H permeabelt asymptotiskt närmar sig enhet. Detta följer av att / i uttrycket μ = 1 - J/ H får inte överstiga 1.
|
|
|
Bild - 3.41 |
Kvantiteter PÅ r (eller J r ), N med och μ är de viktigaste egenskaperna hos en ferromagnet. Om tvångskraften H med har en stor värdet på en ferromagnet kallas tuff. Den har en bred hysteresloop. ferromagnet med liten H med (och följaktligen en smal hysteresloop) kallas mjuk. Beroende på syftet tas ferromagneter med en eller annan egenskap. Så för permanentmagneter använde han hårda ferromagneter och mjuka för transformatorkärnor. Närvaron av Curie-punkten i ferromagneter kan förstås med tanke på att atomerna deltar i termisk rörelse: så länge som temperaturen är låg behåller atomerna den parallella orienteringen av sina magnetiska moment inom domänerna. Men när temperaturen ökar ökar också den termiska rörelsen.När ett ämne når en viss temperatur för ett givet ämne förstör termisk rörelse denna orientering - domänen försvinner. Vidare beter sig ferromagneten som en paramagnet.
Grunderna för teorin om ferromagnetism skapades av Ya. I. Frenkel och W. Heisenberg 1928. I vår tid används magneter och deras magnetiska egenskaper i stor utsträckning inom vetenskap och teknik.
Om ett föremål placeras i ett magnetfält, kommer dess "beteende" och typen av inre strukturella förändringar att bero på materialet från vilket föremålet är gjort. Alla kända ämnen kan delas in i fem huvudgrupper: paramagneter, ferromagneter och antiferromagneter, ferrimagneter och diamagneter. I enlighet med denna klassificering särskiljs de magnetiska egenskaperna hos ett ämne. För att förstå vad som döljer sig bakom dessa termer kommer vi att överväga varje grupp mer i detalj.
Ämnen som uppvisar paramagnetismens egenskaper kännetecknas av magnetisk permeabilitet med ett positivt tecken, och oavsett värdet av styrkan hos det externa magnetfält där objektet befinner sig. De mest kända representanterna för denna grupp är gasformigt syre, metaller från alkaliska jordartsmetaller och alkaligrupper, såväl som järnsalter.
En hög magnetisk känslighet för ett positivt tecken (når 1 miljon) är inneboende i ferromagneter. Beroende på intensiteten av det yttre fältet och temperaturen varierar känsligheten över ett brett område. Det är viktigt att notera att eftersom momenten för elementarpartiklar av olika subgitter i strukturen är lika, är det totala värdet av momentet noll.
Både till namnet och i vissa fastigheter ligger ferrimagnetiska ämnen nära dem. De förenas av ett högt beroende av känsligheten för uppvärmning och värdet av fältstyrkan, men det finns också skillnader. atomer placerade i undergittren är inte lika med varandra, därför, till skillnad från den föregående gruppen, är det totala momentet icke-noll. Ämnet är inneboende i spontan magnetisering. Anslutningen av subgitter är antiparallell. De mest kända är ferriter. De magnetiska egenskaperna hos ämnen i denna grupp är höga, så de används ofta inom teknik.
Av särskilt intresse är gruppen antiferromagneter. När sådana ämnen kyls under en viss temperaturgräns ändrar atomerna och deras joner som finns i strukturen av kristallgittret naturligt sina magnetiska moment och får en antiparallell orientering. En helt annan process äger rum när ett ämne värms upp - det registrerar magnetiska egenskaper som är karakteristiska för en grupp paramagneter. Exempel är karbonater, oxider etc.
Många experiment indikerar att alla ämnen som placeras i ett magnetfält magnetiseras och skapar sitt eget magnetfält, vars verkan läggs till verkan av ett externt magnetfält:
var är den magnetiska induktionen av fältet i ämnet; - magnetisk induktion av fältet i vakuum, - magnetisk induktion av fältet på grund av magnetisering av materia.
I detta fall kan ämnet antingen stärka eller försvaga magnetfältet. Ett ämnes inverkan på ett externt magnetfält kännetecknas av ett värde som kallas ämnets magnetiska permeabilitet
Magnetisk permeabilitetär ett fysiskt skalärt värde som visar hur många gånger magnetfältsinduktionen i ett givet ämne skiljer sig från magnetfältsinduktionen i vakuum.
Ämnen som försvagar ett yttre magnetfält kallas diamagneter(vismut, kväve, helium, koldioxid, vatten, silver, guld, zink, kadmium, etc.).
