Właściwości magnetyczne substancji. Klasyfikacja substancji według właściwości magnetycznych
Właściwości magnetyczne materii
We wszystkich ciałach umieszczonych w polu magnetycznym powstaje moment magnetyczny. Zjawisko to nazywa się namagnesowanie.
Namagnesowane ciało (magnes) wytwarza dodatkowe pole magnetyczne z indukcją B′, który oddziałuje z indukcją B 0 = μ a H, spowodowane przez prądy makroskopowe. Obydwa pola dają wynikowe pole z indukcją B, który otrzymuje się w wyniku dodania wektora B' I B 0 .
W cząsteczkach substancji krążą zamknięte prądy; każdy taki prąd ma moment magnetyczny; przy braku zewnętrznego pola magnetycznego prądy molekularne są zorientowane losowo, a wytworzone przez nie średnie pole będzie wynosić zero. Pod wpływem pola magnetycznego momenty magnetyczne cząsteczek zorientowane są głównie wzdłuż pola, w wyniku czego substancja ulega namagnesowaniu. Miarą namagnesowania substancji (magnesu) jest wektor namagnesowania. Namagnesowanie wektorowe I równy sumie wektorów wszystkich momentów magnetycznych po południu cząsteczki zawarte w jednostkowej objętości substancji:
Nazywa się wielkość χ podatność magnetyczna– wielkość bezwymiarowa.
| W układzie SI: | W systemie SGSM: | ||
| B′ = μ I | B′ = 4χ I | 2) | |
| B = μ 0 H + μ I | B = H+ 4χ I | 3) | |
| μ = 1 + χ | μ = 1 + 4π χ | 4) |
Krzywa wyrażająca związek pomiędzy H I B Lub H I I, zwany krzywa namagnesowania.
Substancje, dla których χ > 0 (ale tylko nieznacznie) nazywane są paramagnetycznymi ( paramagnetyczny); substancje, dla których χ< 0, называются диамагнитными (materiały diamagnetyczne). Nazywa się substancje, dla których χ jest znacznie większe od jedności ferromagnetyki.
Ferromagnesy różnią się od paramagnetyków i diamagnetyków wieloma właściwościami.
A) Krzywa namagnesowania ferromagnetyków jest złożona (rys. 1), dla paramagnetyków przedstawia linię prostą z dodatnim kątem kątowym
współczynnik, dla materiałów diamagnetycznych – linia prosta o nachyleniu ujemnym. Podatność magnetyczna i przepuszczalność ferromagnetyków zależy od natężenia pola; Materiały paramagnetyczne i diamagnetyczne nie wykazują tej zależności.
W przypadku ferromagnetyków zwykle podaje się początkową przenikalność magnetyczną (μ init) - graniczną wartość przenikalności magnetycznej, gdy natężenie pola i indukcja są bliskie zeru, tj.
Krzywa μ vs. H w przypadku ferromagnetyków przechodzi przez maksimum. Tabele zwykle wskazują wartość maksymalną (µ max).
B) Podatność magnetyczna ferromagnetyków wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W pewnej temperaturze T ferromagnetyk zamienia się w paramagnetyk; nazywa się ta temperatura Temperatura Curie'go (Punkt Curie). W temperaturach powyżej punktu Curie substancja jest paramagnetyczna. W pobliżu temperatury Curie podatność magnetyczna ferromagnesu tnącego wzrasta.
Podatność magnetyczna materiałów diamagnetycznych i niektórych materiałów paramagnetycznych (na przykład metali alkalicznych) nie zależy od temperatury. Podatność magnetyczna materiałów paramagnetycznych (z nielicznymi wyjątkami) zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do temperatury bezwzględnej.
V) Rozmagnesowany ferromagnes jest namagnesowany przez pole magnetyczne; uzależnienie B(Lub I) z H podczas magnesowania będzie wyrażona krzywą 0–1 (rys. 1). Krzywa ta nazywana jest krzywą początkowego magnesowania. Namagnesowanie w słabych polach szybko rośnie, następnie wzrost zwalnia i ostatecznie następuje stan nasycenia, w którym namagnesowanie praktycznie pozostaje stałe przy dalszym wzroście pola.
Nazywa się maksymalną wartość namagnesowania namagnesowanie nasycenia (Jest).
Kiedy maleje H do zera B(I I) zmieni się wzdłuż krzywej 1–2; występuje opóźnienie pomiędzy zmianą indukcji a zmianą natężenia pola. Zjawisko to nazywa się histereza magnetyczna.
Wielkość indukcji pozostająca w ferromagnesie po usunięciu pola (kiedy H= 0), nazywa się indukcją resztkową ( B r). Na ryc. 1 B r równy segmentowi 0–2. Aby rozmagnesować ferromagnetyk, należy usunąć indukcję resztkową. Aby to zrobić, musisz utworzyć pole w przeciwnym kierunku. Zmiana indukcji w kolbie w przeciwnym kierunku zostanie przedstawiona przez krzywą 2–3–4.
Siła pola Hc(odcinek 0–3 na ryc. 8), przy którym indukcja wynosi zero, nazywa się intensywnością (siłą) przymusu.
Uzależnienie B(Lub I) z okresowo zmieniającego się natężenia pola magnetycznego od + H zanim - H wyraża się zamkniętą krzywą 1–2–3–4–5–6–1. Ta krzywa nazywa się pętla histerezy.
Na jeden cykl zmiany natężenia pola z + H zanim - H energia jest zużywana proporcjonalnie do obszaru pętli histerezy.
Właściwości ferromagnetyków tłumaczy się obecnością w nich obszarów, które przy braku zewnętrznego pola magnetycznego są samorzutnie namagnesowane do nasycenia. Obszary te nazywane są domenami. Jednak lokalizacja i namagnesowanie tych obszarów jest takie, że nawet przy braku pola ogólne namagnesowanie całego ciała wynosi zero.
Kiedy ferromagnetyk znajduje się w polu magnetycznym, granice między domenami przesuwają się (w słabych polach), a wektory namagnesowania domen obracają się w kierunku pola magnesującego (w silniejszych polach), co powoduje namagnesowanie ferromagnesu.
Ferromagnes umieszczony w polu magnetycznym zmienia swoje wymiary liniowe, czyli ulega odkształceniu. Zjawisko to nazywa się magnetostrykcją. Wydłużenie względne zależy od charakteru ferromagnetyku i natężenia pola magnetycznego.
Wielkość efektu magnetostrykcji nie zależy od kierunku pola; Niektóre substancje ulegają skróceniu (nikiel), inne wydłużeniu (żelazo w słabych polach) wzdłuż zera. Zjawisko to wykorzystywane jest do wytwarzania drgań ultradźwiękowych o częstotliwościach do 100 kHz.
WŁAŚCIWOŚCI MAGNETYCZNE SUBSTANCJI
Magnetyzm jest podstawową właściwością materii. Zdolność magnesów trwałych do przyciągania przedmiotów z żelaza znana jest od czasów starożytnych. Od wieków wśród marynarzy krąży legenda o magnetycznej skale, która podobno jest w stanie przyciągnąć żelazne gwoździe z podpływającego zbyt blisko statku i zniszczyć go. Na szczęście tak silne pole magnetyczne może istnieć tylko w pobliżu gwiazd neutronowych. Rozwój elektromagnetyzmu umożliwił stworzenie elektromagnesów silniejszych od trwałych istniejących w przyrodzie. Ogólnie rzecz biorąc, różne instrumenty i urządzenia oparte na wykorzystaniu zjawisk elektromagnetycznych są tak powszechne, że obecnie nie można sobie wyobrazić życia bez nich.
