Tính chất từ của vật liệu là một loại hiện tượng vật lý được trung gian bởi các trường. Dòng điện và mômen từ của các hạt cơ bản tạo ra một trường tác dụng lên các dòng điện khác. Các hiệu ứng quen thuộc nhất xảy ra trong các vật liệu sắt từ, bị từ trường hút mạnh và có thể bị nhiễm từ vĩnh viễn, tạo ra các trường tích điện.
Chỉ một số chất là sắt từ. Để xác định mức độ phát triển của hiện tượng này trong một chất cụ thể, người ta phân loại vật liệu theo tính chất từ tính. Phổ biến nhất là sắt, niken và coban và hợp kim của chúng. Tiền tố ferro- dùng để chỉ sắt vì từ tính vĩnh cửu lần đầu tiên được quan sát thấy trong sắt rỗng, một dạng quặng sắt tự nhiên được gọi là tính chất từ của vật liệu, Fe3O4.
Vật liệu thuận từ
Mặc dùsắt từ chịu trách nhiệm cho hầu hết các tác động của từ tính gặp trong cuộc sống hàng ngày, tất cả các vật liệu khác đều bị ảnh hưởng bởi trường ở một mức độ nào đó, cũng như một số loại từ tính khác. Các chất thuận từ như nhôm và oxy bị hút yếu trong từ trường. Các chất nghịch từ như đồng và cacbon đẩy lùi yếu.
Trong khi các vật liệu phản sắt từ như crom và kính spin có mối quan hệ phức tạp hơn với từ trường. Độ bền của nam châm trên các vật liệu thuận từ, nghịch từ và phản sắt từ thường quá yếu để có thể cảm nhận được và chỉ có thể được phát hiện bằng các dụng cụ trong phòng thí nghiệm, vì vậy những chất này không có trong danh sách các vật liệu có đặc tính từ tính.
Điều kiện
Trạng thái từ (hoặc pha) của vật liệu phụ thuộc vào nhiệt độ và các biến khác như áp suất và từ trường tác dụng. Một vật liệu có thể thể hiện nhiều hơn một dạng từ tính khi các biến số này thay đổi.
Lịch sử
Tính chất từ tính của vật liệu lần đầu tiên được phát hiện trong thế giới cổ đại khi mọi người nhận thấy rằng nam châm, những mảnh khoáng chất có từ tính tự nhiên, có thể hút sắt. Từ "nam châm" bắt nguồn từ thuật ngữ tiếng Hy Lạp Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "đá magie, đá chân".
Ở Hy Lạp cổ đại, Aristotle đã cho là người đầu tiên trong số những gì có thể được gọi là một cuộc thảo luận khoa học về tính chất từ của vật liệu,nhà triết học Thales của Miletus, sống từ năm 625 trước Công nguyên. e. trước 545 trước công nguyên e. Văn bản y học cổ của Ấn Độ Sushruta Samhita mô tả việc sử dụng magnetite để loại bỏ các mũi tên được cắm trên cơ thể con người.
Trung Quốc cổ đại
Ở Trung Quốc cổ đại, tài liệu tham khảo văn học sớm nhất về tính chất điện và từ của vật liệu được tìm thấy trong một cuốn sách thế kỷ thứ 4 trước Công nguyên mang tên tác giả của nó, Nhà hiền triết của Thung lũng ma. Đề cập sớm nhất về lực hút của kim là trong tác phẩm của thế kỷ 1 Lunheng (Yêu cầu cân bằng): "Nam châm hút kim."
Nhà khoa học Trung Quốc vào thế kỷ 11, Shen Kuo là người đầu tiên đã mô tả - trong Tiểu luận Bể bơi giấc mơ - một la bàn từ có gắn kim và nó đã cải thiện độ chính xác của việc điều hướng thông qua các phương pháp thiên văn. khái niệm về phương bắc đích thực. Vào thế kỷ 12, người Trung Quốc đã biết sử dụng la bàn nam châm để điều hướng. Họ đã tạo hình chiếc thìa dẫn hướng bằng đá để tay cầm của chiếc thìa luôn hướng về phía nam.