Ämnen som förstärker det externa magnetfältet - paramagneter(aluminium, syre, platina, koppar, kalcium, krom, mangan, koboltsalter, etc.).
För diamagneter >1. Men i båda fallen är skillnaden från 1 liten (flera tiotusendelar eller hundratusendelar av en enhet). Så, till exempel, vismut = 0,9998 = 1,000.
Vissa ämnen (järn, kobolt, nickel, gadolinium och olika legeringar) orsakar en mycket stor ökning av det yttre fältet. De kallas ferromagneter. För dem = 10 3 -10 5 .
För första gången gav Ampère en förklaring av orsakerna till vilka kroppar har magnetiska egenskaper. Enligt hans hypotes cirkulerar elementära elektriska strömmar inuti molekyler och atomer, som bestämmer de magnetiska egenskaperna hos något ämne.
Det har nu konstaterats att alla atomer och elementarpartiklar verkligen har magnetiska egenskaper. Atomers magnetiska egenskaper bestäms huvudsakligen av deras elektroner.
Enligt den semiklassiska modellen av atomen som föreslagits av E. Rutherford och N. Bohr rör sig elektroner i atomer runt kärnan i slutna banor (i den första approximationen kan vi anta att de är cirkulära). En elektrons rörelse kan representeras som en elementär cirkulär ström, där e är elektronens laddning, v är rotationsfrekvensen för elektronen i omloppsbana. Denna ström bildar ett magnetfält, som kännetecknas av ett magnetiskt moment, dess modul bestäms av formeln , där S är omloppsbanan.
Det magnetiska momentet för en elektron på grund av dess rörelse runt kärnan kallas orbitalt magnetiskt moment. Det orbitala magnetiska momentet är en vektorkvantitet och riktningen bestäms av den högra skruvregeln. Om elektronen rör sig medurs (fig. 1), så riktas strömmarna moturs (i rörelseriktningen) Positiv laddning), och vektorn är vinkelrät mot banans plan.
Eftersom banorna för olika elektroner i en atom inte sammanfaller, är deras magnetiska moment riktade i olika vinklar mot varandra. Det resulterande orbitala magnetiska momentet för en multielektronatom är lika med vektorsumman av de orbitala magnetiska momenten för enskilda elektroner.
Atomer med delvis fyllda elektronskal har ett okompenserat orbitalt magnetiskt moment. I atomer med fyllda elektronskal är det lika med 0.
Förutom det orbitala magnetiska momentet har elektronen också eget (snurr) magnetiskt moment, som först etablerades av O. Stern och V. Gerlach 1922. Förekomsten av ett magnetfält i en elektron förklarades av dess rotation runt sin egen axel, även om man inte bokstavligen borde likna en elektron vid en roterande laddad boll (överst ).
Det är tillförlitligt fastställt att magnetfältet hos en elektron är samma integralegenskaper som dess massa och laddning. En elektron, i en mycket grov approximation, kan representeras som en mycket liten boll omgiven av elektriska och magnetiska fält (Fig. 2). De magnetiska fälten för alla elektroner är desamma, liksom deras massor och laddningar. Det magnetiska spinsmomentet är en vektor riktad längs rotationsaxeln. Den kan bara orientera sig på två sätt: antingen längs... eller mot... Om det finns ett externt magnetfält på den plats där elektronen finns, då antingen längs med fältet eller mot fältet. Som visas i kvantfysik, endast två elektroner kan vara i samma energitillstånd, vars spinnmagnetiska moment är motsatta (Pauli-principen).
I multielektronatomer summeras de spinnmagnetiska momenten för individuella elektroner, liksom orbitalmomenten, som vektorer. I detta fall är det resulterande spinnmagnetiska momentet för atomen för atomer med fyllda elektronskal 0.
Det totala magnetiska momentet för en atom (molekyl) är lika med vektorsumman av de magnetiska momenten (orbital och spin) för elektronerna som kommer in i atomen (molekylen):
Diamagneter består av atomer som i frånvaro av ett externt magnetfält inte har sina egna magnetiska moment, eftersom allt spinn och alla orbitala magnetiska moment kompenseras för dem.
Ett externt magnetfält verkar inte på hela atomen i en diamagnet, utan verkar på enskilda elektroner i atomen, vars magnetiska moment inte är noll. Släppa in det här ögonblicket elektronhastigheten gör en viss vinkel (fig. 3) med den magnetiska induktionen av det yttre fältet.