Jednak nie tylko magnesy trwałe oddziałują z polem magnetycznym, ale także wszystkie inne substancje. Pole magnetyczne oddziałujące z materią zmienia swoją wartość w porównaniu z próżnią (w dalszej części wszystkie wzory zapisywane są w układzie SI):
gdzie m0 to stała magnetyczna równa 4p "10-7 H/m, m to przenikalność magnetyczna substancji, B to indukcja magnetyczna (w T), H to natężenie pola magnetycznego (w A/m). Dla większości substancji m jest bardzo bliskie jedności, dlatego w magnetochemii, gdzie głównym przedmiotem jest cząsteczka, wygodniej jest stosować wartość c określoną równaniem, która nazywa się podatnością magnetyczną. c można przypisać jednostce objętość, masa lub ilość substancji, wówczas nazywa się to odpowiednio objętościową (bezwymiarową) cv, właściwą cd (w cm3/g) lub molową cm (w cm3/mol) podatnością magnetyczną. Jasne jest, że zgodnie ze wzorem ( 2), c próżni jest równe zero. Substancje można podzielić na dwie kategorie: osłabiające pole magnetyczne (c 0), - paramagnetyki (rys. 1). Można sobie wyobrazić, że w niejednorodnym polu magnetycznym na materiał diamagnetyczny działa siła, wypychając go z pola, a na paramagnetyk, wręcz przeciwnie, wciągając go. Na tym opierają się omówione poniżej metody pomiaru właściwości magnetycznych substancji. Diamagnetyki (a jest to zdecydowana większość związków organicznych i wielkocząsteczkowych) i głównie paramagnetyki są przedmiotem badań magnetochemii.
Diamagnetyzm jest najważniejszą właściwością materii, gdyż pod wpływem pola magnetycznego elektrony w wypełnionych powłokach elektronowych (które można uważać za małe przewodniki) zaczynają precesję i, jak wiadomo, każdy ruch ładunek elektryczny wytwarza pole magnetyczne, które zgodnie z regułą Lenza będzie skierowane w ten sposób, aby zmniejszyć wpływ pola zewnętrznego. W tym przypadku precesję elektronową można uznać za prądy kołowe. Diamagnetyzm jest charakterystyczny dla wszystkich substancji z wyjątkiem wodoru atomowego, ponieważ wszystkie substancje mają sparowane elektrony i wypełnione powłoki elektronowe.
Paramagnetyzm powodowany jest przez niesparowane elektrony, których tzw. moment magnetyczny (spin) nie jest w żaden sposób zrównoważony (w związku z tym spiny sparowanych elektronów są skierowane w przeciwne strony i znoszą się). W polu magnetycznym spiny mają tendencję do ustawiania się w kierunku pola, wzmacniając je, choć porządek ten zostaje zakłócony przez chaotyczny ruch termiczny. Zatem jasne jest, że podatność paramagnetyczna zależy od temperatury – im niższa temperatura, tym większa wartość cm. W najprostszym przypadku wyraża się to zależnością zwaną prawem Curie: gdzie C jest stałą Curie lub prawem Curie-Weissa, gdzie q jest poprawką Weissa. Ten typ podatności magnetycznej nazywany jest także 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 (w wyniku ruchu elektronów wokół jądra) i odwrotnie. Dokładniej, takie wzajemne oddziaływanie zawsze istnieje (oddziaływanie spin-orbita), jednak dla jonów 3d jest ono małe, a właściwości magnetyczne można z wystarczającą dokładnością opisać dwiema liczbami kwantowymi L (orbita) i S (spin). Dla cięższych atomów takie przybliżenie staje się niedopuszczalne i wprowadza się inną liczbę kwantową całkowitego momentu magnetycznego J, która może przyjmować wartości od | L+S | przed | L - S | . Van Vleck rozważył udział energii orbitali w zależności od wpływu pola magnetycznego (zgodnie z teorią zaburzeń mechaniki kwantowej można je rozwinąć w szereg i zsumować): gdzie H to natężenie pola magnetycznego i odpowiednio E (0) to wkład niezależny od pola zewnętrznego, E (1 ) - wkład wprost proporcjonalny do pola, itd. Okazało się, że o energii zerowego rzędu decyduje oddziaływanie spin-orbita, które ma znaczenie w opisie wiązań chemicznych:
gdzie l jest stałą interakcji spin-orbita. Energia pierwszego rzędu (oddziaływanie momentu magnetycznego niesparowanego elektronu (m = gbS) z polem magnetycznym H) jest równa
gdzie g to współczynnik Landego, zwykle równy dwa dla większości związków, b to magneton Bohra, równy 9,27 "10-19 erg/Oe (przypomnijmy, że energia oddziaływań magnetycznych jest iloczynem skalarnym wektorów momentu magnetycznego m i H. E ( 2) - wkład energii, który trzeba brać na wiarę, gdyż zależy on od subtelnych cech struktury elektronowej i jest trudny do wyjaśnienia z punktu widzenia fizyki klasycznej. Należy zwrócić uwagę na małość energii 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).
Po przekształceniach matematycznych wyrażenie na makroskopową podatność magnetyczną, uwzględniające rozkład Boltzmanna zespołu momentów magnetycznych na poziomach energii, przyjmuje postać (jego wyprowadzenie przedstawiono m.in. w)
Jest to równanie Van Vlecka – najważniejsze w magnetochemii, łączące właściwości magnetyczne ze strukturą cząsteczek. Tutaj NA jest liczbą Avogadro, k jest stałą Boltzmanna. Spotkaliśmy się już z kilkoma skrajnymi przypadkami tego powyżej. Jeśli = 0 i można je pominąć, to w rezultacie otrzymujemy prawo Curie (por. równanie (3)), ale w bardziej rygorystycznej formie.
Można zauważyć, że prawo Curie odzwierciedla tzw. czysty magnetyzm spinowy, charakterystyczny dla większości związków paramagnetycznych, np. soli miedzi, żelaza, niklu i innych metali przejściowych. Jeśli = 0 i @ kT, wówczas równanie Van Vlecka jest znacznie uproszczone: gdzie Na jest paramagnetyzmem niezależnym od temperatury (van Vlecka). Jak widać z powyższego, paramagnetyzm Van Vlecka jest zjawiskiem czysto kwantowym i niewytłumaczalnym z punktu widzenia fizyki klasycznej. Można to traktować jako domieszkę wzbudzonych poziomów energii do stanu podstawowego cząsteczki.
Istnieje sporo substancji, które wraz ze spadkiem temperatury najpierw zachowują się jak paramagnetyki, a następnie po osiągnięciu określonej temperatury gwałtownie zmieniają swoje właściwości magnetyczne. Najbardziej znanym przykładem są ferromagnetyki i substancja, od której wzięły swoją nazwę – żelazo, którego atomowe momenty magnetyczne poniżej temperatury Curie (w tym przypadku równej TC = 770°C) ustawiają się w jednym kierunku, powodując spontaniczne namagnesowanie. Jednakże namagnesowanie makroskopowe nie zachodzi w przypadku braku pola, ponieważ próbka jest spontanicznie dzielona na obszary o wielkości około 1 μm, zwane domenami, w których elementarne momenty magnetyczne są skierowane w ten sam sposób, ale namagnesowania różnych domeny są zorientowane losowo i średnio wzajemnie się kompensują. Siły powodujące 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 znoszą się nawzajem. Maksymalna wartość podatności magnetycznej osiągana jest przy TN, powyżej której c maleje zgodnie z prawem Curie-Weissa, poniżej - na skutek tzw. oddziaływań wymiennych. Antyferromagnetykami są na przykład MnO i KNiF3.
Jeśli kompensacja momentów magnetycznych jest niepełna, wówczas takie substancje nazywane są ferrimagnetykami, na przykład Fe2O3 i FeCr2O4. Trzy ostatnie klasy związków (Tabela 1) to ciała stałe i są badane głównie przez fizyków. W ciągu ostatnich dziesięcioleci fizycy i chemicy stworzyli nowe materiały magnetyczne, których właściwości można znaleźć bardziej szczegółowo w.