Thời Trung Cổ
Alexander Neckam, vào năm 1187, là người đầu tiên ở Châu Âu mô tả la bàn và việc sử dụng nó để điều hướng. Nhà nghiên cứu này lần đầu tiên ở Châu Âu đã xác lập kỹ lưỡng các đặc tính của vật liệu từ tính. Năm 1269, Peter Peregrine de Maricourt viết Epistola de magnete, luận thuyết đầu tiên còn sót lại mô tả các đặc tính của nam châm. Năm 1282, các đặc tính của la bàn và vật liệu có từ tính đặc biệt đã được al-Ashraf, một nhà vật lý, thiên văn học và địa lý học người Yemen, mô tả.
Renaissance
Năm 1600, William Gilbert xuất bảncủa ông “Magnetic Corpus” và “Magnetic Tellurium” (“Trên Magnet và Magnetic Bodies, và cả trên Great Earth Magnet”). Trong bài báo này, anh ấy mô tả nhiều thí nghiệm của mình với trái đất mô hình của mình, được gọi là terrella, nhờ đó anh ấy đã tiến hành nghiên cứu về các đặc tính của vật liệu từ tính.
Từ các thí nghiệm của mình, ông đã đi đến kết luận rằng bản thân Trái đất có từ tính và đây là lý do tại sao la bàn lại hướng về phía Bắc (trước đó, một số người tin rằng đó là sao cực (Polaris) hoặc một hòn đảo từ tính lớn ở phía Bắc Cực thu hút la bàn).
Thời gian mới
Sự hiểu biết về mối quan hệ giữa điện và các vật liệu có tính chất từ tính đặc biệt xuất hiện vào năm 1819 trong công trình của Hans Christian Oersted, một giáo sư tại Đại học Copenhagen, người đã phát hiện ra bằng cách vô tình kéo kim la bàn gần một dây dẫn điện. dòng điện có thể tạo ra từ trường. Thử nghiệm mang tính bước ngoặt này được gọi là Thử nghiệm được thử nghiệm. Một số thí nghiệm khác được thực hiện theo André-Marie Ampère, người đã phát hiện ra vào năm 1820 rằng từ trường lưu thông trong một đường dẫn kín có liên quan đến dòng điện chạy quanh chu vi của đường dẫn.
Carl Friedrich Gauss đã tham gia vào nghiên cứu từ tính. Jean-Baptiste Biot và Felix Savart vào năm 1820 đã đưa ra định luật Biot-Savart, đưa ra phương trình mong muốn. Michael Faraday, người đã phát hiện ra vào năm 1831 rằng một từ thông biến thiên theo thời gian qua một vòng dây gây ra một hiệu điện thế. Và các nhà khoa học khác đã tìm ra mối liên hệ xa hơn giữa từ tính và điện.
Thế kỷ XX và của chúng tôithời gian
James Clerk Maxwell đã tổng hợp và mở rộng hiểu biết này về các phương trình của Maxwell bằng cách thống nhất điện, từ và quang học trong lĩnh vực điện từ. Năm 1905, Einstein sử dụng các định luật này để thúc đẩy lý thuyết tương đối hẹp của mình bằng cách yêu cầu các định luật phải đúng trong mọi hệ quy chiếu quán tính.
Điện từ học đã tiếp tục phát triển sang thế kỷ 21, được đưa vào các lý thuyết cơ bản hơn của lý thuyết đo, điện động lực học lượng tử, lý thuyết điện yếu và cuối cùng là mô hình chuẩn. Ngày nay, các nhà khoa học đang nghiên cứu các đặc tính từ tính của vật liệu cấu trúc nano với các vật liệu có thể và chính. Nhưng những khám phá vĩ đại và tuyệt vời nhất trong lĩnh vực này có lẽ vẫn còn ở phía trước của chúng ta.
Cốt
Tính chất từ của vật liệu chủ yếu do mômen từ của các electron quỹ đạo của nguyên tử tạo nên. Mômen từ của hạt nhân nguyên tử thường nhỏ hơn mômen của electron hàng nghìn lần, và do đó chúng không đáng kể trong điều kiện từ hóa của vật liệu. Tuy nhiên, mômen từ hạt nhân rất quan trọng trong các bối cảnh khác, đặc biệt là trong cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) và chụp cộng hưởng từ (MRI).