På grund av komponenten kommer Lorentz-kraften (riktad mot oss i fig. 3) att verka på elektronen, vilket kommer att orsaka en ytterligare (förutom andra rörelser där elektronen deltar i frånvaro av ett fält) rörelse i en cirkel. Men denna rörelse är en extra cirkulär ström, som kommer att skapa ett magnetiskt fält, kännetecknat av ett magnetiskt moment (inducerat), riktat enligt regeln för den högra skruven mot. Som ett resultat försvagar diamagneter det externa magnetfältet.
Paramagneter är uppbyggda av atomer som har ett nettomagnetiskt moment av atomen. I avsaknad av ett yttre fält är dessa moment slumpmässigt orienterade och substansen som helhet skapar inte ett magnetfält runt sig själv. När paramagneter placeras i ett magnetfält, dominerande orientering av vektorerna längs fältet (detta förhindras av den termiska rörelsen av partiklar). Således magnetiseras paramagneten och skapar sitt eget magnetiska fält, sammanfaller i riktning med det yttre fältet och förstärker det. Denna effekt kallas paramagnetisk. När det externa magnetfältet försvagas till noll kommer orienteringen av de magnetiska momenten p.g.a. termisk rörelseär trasig och paramagneten avmagnetiseras. I paramagneter observeras också en diamagnetisk effekt, men den är mycket svagare än den paramagnetiska.
MAGNETISKA EGENSKAPER OCH ÄMNESSTRUKTUR
Magnetokemi är en gren av kemin som studerar ämnens magnetiska egenskaper, såväl som deras förhållande till molekylernas struktur. Dess bildande som vetenskap kan hänföras till början av 1900-talet, då magnetismens grundläggande lagar upptäcktes.
ÄMNES MAGNETISKA EGENSKAPER
Magnetism - grundläggande egenskap materia. Sedan urminnes tider har permanentmagneternas egenskap att locka till sig järnföremål varit känd. Utvecklingen av elektromagnetism gjorde det möjligt att skapa elektromagneter starkare än de konstanter som existerade i naturen. I allmänhet är olika enheter och enheter baserade på användningen av elektromagnetiska fenomen så utbredda att det nu är omöjligt att föreställa sig livet utan dem.
Men inte bara permanentmagneter interagerar med ett magnetfält, utan även alla andra ämnen. Magnetfältet, som interagerar med materia, ändrar dess storlek jämfört med vakuum (här och nedan är alla formler skrivna i SI-systemet):
där µ 0 är den magnetiska konstanten lika med 4p 10 -7 Gn/m, µ är den magnetiska permeabiliteten för ämnet, B är den magnetiska induktionen (i T), H är den magnetiska fältstyrkan (i A/m). För de flesta ämnen är m väldigt nära enhet, så i magnetokemi, där huvudobjektet är en molekyl, är det bekvämare att använda värdet c, som kallas magnetisk susceptibilitet. Det kan hänföras till en enhet av volym, massa eller mängd av ett ämne, då kallas det respektive volymetrisk (dimensionslös) CV., specifika CD(i cm3/g) eller molar centimeter(i cm3/mol) magnetisk känslighet.
Ämnen kan delas in i två kategorier: de som försvagar magnetfältet (ca< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), är paramagneter. Man kan föreställa sig att i ett inhomogent magnetfält verkar en kraft på en diamagnet som trycker ut den ur fältet och på en paramagnet tvärtom drar den in den. Detta är grunden för de metoder som diskuteras nedan för att mäta ämnens magnetiska egenskaper. Diamagneter (och detta är den stora majoriteten av organiska och högmolekylära föreningar) och främst paramagneter är föremål för studier av magnetokemi.
Diamagnetism är materiens viktigaste egenskap, på grund av det faktum att under påverkan av ett magnetfält börjar elektroner i fyllda elektronskal (som kan representeras som små ledare) att precessera, och, som du vet, varje rörelse av en elektrisk laddning orsakar ett magnetfält, som enligt Lenz-regeln kommer att riktas för att minska påverkan från det yttre fältet. I detta fall kan den elektroniska precessionen betraktas som cirkulära strömmar. Diamagnetism är karakteristisk för alla ämnen, förutom atomärt väte, eftersom alla ämnen har parade elektroner och fyllda elektronskal.
Paramagnetism beror på oparade elektroner, som kallas så eftersom deras eget magnetiska moment (spin) inte balanseras av någonting (respektive spinn av parade elektroner riktas i motsatta riktningar och kompenserar varandra). I ett magnetiskt fält tenderar snurren att rada upp sig i fältets riktning, vilket förstärker det, även om denna ordning störs av kaotisk termisk rörelse. Därför är det tydligt att den paramagnetiska känsligheten beror på temperaturen - ju lägre temperatur, desto högre värde på känsligheten.