W cząsteczce zawierającej niesparowany elektron pozostałe (sparowane) elektrony osłabiają pole magnetyczne, ale udział każdego z nich jest o dwa do trzech rzędów wielkości mniejszy. Jeśli jednak chcemy bardzo dokładnie zmierzyć właściwości magnetyczne niesparowanych elektronów, musimy wprowadzić tzw. poprawki diamagnetyczne, szczególnie w przypadku dużych cząsteczek organicznych, gdzie mogą one sięgać kilkudziesięciu procent. Podatności diamagnetyczne atomów w cząsteczce sumują się zgodnie z zasadą addytywności Pascala-Langevina. W tym celu podatność diamagnetyczną atomów każdego typu mnoży się przez liczbę takich atomów w cząsteczce, a następnie wprowadza się poprawki konstytutywne na cechy strukturalne (wiązania podwójne i potrójne, pierścienie aromatyczne itp.). Przejdźmy dalej do rozważenia, w jaki sposób bada się eksperymentalnie właściwości magnetyczne substancji.
EKSPERYMENTALNY POMIAR PODOBNOŚCI MAGNETYCZNEJ
Główne eksperymentalne metody wyznaczania podatności magnetycznej powstały w ubiegłym stuleciu. Zgodnie z metodą Gouya (ryc. 2, a) mierzy się zmianę masy próbki w polu magnetycznym w porównaniu z jej brakiem, co jest równe gdzie Dmg = F jest siłą działającą na substancję w polu magnetycznym gradient pola, c to zmierzona podatność magnetyczna substancji, c0 - podatność magnetyczna ośrodka (powietrza), S - pole przekroju poprzecznego próbki, Hmax i Hmin - maksymalne i minimalne natężenie zewnętrznego pola magnetycznego.
Metoda Faradaya (ryc. 2, b) mierzy siłę działającą na próbkę w niejednorodnym polu magnetycznym:
Próbkę dobiera się tak małą, aby H0dH/dz pozostawała stała w jej granicach, a maksymalną wartość parametru osiąga się poprzez dobór specjalnego profilu końcówek magnesu. Zasadnicza różnica pomiędzy metodą Gouya a metodą Faradaya polega na tym, że w pierwszym przypadku niejednorodność utrzymuje się wzdłuż (rozciągniętego) wzoru, a w drugim – wzdłuż pola magnetycznego.
Metodę Quinckego (ryc. 2, c) stosuje się tylko w przypadku cieczy 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 cieczy przez mały otwór przy włączonym (tH) i wyłączonym polu magnetycznym (t0). Czas przepływu cieczy paramagnetycznych w polu magnetycznym jest zauważalnie krótszy niż w przypadku braku pola, w przypadku cieczy diamagnetycznych jest odwrotnie. Różnicę między dwoma czasami przepływu określa się na podstawie podatności magnetycznej, a wartość stałej kalibracyjnej k określa się poprzez pomiar cieczy o znanej podatności magnetycznej. Poniżej podano wolumetryczne podatności magnetyczne niektórych popularnych rozpuszczalników.
Podatność magnetyczną można również zmierzyć za pomocą spektrometru NMR. O fizycznych podstawach metody NMR można przeczytać w: Ograniczymy się tylko do zauważenia: o wielkości przesunięcia chemicznego sygnału NMR w ogólnym przypadku decyduje nie tylko stała ekranowania, będąca miarą gęstości elektronów na badanym jądrze, ale także siła magnetyczna podatność próbki. W przypadku próbki w kształcie prostopadłościanu o przesunięciu chemicznym decyduje także orientacja próbki w polu magnetycznym, gdzie stałe kalibracyjne A i B wyznacza się poprzez pomiar dwóch cieczy o znanej podatności magnetycznej (najczęściej wody i acetonu). Metoda ta została opracowana na Wydziale Chemii Nieorganicznej Uniwersytetu w Kazaniu i jako jedyna pozwala na kalibrację urządzenia przy użyciu wzorców diamagnetycznych, a następnie przeprowadzanie pomiarów także z próbkami paramagnetycznymi. W ten sposób zmierzono podatność magnetyczną wielu substancji. Co pozwoliły nam dowiedzieć się o ich budowie?
Wynikowa wartość podatności magnetycznej materiałów paramagnetycznych jest określona przez liczbę niesparowanych elektronów (por. (9) dla jednego niesparowanego elektronu)
W ten sposób można wyznaczyć spinową liczbę kwantową S, a co za tym idzie liczbę niesparowanych elektronów. Należy zauważyć, że w rzeczywistych związkach współczynnik g różni się nieznacznie od wartości „czystego spinu”, która jest równa dwa, jak zauważono powyżej.
Wartości cm dla substancji paramagnetycznych są małe i niezbyt wygodne w wyjaśnianiu struktury związków. Dlatego podatność paramagnetyczną charakteryzuje się częściej efektywnym momentem magnetycznym meff, który jest określony równaniem.
Następnie w temperaturze 298 K wartość „czystego spinu” dla jednego niesparowanego elektronu ms = 1,73 magnetonów Bohra (mB), dla dwóch - 3,46 mB itd. (Tabela 2). Udział innych czynników, przede wszystkim interakcji spin-orbita, znajduje odzwierciedlenie w wartości współczynnika g i prowadzi do tego, że meff różni się od ms.
Znajomość liczby niesparowanych elektronów pomaga zrozumieć niektóre cechy rozmieszczenia pierwiastków w układzie okresowym D.I. Mendelejew. Zatem powłoki elektroniczne, które są całkowicie lub dokładnie w połowie wypełnione, mają zwiększoną stabilność. Wraz ze wzrostem względnej masy atomowej po raz pierwszy spotykamy to w chromie. Porównajmy konfiguracje elektroniczne w stanie podstawowym: Sc 3d 14s 2, Ti 3d 24s 2, V 3d 34s 2, następny chrom to nie 3d 44s 2, ale 3d 54s 1, podkreślono bardziej stabilną, w połowie wypełnioną powłokę:
Ustalono to właśnie na podstawie pomiarów podatności magnetycznej, kiedy odkryto, że atom chromu zawiera sześć niesparowanych elektronów, a nie cztery. To prawda, że w tym celu konieczne było wykonanie dość subtelnych pomiarów na izolowanych atomach w fazie gazowej, ponieważ właściwości magnetyczne przewodników nie są związane z liczbą niesparowanych elektronów (ponieważ elektrony walencyjne w metalach nie są przyłączone do określonych atomów, ale poruszają się chaotycznie w całym krysztale), ale wyznaczane są przez prawa kwantowe (tzw. diamagnetyzm Fermiego i paramagnetyzm Landaua). Jednocześnie np. kolejność wypełniania orbitali 5d i 4f w szeregu lantanowców nie zmienia liczby niesparowanych elektronów, dlatego prawidłowe konfiguracje elektronowe ustalono dopiero w latach 60. XX w. za pomocą obliczeń mechaniki kwantowej (nie da się tego ustalić rozróżnić konfiguracje 5d 1 i 4f od pomiarów magnetycznych 1). Niemniej jednak badania magnetochemiczne pozwalają ustalić konfigurację elektronową, jak uważny czytelnik zapewne już zauważył, związków metali przejściowych, które stanowią podstawę chemii związków koordynacyjnych (kompleksowych).
Związki koordynacyjne powstają z reguły w wyniku wiązania donor-akceptor, to znaczy samotne pary elektronów ligandów zajmują wolne pozycje na orbitali atomu centralnego. W tym przypadku liczba niesparowanych elektronów i moment magnetyczny jonów tworzących kompleksy pozostają takie same, jak w przypadku wolnego jonu w fazie gazowej. Dotyczy to wodnych kompleksów metali przejściowych, np. żelaza(II) (ryc. 3). Istnieją jednak również kompleksy anomalne magnetycznie, których moment magnetyczny jest niższy niż jonu gazowego. Ich strukturę elektronową można wyjaśnić w ramach metody wiązań walencyjnych w następujący sposób. Wiele złożonych związków ma liczbę koordynacyjną równą sześć. Sześć ligandów jest symetrycznie rozmieszczonych na wierzchołkach ośmiościanu. Aby otrzymać sześć orbitali hybrydowych, w ich powstaniu musi wziąć udział sześć orbitali walencyjnych atomu centralnego: taka redystrybucja gęstości elektronów nazywana jest hybrydyzacją sp3d 2 (porównaj z hybrydyzacją sp3 atomu węgla w alkanach, gdzie występują cztery wiązania skierowane do wierzchołków czworościanu). Należy pamiętać, że w tworzeniu orbitali hybrydowych biorą udział orbitale d o tej samej liczbie atomowej co orbitale s i p. Wyjaśnia to fakt, że wewnętrzne orbitale d o niższej energii są zajmowane przez własne elektrony jonu metalu. Aby zająć orbitale o niższej energii, ligandy muszą zmusić własne elektrony jonu metalu do sparowania i uwolnienia wewnętrznych orbitali d w celu tak zwanej hybrydyzacji d 2sp 3. Można tego dokonać jedynie za pomocą ligandów o wysokim polu, które tworzą silne wiązania z jonem metalu, na przykład jony cyjankowe w złożonym heksacyjanożelazianie (II) (patrz ryc. 3).
Odpowiednio pierwszy typ kompleksów, który ma wysoki moment magnetyczny, nazywany jest kompleksem zewnętrzno-orbitalnym, a drugi typ ze zmniejszonym momentem magnetycznym nazywany jest kompleksem wewnątrzoczodołowym. Różnica ta, prowadząca do zmiany liczby niesparowanych elektronów w kompleksie, prowadzi do zmiany momentów magnetycznych odpowiednio zewnętrznego i wewnętrznego kompleksu orbitalnego i jest spowodowana różnicą energii odpowiednich d-orbitali (zwykle nazywana energią rozszczepienia w polu ligandu i oznaczona jako D lub 10Dq).
W oparciu o ich zdolność do tworzenia kompleksów wewnątrzoczodołowych (w oparciu o wartość D) wszystkie ligandy można ułożyć w szereg, który nazywa się szeregiem spektrochemicznym ligandów:
CN->NO2->SO32->NH3>NCS->H3O>
>OH->F->Cl->Br->I-
Swoją nazwę zawdzięcza temu, że kolor kompleksu zależy od pozycji liganda w tej serii, co ujawnia związek między właściwościami optycznymi i magnetycznymi związków koordynacyjnych.
Zatem mierząc podatność magnetyczną można łatwo ocenić stopień utlenienia i geometrię pierwszej sfery koordynacyjnej w kompleksie. Dane dotyczące podatności magnetycznej szeregu jonów metali przejściowych i lantanowców podano w tabeli. 2. Można zauważyć, że właściwości magnetyczne jonów 3d w większości przypadków dobrze odpowiadają wartościom czysto spinowym ms, a do wyjaśnienia właściwości magnetycznych lantanowców potrzebny jest bardziej złożony model obejmujący wspomnianą wyżej liczbę kwantową J.
Wiadomo, że większość istotnych w praktyce reakcji chemicznych zachodzi w roztworach, w tym także reakcje tworzenia kompleksów, dlatego w kolejnym podrozdziale zajmiemy się właściwościami magnetycznymi roztworów, w których związki metali przejściowych realizują się w postaci kompleksów.
WYTRZYMAŁOŚĆ MAGNETYCZNA ROZTWORÓW
Przechodząc od ciała stałego do roztworu, należy wziąć pod uwagę podatność magnetyczną rozpuszczalnika i wszystkich substancji rozpuszczonych. W tym przypadku najprostszym sposobem uwzględnienia tego jest zsumowanie udziałów wszystkich składników rozwiązania zgodnie z zasadą addytywności. Zasada addytywności jest jedną z podstawowych zasad przetwarzania danych eksperymentalnych. Czasem zawodzi to nawet eksperymentatorów, gdyż ludzkiemu umysłowi trudno wyobrazić sobie inny mechanizm oddziaływania różnych czynników niż proste ich dodawanie. Wszelkie odstępstwa od tego najczęściej wiążą się z faktem, że spełniona jest sama zasada addytywności, a składniki roztworu zmieniają swoje właściwości. Dlatego przyjmuje się, że podatność magnetyczna roztworu jest równa sumie podatności magnetycznej poszczególnych składników, biorąc pod uwagę stężenie, gdzie ci to stężenie (w mol/l), cmi to molowa podatność magnetyczna roztworu dla i-tego składnika roztworu do określenia stężenia molowego stosuje się współczynnik 1/1000. W tym przypadku sumowanie przeprowadza się po wszystkich substancjach rozpuszczonych i rozpuszczalniku. Można zauważyć, że udziały substancji paramagnetycznych i diamagnetycznych w mierzonej podatności magnetycznej mają przeciwny znak i można je rozdzielić
cv(zmierzone) = cv(para) - cv(średnica).
Badając właściwości magnetyczne tej samej substancji w różnych rozpuszczalnikach (tabela 3), jasne jest, że mogą one w znacznym stopniu zależeć od charakteru rozpuszczalnika. Można to wytłumaczyć wejściem cząsteczek rozpuszczalnika do pierwszej sfery koordynacyjnej i odpowiednią zmianą struktury elektronowej kompleksu, energii orbitali d (D) i innych właściwości kompleksu solwatu. Zatem magnetochemia umożliwia również badanie solwatacji, czyli interakcji substancji rozpuszczonej z rozpuszczalnikiem.
W rozwiązaniach wyznaczenie cm i związków koordynacyjnych meff pozwala, jak wynika z przedstawionego powyżej materiału teoretycznego, na wyznaczenie szeregu parametrów strukturalnych (l, S, D), co czyni badania magnetochemiczne bardzo cennymi. Różne kompleksy tego samego jonu metalu mogą znacznie różnić się wartością efektywnego momentu magnetycznego. Na przykładzie miedzi(II) można zauważyć, że podczas tworzenia kompleksu efektywny moment magnetyczny wzrasta, a w przypadku tworzenia kompleksu dimerycznego maleje na skutek antyferromagnetycznego oddziaływania niesparowanych elektronów jonów miedzi(II). Poniżej podano właściwości magnetyczne kompleksowych związków miedzi (II). (Przy pisaniu wzorów stosowano skrócone oznaczenia ligandów przyjęte w chemii koordynacyjnej: acac – acetyloaceton CH3COCH3COCH3, H4Tart – kwas winowy HOOC(CHOH)2COOH.)