Denna typ av magnetisk känslighet kallas också orienterande paramagnetism, eftersom dess orsak är orienteringen av elementära magnetiska moment i ett externt magnetfält.
De magnetiska egenskaperna hos elektroner i en atom kan beskrivas på två sätt. I den första metoden anses det att elektronens eget (spin) magnetiska moment inte påverkar orbitalmomentet (på grund av elektronernas rörelse runt kärnan) eller vice versa. Mer exakt, detta ömsesidigt inflytande existerar alltid (spin-omloppsinteraktion), men för 3d-joner är den liten, och de magnetiska egenskaperna kan beskrivas med tillräcklig noggrannhet med två kvanttal L (omloppsbana) och S (spin). För tyngre atomer blir en sådan approximation oacceptabel och ytterligare ett kvantnummer av det totala magnetiska momentet J introduceras, vilket kan ta värden från | L+S | före | L-S |
Uppmärksamhet bör ägnas åt den magnetiska interaktionsenergins litenhet (för rumstemperaturer och magnetiska fält som är vanliga i laboratoriet är energin för magnetiska interaktioner tre till fyra storleksordningar mindre än energin för molekylers termiska rörelse).
Det finns en hel del ämnen som, när temperaturen sänks, först beter sig som paramagneter, och sedan, när en viss temperatur uppnås, förändras deras magnetiska egenskaper dramatiskt. Det mest kända exemplet är ferromagneter och ämnet från vilket de är namngivna, järn, vars atomiska magnetiska moment under Curie-temperaturen riktar sig i samma riktning, vilket orsakar spontan magnetisering. Makroskopisk magnetisering sker dock inte i frånvaro av ett fält, eftersom provet spontant delas upp i regioner med en storlek på cirka 1 μm, kallade domäner, inom vilka de elementära magnetiska momenten riktas på samma sätt, men magnetiseringarna av olika domäner. är slumpmässigt orienterade och kompenserar i genomsnitt varandra. De krafter som orsakar en ferromagnetisk övergång kan bara förklaras med hjälp av kvantmekanikens lagar.
Antiferromagneter kännetecknas av att de spinnmagnetiska momenten vid den antiferromagnetiska övergångstemperaturen (Néel-temperatur TN) är ordnade på ett sådant sätt att de tar ut varandra.
Om kompensationen av magnetiska moment är ofullständig, kallas sådana ämnen ferrimagneter, till exempel Fe2O3 och FeCr2O4. De tre sista klasserna av föreningar är fasta ämnen och studeras huvudsakligen av fysiker. Under de senaste decennierna har fysiker och kemister skapat nya magnetiska material.
I en molekyl som innehåller en oparad elektron försvagar de återstående (parade) elektronerna magnetfältet, men bidraget från var och en av dem är två till tre storleksordningar mindre. Men om vi vill mäta de magnetiska egenskaperna hos oparade elektroner mycket exakt, måste vi införa de så kallade diamagnetiska korrigeringarna, speciellt för stora organiska molekyler, där de kan nå tiotals procent. De diamagnetiska känsligheterna hos atomerna i en molekyl adderas till varandra enligt Pascal-Langevins additivitetsregel. För att göra detta multipliceras den diamagnetiska känsligheten hos atomer av varje typ med antalet sådana atomer i molekylen, och sedan införs konstitutiva korrigeringar för strukturella egenskaper (dubbel- och trippelbindningar, aromatiska ringar, etc.). Låt oss gå över till övervägandet av hur ämnens magnetiska egenskaper experimentellt studeras.
EXPERIMENTELL MÄTNING AV MAGNETISK MÖJLIGHET
De viktigaste experimentella metoderna för att bestämma den magnetiska känsligheten skapades under förra seklet. Gouys metod mäter förändringen i vikten av ett prov i ett magnetfält jämfört med dess frånvaro.
Faraday-metoden mäter kraften som verkar på ett prov i ett ojämnt magnetfält.
Huvudskillnaden mellan Gouy-metoden och Faraday-metoden är att i det första fallet bibehålls inhomogenitet längs det (förlängda) provet och i det andra fallet längs magnetfältet.
Quincke-metoden används endast för vätskor och lösningar. Den mäter förändringen i höjden av en vätskekolonn i en kapillär under påverkan av ett magnetfält.