Kilka słów o wodzie „magnetycznej”, a dokładniej o roztworach wodnych (bo nawet woda destylowana zawiera zanieczyszczenia, np. rozpuszczony tlen, który jest paramagnetykiem). Temat ten wymaga oczywiście osobnego rozważenia, poruszymy go jedynie w związku z magnetochemią. Jeżeli pole magnetyczne wpływa na właściwości roztworu, a liczne fakty eksperymentalne (pomiary gęstości, lepkości, przewodności elektrycznej, stężenia protonów, podatności magnetycznej) wskazują, że tak jest, to należy uznać, że energia oddziaływań pomiędzy poszczególnych składników roztworu i zespołu cząsteczek wody jest dość duża, jest wówczas porównywalna lub przekracza energię ruchu termicznego cząstek w roztworze, co uśrednia jakikolwiek wpływ na roztwór. Przypomnijmy, że energia oddziaływania magnetycznego jednej cząstki (cząsteczki) jest niewielka w porównaniu z energią ruchu termicznego. Taka interakcja jest możliwa, jeśli przyjmiemy, że w wodzie i roztworach wodnych, dzięki kooperatywnemu charakterowi wiązań wodorowych, powstają duże lodowopodobne zespoły strukturalne cząsteczek wody, które pod wpływem rozpuszczonych substancji mogą ulegać wzmocnieniu lub zniszczeniu. Energia tworzenia takich „zespołów” jest pozornie porównywalna z energią ruchu termicznego i pod wpływem pola magnetycznego roztwór może ją zapamiętać i nabrać nowych właściwości, jednak ruchy Browna lub wzrost temperatury z czasem tę „pamięć” eliminują.
Należy pamiętać, że poprzez staranny dobór stężeń substancji paramagnetycznych w rozpuszczalniku diamagnetycznym możliwe jest wytworzenie cieczy niemagnetycznej, czyli takiej, której średnia podatność magnetyczna wynosi zero lub w której pola magnetyczne rozchodzą się dokładnie w taki sam sposób jak w odkurzacz. Ta interesująca właściwość nie znalazła jeszcze zastosowania w technologii.
Magnetyzacja materii. Magnesy trwałe mogą być wykonane ze stosunkowo niewielkiej liczby substancji, ale wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym ulegają namagnesowaniu, czyli same stają się źródłami pola magnetycznego. W rezultacie wektor indukcji magnetycznej w obecności materii różni się od wektora indukcji magnetycznej w próżni.
Hipoteza Ampera. Powód, dla którego ciała mają właściwości magnetyczne, ustalił francuski naukowiec Ampere. Początkowo, pod bezpośrednim wrażeniem obserwacji igły magnetycznej obracającej się w pobliżu przewodnika z prądem w eksperymentach Oersteda, Lmyer zasugerował, że magnetyzm Ziemi jest spowodowany prądami przepływającymi wewnątrz kuli. Główny krok został zrobiony: właściwości magnetyczne ciała można wyjaśnić prądami krążącymi w jego wnętrzu. Następnie Ampere doszedł do ogólnego wniosku: o właściwościach magnetycznych dowolnego ciała decydują zamknięte w nim prądy elektryczne. Ten zdecydowany krok od możliwości wyjaśnienia właściwości magnetycznych ciała za pomocą prądów do kategorycznego stwierdzenia, że oddziaływania magnetyczne są oddziaływaniami prądów, jest dowodem wielkiej odwagi naukowej Ampere’a.
Zgodnie z hipotezą Ampere'a elementarne prądy elektryczne krążą wewnątrz cząsteczek i atomów. (Teraz dobrze wiemy, że prądy te powstają w wyniku ruchu elektronów w atomach.) Jeśli płaszczyzny, w których krążą te prądy, są rozmieszczone losowo względem siebie w wyniku termicznego ruchu cząsteczek (ryc. 1.28, a) , wówczas ich działania wzajemnie się kompensują, a ciało nie wykazuje żadnych właściwości magnetycznych. W stanie namagnesowanym prądy elementarne w ciele są zorientowane tak, że ich działania sumują się (ryc. 1.28, b).
Hipoteza Ampere'a wyjaśnia, dlaczego igła magnetyczna i rama (obwód) z prądem w polu magnetycznym zachowują się w ten sam sposób (patrz § 2). Strzałkę można uznać za zbiór małych obwodów prądowych, zorientowanych w ten sam sposób.
Najsilniejsze pola magnetyczne wytwarzają substancje zwane ferromagnetykami. Pola magnetyczne powstają w ferromagnetykach nie tylko w wyniku rotacji elektronów wokół jąder, ale także w wyniku ich własnej rotacji.
Własny moment obrotowy elektronu (pęd pędu) nazywany jest spinem. Elektrony zawsze wydają się obracać wokół własnej osi i mając ładunek, tworzą pole magnetyczne wraz z polem, które pojawia się w wyniku ich ruchu orbitalnego wokół jąder. W ferromagnetykach istnieją obszary o równoległych orientacjach spinów zwane domenami; rozmiary domen wynoszą około 0,5 µm. Równoległa orientacja spinów zapewnia minimalną energię potencjalną. Jeśli ferromagnes nie jest namagnesowany, wówczas orientacja domen jest chaotyczna, a całkowite pole magnetyczne wytwarzane przez domeny wynosi zero. Po włączeniu zewnętrznego pola magnetycznego domeny są zorientowane wzdłuż linii indukcji magnetycznej tego pola, a indukcja pola magnetycznego w ferromagnetykach wzrasta, stając się tysiące, a nawet miliony razy większa niż indukcja pola zewnętrznego.
Temperatura Curie'go. W temperaturach powyżej pewnej specyficznej dla danego ferromagnetyku jego właściwości ferromagnetyczne zanikają. Temperatura ta nazywana jest temperaturą Curie od nazwiska francuskiego naukowca, który odkrył to zjawisko. Jeśli namagnetyzowany gwóźdź zostanie zbyt mocno podgrzany, straci on zdolność przyciągania żelaznych przedmiotów. Temperatura Curie dla żelaza wynosi 753°C, dla niklu 365°C, a dla kobaltu 1000°C. Istnieją stopy ferromagnetyczne o temperaturze Curie poniżej 100°C.
Pierwsze szczegółowe badania właściwości magnetycznych ferromagnetyków przeprowadził wybitny rosyjski fizyk A. G. Stoletow (1839-1896).
Ferromagnetyki i ich zastosowania. Chociaż w przyrodzie nie ma zbyt wielu ciał ferromagnetycznych, to właśnie ich właściwości magnetyczne znalazły największe praktyczne zastosowanie. Żelazny lub stalowy rdzeń cewki wielokrotnie wzmacnia wytwarzane przez siebie pole magnetyczne, bez zwiększania prądu w cewce. To oszczędza energię. Rdzenie transformatorów, generatorów, silników elektrycznych itp. wykonane są z ferromagnesów.
Po wyłączeniu zewnętrznego pola magnetycznego ferromagnes pozostaje namagnesowany, tj. wytwarza pole magnetyczne w otaczającej przestrzeni. Wyjaśnia to fakt, że domeny nie wracają do swojej poprzedniej pozycji, a ich orientacja jest częściowo zachowana. Dlatego istnieją magnesy trwałe.
Magnesy trwałe są szeroko stosowane w elektrycznych przyrządach pomiarowych, głośnikach i telefonach, urządzeniach rejestrujących dźwięk, kompasach magnetycznych itp.
Ferryty, materiały ferromagnetyczne, które nie przewodzą prądu elektrycznego, są szeroko stosowane. Są to związki chemiczne tlenków żelaza z tlenkami innych substancji. Jednym ze znanych materiałów ferromagnetycznych - magnetyczną rudą żelaza - jest ferryt.
Magnetyczny zapis informacji. Taśmy magnetyczne i cienkie folie magnetyczne produkowane są z materiałów ferromagnetycznych. Taśmy magnetyczne są szeroko stosowane do nagrywania dźwięku w magnetofonach i do nagrywania wideo w magnetowidach.
Taśma magnetyczna to elastyczna podstawa wykonana z polichlorku winylu lub innych substancji. Nakłada się na nią warstwę roboczą w postaci lakieru magnetycznego, składającą się z bardzo małych igiełkowatych cząstek żelaza lub innego materiału ferromagnetycznego oraz spoiw.
Dźwięk nagrywany jest na taśmę za pomocą elektromagnesu, którego pole magnetyczne zmienia się w czasie wraz z wibracjami dźwięku. Gdy taśma przesuwa się w pobliżu głowicy magnetycznej, różne fragmenty folii zostają namagnesowane. Obwód magnetycznej głowicy indukcyjnej pokazano na rysunku 1.29, a, gdzie 1 to rdzeń elektromagnesu; 2 - taśma magnetyczna; 3 - przerwa robocza; 4 - uzwojenie elektromagnesu.
Podczas odtwarzania dźwięku obserwuje się proces odwrotny: namagnesowana taśma wzbudza sygnały elektryczne w głowicy magnetycznej, które po wzmocnieniu przesyłane są do głośnika magnetofonu.
Cienkie folie magnetyczne składają się z warstwy materiału ferromagnetycznego o grubości od 0,03 do 10 mikronów.
Stosowane są w urządzeniach pamięci masowej komputerów elektronicznych (komputerów). Folie magnetyczne przeznaczone są do rejestrowania, przechowywania i odtwarzania informacji. Nakłada się je na cienki aluminiowy dysk lub bęben. Informacje są nagrywane i odtwarzane w podobny sposób, jak w konwencjonalnym magnetofonie. Zapisywanie informacji w komputerze może odbywać się również na taśmach magnetycznych.
Rozwój technologii zapisu magnetycznego doprowadził do pojawienia się mikrogłowic magnetycznych, które stosowane są w komputerach, pozwalając na uzyskanie niewyobrażalnej wcześniej gęstości zapisu magnetycznego. Ferromagnetyczny dysk twardy o średnicy mniejszej niż 8 cm przechowuje do kilku terabajtów (10 12 bajtów) informacji. Odczyt i zapis informacji na takim dysku odbywa się za pomocą mikrogłowicy umieszczonej na dźwigni obrotowej (ryc. 1.29, b). Sam dysk obraca się z ogromną prędkością, a głowica unosi się nad nim w strumieniu powietrza, co zapobiega możliwości mechanicznego uszkodzenia dysku.
Wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym tworzą własne pole. Najsilniejsze pola wytwarzają ferromagnetyki. Służą do wytwarzania magnesów trwałych, ponieważ pole ferromagnetyczne nie zanika po wyłączeniu pola magnesującego. Ferromagnetyki są szeroko stosowane w praktyce.
1. Jakie substancje nazywane są ferromagnetykami!
2. W jakim celu wykorzystuje się materiały ferromagnetyczne?
3. Jak informacje są zapisywane w komputerze!
Wszystkie substancje umieszczone w polu magnetycznym uzyskują właściwości magnetyczne, to znaczy ulegają namagnesowaniu, a co za tym idzie, w pewnym stopniu zmieniają pole zewnętrzne (początkowe). Magnesy podaj nazwy wszystkich substancji, biorąc pod uwagę ich właściwości magnetyczne. Okazuje się, że niektóre substancje osłabiają pole zewnętrzne, inne je wzmacniają; te pierwsze nazywane są diamagnetykami, te drugie - substancjami paramagnetycznymi, czyli w skrócie diamagnetykami i paramagnetykami. Ferromagnetyki nazywane są substancjami powodującymi bardzo duże zewnętrzne natężenie pola (żelazo krystaliczne, nikiel, kobalt, gadolin i dysyroz, a także niektóre stopy i tlenki tych metali oraz niektóre stopy manganu i chromu).
Zdecydowana większość substancji to substancje diamagnetyczne. Diamagnetyki to pierwiastki takie jak fosfor, siarka, antymon, węgiel, wiele metali (bizmut, rtęć, złoto, srebro, miedź itp.), większość związków chemicznych (woda, prawie wszystkie związki organiczne). Do materiałów paramagnetycznych zaliczają się niektóre gazy (tlen, azot) i metale (aluminium, wolfram, platyna, metale alkaliczne i ziem alkalicznych).
W przypadku substancji diamagnetycznych całkowity moment magnetyczny atomu (cząsteczki) jest równy zero, ponieważ orbitalne, spinowe i jądrowe momenty magnetyczne obecne w atomie są wzajemnie kompensowane. Jednakże pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego atomy te wytwarzają (indukują) moment magnetyczny, zawsze skierowany przeciwnie do pola zewnętrznego. W rezultacie ośrodek diamagnetyczny ulega namagnesowaniu i wytwarza własne pole magnetyczne, skierowane przeciwnie do pola zewnętrznego, osłabiając je (rysunek).
Indukowane momenty magnetyczne atomów diamagnetycznych utrzymują się tak długo, jak długo istnieje pole zewnętrzne. Kiedy pole zewnętrzne zostanie wyeliminowane, indukowane momenty magnetyczne atomów zanikają, a materiał diamagnetyczny zostaje namagnesowany.
W atomie (cząstce) substancji paramagnetycznych momenty magnetyczne orbitalne, spinowe i jądrowe nie kompensują się wzajemnie. Dlatego atomy paramagnetyczne zawsze mają moment magnetyczny, będąc niejako magnesami elementarnymi. Jednak atomowe momenty magnetyczne są ułożone losowo i dlatego ośrodek paramagnetyczny jako całość nie wykazuje właściwości magnetycznych. Zewnętrzne pole magnetyczne obraca atomy paramagnetyczne w taki sposób, że ich momenty magnetyczne ustalają się głównie w kierunku pola; pełnej orientacji zapobiega termiczny ruch atomów. W rezultacie paramagnet zostaje namagnesowany i wytwarza własne pole magnetyczne, które zawsze ma kierunek zgodny z kierunkiem pola zewnętrznego i w ten sposób je wzmacnia (rysunek).
Kiedy pole zewnętrzne zostanie wyeliminowane, ruch termiczny natychmiast niszczy orientację atomowych momentów magnetycznych i paramagnet ulega rozmagnesowaniu.
Ferromagnetyki mają wiele stosunkowo dużych obszarów, spontanicznie namagnesowanych do stanu nasycenia, zwanych domenami. Liniowe wymiary domeny są rzędu 10 -2 cm. Domena zrzesza wiele miliardów atomów; w obrębie jednej domeny momenty magnetyczne wszystkich atomów są zorientowane w ten sam sposób (bardziej dokładne są momenty magnetyczne spinowe elektronów wszystkich atomów). Jednakże orientacja samych domen jest zróżnicowana. Dlatego przy braku zewnętrznego pola magnetycznego ferromagnet jako całość okazuje się nienamagnesowany.
Wraz z pojawieniem się pola zewnętrznego domeny zorientowane swoim momentem magnetycznym w kierunku tego pola zaczynają zwiększać swoją objętość, ponieważ sąsiednie domeny mają różną orientację momentu magnetycznego; ferromagnes jest namagnesowany. Przy wystarczająco silnym polu wszystkie domeny obracają się całkowicie w kierunku pola, a ferromagnes szybko zostaje namagnesowany do stanu nasycenia.
Po wyeliminowaniu pola zewnętrznego ferromagnesy nie rozmagnesowują się całkowicie, ale zachowują resztkową indukcję magnetyczną, ponieważ ruch termiczny nie jest w stanie szybko zdezorientować tak dużych zbiorów atomów jak domeny.
Tkanki ciała są w dużej mierze diamagnetyczne, podobnie jak woda. Jednak ciało zawiera również substancje, cząsteczki i jony paramagnetyczne. W organizmie nie ma cząstek ferromagnetycznych.
Podstawowymi procesami fizycznymi lub fizykochemicznymi pod wpływem pola magnetycznego na układy biologiczne mogą być: orientacja cząsteczek, zmiany stężenia cząsteczek lub jonów w niejednorodnym polu magnetycznym, działanie siły (siła Lorentza) na poruszające się jony płyn biologiczny, efekt Halla występujący w polu magnetycznym podczas propagacji impulsu wzbudzenia elektrycznego itp.