I det här fallet, för diamagnetiska vätskor, minskar höjden på kolonnen, för paramagnetiska vätskor ökar den.
Viskosimetermetoden mäter tiden för vätskeflödet genom ett litet hål med magnetfältet på (tH) och av (t0). Utflödestiden för paramagnetiska vätskor i ett magnetfält är märkbart kortare än i frånvaro av ett fält, och vice versa för diamagnetiska vätskor.
Magnetisk känslighet kan också mätas med en NMR-spektrometer. Observera att det kemiska skiftet av NMR-signalen i allmänhet inte bara bestäms av screeningskonstanten, som är ett mått på elektrondensiteten på kärnan som studeras, utan också av provets magnetiska känslighet.
Det erhållna värdet för den magnetiska känsligheten för paramagneter bestäms av antalet oparade elektroner (för en oparad elektron)
Magnetokemiska studier gör det möjligt att fastställa den elektroniska konfigurationen av övergångsmetallföreningar, som utgör grunden för kemin för koordinations (komplexa) föreningar.
Genom att mäta den magnetiska känsligheten kan man enkelt bedöma graden av oxidation och geometrin för den första koordinationssfären i komplexet.
Det är känt att viktigast i praktiken kemiska reaktioner förekommer i lösningar inkluderar de också komplexbildningsreaktioner; därför kommer vi i nästa avsnitt att överväga de magnetiska egenskaperna hos lösningar där övergångsmetallföreningar realiseras i form av komplex.
LÖSNINGARS MAGNETISK MOTTAGLIGHET
När man flyttar från fast kropp lösningsmedlets och alla lösta ämnens magnetiska känslighet bör beaktas. I det här fallet kommer det enklaste sättet att ta hänsyn till detta att vara summeringen av bidragen från alla komponenter i lösningen enligt additivitetsregeln. Additivitetsprincipen är en av de grundläggande principerna vid bearbetning av experimentella data. Eventuella avvikelser från det är oftare förknippade med det faktum att tillsatsprincipen i sig är uppfylld och komponenterna i lösningen ändrar sina egenskaper. Därför antas det att lösningens magnetiska känslighet är lika med summan av de individuella komponenternas magnetiska känslighet, med hänsyn tagen till koncentrationen
Man kan se från en studie av de magnetiska egenskaperna hos samma ämne i olika lösningsmedel att de avsevärt kan bero på lösningsmedlets natur. Detta kan förklaras av lösningsmedelsmolekylernas inträde i den första koordinationssfären och motsvarande förändring i komplexets elektroniska struktur, energierna hos d-orbitaler (D) och andra egenskaper hos solvatkomplexet. Således gör magnetokemi det också möjligt att studera solvatisering, det vill säga interaktionen mellan ett löst ämne och ett lösningsmedel.
Om magnetfältet påverkar lösningens egenskaper och många experimentella fakta (mätningar av densitet, viskositet, elektrisk ledningsförmåga, protonkoncentration, magnetisk känslighet) indikerar att så är fallet, bör det inses att individens interaktionsenergi. Beståndsdelar i lösningen och en ensemble av vattenmolekyler är ganska hög, och är sedan jämförbar med eller överstiger energin för den termiska rörelsen av partiklar i lösningen, vilket i genomsnitt utvärderar eventuell effekt på lösningen. Kom ihåg att energin från den magnetiska interaktionen av en partikel (molekyl) är liten jämfört med energin från termisk rörelse. En sådan interaktion är möjlig om vi accepterar att i vatten och vattenlösningar, på grund av den samverkande naturen hos vätebindningar, realiseras stora isliknande strukturella ensembler av vattenmolekyler, som kan förstärkas eller förstöras under påverkan av lösta ämnen. bildningsenergin för sådana "ensembler" är tydligen jämförbar med energin för termisk rörelse och under magnetisk påverkan kan lösningen komma ihåg det och förvärva nya egenskaper, men Brownsk rörelse eller en ökning av temperaturen eliminerar detta "minne" under en tid.
Genom att exakt välja koncentrationerna av paramagnetiska ämnen i ett diamagnetiskt lösningsmedel är det möjligt att skapa en omagnetisk vätska, det vill säga en där den genomsnittliga magnetiska känsligheten är noll eller där magnetfält utbreder sig på exakt samma sätt som i vakuum . Denna intressanta fastighet har ännu inte funnit någon tillämpning inom teknik.
- I kontakt med 0
- Google+ 0
- OK 0
- Facebook 0