Efekt Halla - pojawienie się w przewodniku umieszczonym w polu magnetycznym pola elektrycznego (pole Halla) skierowanego prostopadle N I J(gęstość prądu).
Obecnie nie ustalono jeszcze fizycznego charakteru oddziaływania pola magnetycznego na obiekty biologiczne.
Magnetoterapia- metoda fizjoterapii, która opiera się na działaniu na organizm zmiennego lub stałego pola magnetycznego o niskiej częstotliwości.
Pola magnetyczne w kierunku linii pola mogą być stałe lub zmienne i generowane w trybie ciągłym lub przerywanym (impulsowym) o różnych częstotliwościach, kształtach i czasie trwania impulsów. Pole magnetyczne powstające między biegunem północnym i południowym magnesu może być jednolite lub niejednorodne.
Wszystkie materiały mają w takim czy innym stopniu właściwości magnetyczne, ponieważ właściwości te są odzwierciedleniem wzorców strukturalnych właściwych materii na mikropoziomie. Cechy strukturalne determinują różnice we właściwościach magnetycznych substancji, to znaczy w naturze ich interakcji z polem magnetycznym.
Budowa materii i magnetyzm
Pierwszą teorię wyjaśniającą naturę magnetyzmu poprzez związek zjawisk elektrycznych i magnetycznych stworzył francuski fizyk J.-M. Amper w latach 20. XIX wieku. W ramach tej teorii Ampere zakładał obecność w ciałach fizycznych mikroskopijnych prądów zamkniętych, zwykle kompensujących się. Jednak w przypadku substancji o właściwościach magnetycznych takie „prądy molekularne” wytwarzają prąd powierzchniowy, powodując, że materiał staje się magnesem trwałym. Hipoteza ta nie została potwierdzona, z wyjątkiem jednej bardzo ważnej tezy – o mikroprądach jako źródłach pól magnetycznych.
Mikroprądy w materii faktycznie istnieją dzięki ruchowi elektronów w atomach i wytwarzają moment magnetyczny. Ponadto elektrony mają swój własny moment magnetyczny o charakterze kwantowym.
Całkowity moment magnetyczny substancji, czyli suma prądów elementarnych w niej występujących, w stosunku do jednostkowej objętości, określa stan namagnesowania ciała makroskopowego. W większości substancji momenty cząstek są zorientowane nieuporządkowane (wiodącą rolę odgrywają w tym drgania chaotyczne termicznie), a namagnesowanie jest praktycznie zerowe.
Zachowanie się materii w polu magnetycznym
Pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego wektory momentów magnetycznych cząstek zmieniają kierunek - ciało zostaje namagnesowane i pojawia się w nim własne pole magnetyczne. Charakter tej zmiany i jej intensywność, które decydują o właściwościach magnetycznych substancji, są zdeterminowane różnymi czynnikami:
- cechy budowy powłok elektronowych w atomach i cząsteczkach materii;
- oddziaływania międzyatomowe i międzycząsteczkowe;
- cechy struktury sieci krystalicznych (anizotropia);
- temperatura substancji;
- siła i konfiguracja pola magnetycznego i tak dalej.
Namagnesowanie substancji jest proporcjonalne do siły znajdującego się w niej pola magnetycznego. Ich stosunek określa specjalny współczynnik - podatność magnetyczna. W próżni wynosi zero, w niektórych substancjach jest ujemna.
Wielkość charakteryzująca stosunek indukcji magnetycznej do natężenia pola w substancji nazywa się zwykle przenikalnością magnetyczną. W próżni indukcja i napięcie pokrywają się, a jej przepuszczalność jest równa jedności. Przepuszczalność magnetyczną substancji można wyrazić jako wartość względną. Jest to stosunek jej wartości bezwzględnych dla danej substancji i dla próżni (ta ostatnia wartość jest przyjmowana jako stała magnetyczna).
Klasyfikacja substancji według właściwości magnetycznych
W zależności od rodzaju zachowania różnych materiałów stałych, cieczy, gazów w polu magnetycznym wyróżnia się kilka grup:
- materiały diamagnetyczne;
- materiały paramagnetyczne;
- ferromagnesy;
- ferrimagnetyki;
- antyferromagnetyki.
Główne właściwości magnetyczne substancji leżące u podstaw klasyfikacji to podatność magnetyczna i przenikalność magnetyczna. Scharakteryzujmy główne właściwości charakterystyczne dla każdej grupy.
Diamagnetyki
Ze względu na pewne cechy strukturalne chmur elektronowych atomy (lub cząsteczki) materiałów diamagnetycznych nie mają momentu magnetycznego. Pojawia się, gdy pojawia się pole zewnętrzne. Indukowane, indukowane pole ma przeciwny kierunek, a powstałe pole okazuje się nieco słabsze niż zewnętrzne. To prawda, że ta różnica nie może być znacząca.
Podatność magnetyczna materiałów diamagnetycznych wyrażana jest liczbami ujemnymi o rzędzie wielkości od 10-4 do 10-6 i nie zależy od natężenia pola; przenikalność magnetyczna jest mniejsza niż próżni o ten sam rząd wielkości.
Przyłożenie nierównomiernego pola magnetycznego powoduje, że materiał diamagnetyczny jest przez to pole wypychany, gdyż ma on tendencję do przemieszczania się w rejon, w którym pole jest słabsze. Efekt lewitacji diamagnetycznej opiera się na tej cesze właściwości magnetycznych substancji z tej grupy.
Diamagnetyki reprezentują szeroką grupę substancji. Obejmuje metale takie jak miedź, cynk, złoto, srebro i bizmut. Obejmuje również krzem, german, fosfor, azot, wodór i gazy obojętne. Substancje złożone obejmują wodę, wiele soli i związki organiczne. Idealnymi materiałami diamagnetycznymi są nadprzewodniki. Ich przenikalność magnetyczna wynosi zero. Pole nie może przeniknąć do nadprzewodnika.
Paramagnetyki
Substancje należące do tej grupy charakteryzują się dodatnią podatnością magnetyczną (bardzo niską, około 10-5 – 10-6). Są namagnesowane równolegle do wektora przyłożonego pola, czyli są do niego wciągane, ale oddziaływanie z nim materiałów paramagnetycznych jest bardzo słabe, podobnie jak materiałów diamagnetycznych. Ich przenikalność magnetyczna jest bliska przenikalności próżni, tylko nieznacznie ją przekracza.
W przypadku braku pola zewnętrznego paramagnetyki z reguły nie mają namagnesowania: ich atomy mają własne momenty magnetyczne, ale są zorientowane losowo z powodu wibracji termicznych. W niskich temperaturach materiały paramagnetyczne mogą wykazywać niewielkie namagnesowanie wewnętrzne, które w dużym stopniu zależy od wpływów zewnętrznych. Jednakże wpływ ruchu termicznego jest zbyt duży, w wyniku czego elementarne momenty magnetyczne paramagnetyków nigdy nie są ustawione dokładnie w kierunku pola. Jest to przyczyną ich małej podatności magnetycznej.
Istotną rolę odgrywają także siły oddziaływań międzyatomowych i międzycząsteczkowych, które sprzyjają lub wręcz przeciwnie, utrudniają uporządkowanie elementarnych momentów magnetycznych. Powoduje to szeroką gamę właściwości magnetycznych substancji paramagnetycznych.
Do tej grupy substancji zalicza się wiele metali, takich jak wolfram, aluminium, mangan, sód i magnez. Tlen, sole żelaza i niektóre tlenki są paramagnetykami.
Ferromagnetyki
Istnieje niewielka grupa substancji, które ze względu na swoje cechy strukturalne mają bardzo wysokie właściwości magnetyczne. Pierwszym metalem, w którym odkryto te właściwości, było żelazo i dzięki niemu grupa ta otrzymała nazwę ferromagnetyków.
Strukturę ferromagnetyków charakteryzuje obecność specjalnych struktur - domen. Są to obszary, w których namagnesowanie tworzy się samoistnie. Ze względu na specyfikę oddziaływań międzyatomowych i międzycząsteczkowych w ferromagnetykach ustalono najbardziej korzystny energetycznie układ atomowych i elektronicznych momentów magnetycznych. Uzyskują równoległą orientację wzdłuż tzw. kierunków łatwego namagnesowania. Jednak cała objętość, na przykład kryształu żelaza, nie może uzyskać jednokierunkowego, spontanicznego namagnesowania - zwiększyłoby to całkowitą energię układu. Dlatego system jest podzielony na sekcje, których spontaniczne namagnesowanie w ciele ferromagnetycznym kompensuje się wzajemnie. W ten sposób powstają domeny.
Podatność magnetyczna ferromagnetyków jest niezwykle wysoka, może wynosić od kilkudziesięciu do setek tysięcy i w dużej mierze zależy od siły pola zewnętrznego. Dzieje się tak dlatego, że orientacja domen wzdłuż kierunku pola również okazuje się korzystna energetycznie. Kierunek wektora namagnesowania niektórych domen będzie koniecznie pokrywał się z wektorem natężenia pola, a ich energia będzie najmniejsza. Obszary takie rosną, a jednocześnie kurczą się domeny niekorzystnie zorientowane. Namagnesowanie wzrasta, a indukcja magnetyczna wzrasta. Proces ten przebiega nierównomiernie, a wykres zależności między indukcją a natężeniem pola zewnętrznego nazywa się krzywą namagnesowania substancji ferromagnetycznej.
Kiedy temperatura wzrasta do pewnej wartości progowej, zwanej punktem Curie, struktura domeny zostaje zakłócona z powodu zwiększonego ruchu termicznego. W tych warunkach ferromagnes wykazuje właściwości paramagnetyczne.
Oprócz żelaza i stali właściwości ferromagnetyczne są nieodłącznie związane z kobaltem i niklem, niektórymi stopami i metalami ziem rzadkich.
Ferrimagnetyki i antyferromagnesy
Te dwa typy magnesów również mają strukturę domenową, ale momenty magnetyczne w nich są zorientowane antyrównolegle. Są to takie grupy jak:
- Antyferromagnesy. Momenty magnetyczne domen w tych substancjach są równe co do wartości liczbowej i wzajemnie się kompensują. Z tego powodu właściwości magnetyczne materiałów antyferromagnetycznych charakteryzują się wyjątkowo niską podatnością magnetyczną. W polu zewnętrznym manifestują się jako bardzo słabe paramagnetyki. Powyżej temperatury progowej zwanej punktem Néela taka substancja staje się zwykłym paramagnetykiem. Antyferromagnetykami są chrom, mangan, niektóre metale ziem rzadkich i aktynowce. Niektóre stopy antyferromagnetyczne mają dwa punkty Néela. Gdy temperatura spadnie poniżej dolnego progu, materiał staje się ferromagnetyczny.
- Ferrimagnetyki. W substancjach tej klasy wielkości momentów magnetycznych różnych jednostek konstrukcyjnych nie są równe, przez co nie następuje ich wzajemna kompensacja. Ich podatność magnetyczna zależy od temperatury i siły pola magnesującego. Ferrimagnetyki obejmują ferryty zawierające tlenek żelaza.
Pojęcie histerezy. Magnetyzm trwały
Materiały ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne mają właściwość namagnesowania szczątkowego. Właściwość ta wynika ze zjawiska histerezy – opóźnienia. Jego istotą jest to, że zmiana namagnesowania materiału pozostaje w tyle za zmianą pola zewnętrznego. Jeśli po osiągnięciu nasycenia natężenie pola ulegnie zmniejszeniu, namagnesowanie będzie się zmieniać nie zgodnie z krzywą namagnesowania, ale w sposób bardziej stopniowy, ponieważ znaczna część domen pozostaje zorientowana zgodnie z wektorem pola. Dzięki temu zjawisku istnieją magnesy trwałe.
Rozmagnesowanie następuje, gdy zmienia się kierunek pola, gdy osiąga ono pewną wartość zwaną siłą przymusu (utrzymującą). Im większa jest jego wartość, tym lepiej substancja zachowuje namagnesowanie resztkowe. Pętla histerezy zamyka się wraz z następną zmianą kierunku i wielkości napięcia.
Twardość i miękkość magnetyczna
Zjawisko histerezy w ogromnym stopniu wpływa na właściwości magnetyczne materiałów. Substancje, w których pętla na wykresie histerezy jest rozszerzona i wymagają do rozmagnesowania znacznej siły koercyjnej, nazywane są magnesami twardymi, natomiast materiały o wąskiej pętli, które są znacznie łatwiejsze do rozmagnesowania, nazywane są magnesami miękkimi.
W polach przemiennych histereza magnetyczna objawia się szczególnie wyraźnie. Zawsze towarzyszy temu wydzielanie ciepła. Ponadto w zmiennym polu magnetycznym w magnesie powstają wirowe prądy indukcyjne, które generują szczególnie dużo ciepła.
Wiele ferromagnesów i ferrimagnetyków jest stosowanych w sprzęcie zasilanym prądem przemiennym (na przykład rdzenie elektromagnesów) i są one stale ponownie namagnesowane podczas pracy. Aby zmniejszyć straty energii spowodowane histerezą i straty dynamiczne spowodowane prądami wirowymi, w takich urządzeniach stosuje się miękkie materiały magnetyczne, takie jak czyste żelazo, ferryty, stale elektrotechniczne i stopy (na przykład permalloj). Istnieją inne sposoby minimalizacji strat energii.
Natomiast twarde substancje magnetyczne są stosowane w urządzeniach pracujących w stałym polu magnetycznym. Zachowują resztkowe namagnesowanie znacznie dłużej, ale trudniej jest namagnesować je do nasycenia. Wiele z nich to obecnie różnego rodzaju kompozyty, np. magnesy cermetalowe czy neodymowe.
Trochę więcej o zastosowaniu materiałów magnetycznych
Nowoczesna, zaawansowana technologicznie produkcja wymaga stosowania magnesów wykonanych z materiałów konstrukcyjnych, w tym materiałów kompozytowych, o określonych właściwościach magnetycznych substancji. Są to na przykład ferromagnetyczno-nadprzewodnikowe lub ferromagnetyczno-paramagnetyczne nanokompozyty magnetyczne stosowane w spintronice, czy szeroko stosowane magnetopolimery - żele, elastomery, lateksy, ferrofluidy.
Bardzo poszukiwane są również różne stopy magnetyczne. Stop neodymowo-żelazowo-borowy charakteryzuje się dużą odpornością na rozmagnesowanie i mocą: wspomniane magnesy neodymowe, będące jak dotąd najpotężniejszymi magnesami trwałymi, znajdują zastosowanie w bardzo różnorodnych gałęziach przemysłu, pomimo występowania pewnych wad, jak np. kruchość. Znajdują zastosowanie w skanerach rezonansu magnetycznego, generatorach wiatrowych, przy oczyszczaniu płynów technicznych i podnoszeniu ciężkich ładunków.
Bardzo interesujące są perspektywy wykorzystania antyferromagnesów w nanostrukturach niskotemperaturowych do produkcji komórek pamięci, które mogą znacząco zwiększyć gęstość zapisu bez zakłócania stanu sąsiednich bitów.
Należy założyć, że wykorzystanie właściwości magnetycznych substancji o zadanych właściwościach będzie się coraz bardziej rozszerzać i zapewniać poważne przełomy technologiczne w różnych dziedzinach.
Ładowanie...