Thông thường, số lượng lớn các electron trong một vật liệu được sắp xếp theo cách mà mômen từ của chúng (cả quỹ đạo và bên trong) đều bị vô hiệu hóa. Ở một mức độ nào đó, điều này là do thực tế là các electron kết hợp thành từng cặp với mômen từ nội tại ngược nhau do nguyên lý Pauli (xem Cấu hình electron) và kết hợp thành các vỏ con đầy với chuyển động quỹ đạo thuần bằng không.
BTrong cả hai trường hợp, các điện tử chủ yếu sử dụng các mạch trong đó mômen từ của mỗi điện tử bị triệt tiêu bởi mômen ngược lại của điện tử kia. Hơn nữa, ngay cả khi cấu hình electron như vậy có các electron chưa ghép đôi và / hoặc các vỏ con chưa được lấp đầy, thường xảy ra trường hợp các electron khác nhau trong chất rắn sẽ đóng góp mômen từ hướng theo các hướng ngẫu nhiên, khác nhau, do đó vật liệu sẽ không từ tính.
Đôi khi, do tự phát hoặc do từ trường bên ngoài tác dụng, trung bình mỗi mômen từ của electron sẽ thẳng hàng. Vật liệu phù hợp sau đó có thể tạo ra từ trường mạnh.
Hành vi từ tính của một vật liệu phụ thuộc vào cấu trúc của nó, đặc biệt là cấu hình điện tử của nó, vì những lý do đã nêu ở trên, và cả nhiệt độ. Ở nhiệt độ cao, chuyển động nhiệt ngẫu nhiên khiến các electron khó sắp xếp.
Từ tính
Từ tính có trong tất cả các vật liệu và là xu hướng của vật liệu chống lại từ trường đặt vào và do đó đẩy lùi từ trường. Tuy nhiên, trong một vật liệu có đặc tính thuận từ (tức là có xu hướng tăng cường từ trường bên ngoài), hành vi thuận từ chiếm ưu thế. Do đó, mặc dù sự xuất hiện phổ biến, hành vi nghịch từ chỉ được quan sát thấy trong một vật liệu thuần từ. Không có các điện tử chưa ghép đôi trong vật liệu nghịch từ, vì vậy mômen từ nội tại của các điện tử không thể tạo rabất kỳ hiệu ứng âm lượng nào.
Xin lưu ý rằng mô tả này chỉ nhằm mục đích khám phá. Định lý Bohr-Van Leeuwen chỉ ra rằng nghịch từ là không thể theo vật lý cổ điển và để hiểu đúng cần có một mô tả cơ học lượng tử.
Lưu ý rằng tất cả các vật liệu đều trải qua phản ứng quỹ đạo này. Tuy nhiên, trong các chất thuận từ và sắt từ, hiệu ứng nghịch từ bị triệt tiêu bởi các hiệu ứng mạnh hơn nhiều do các điện tử chưa ghép đôi gây ra.
Có các electron chưa ghép đôi trong vật liệu thuận từ; nghĩa là các obitan nguyên tử hoặc phân tử với chính xác một electron trong chúng. Trong khi nguyên lý loại trừ Pauli yêu cầu các electron ghép đôi phải có mômen từ ("spin") của riêng chúng hướng theo các hướng ngược nhau, khiến từ trường của chúng bị triệt tiêu, một điện tử chưa ghép đôi có thể căn chỉnh mômen từ của nó theo một trong hai hướng. Khi trường bên ngoài được áp dụng, những khoảnh khắc này sẽ có xu hướng căn chỉnh theo cùng hướng với trường được áp dụng, tăng cường sức mạnh cho nó.
Sắt từ
Một chất sắt từ, như một chất thuận từ, có các điện tử chưa ghép đôi. Tuy nhiên, ngoài xu hướng của mômen từ nội tại của các electron là song song với trường đặt vào, trong các vật liệu này còn có xu hướng cho các mômen từ này tự định hướng song song với nhau để duy trì trạng thái giảm. năng lượng. Do đó, ngay cả khi không có trường áp dụngmômen từ của các electron trong vật liệu sắp xếp song song với nhau một cách tự phát.
Mỗi chất sắt từ có một nhiệt độ riêng, được gọi là nhiệt độ Curie, hoặc điểm Curie, trên đó chất sắt từ sẽ mất đi tính chất sắt từ. Điều này là do xu hướng rối loạn nhiệt lấn át sự giảm năng lượng do trật tự sắt từ.
Tính chất sắt từ chỉ xảy ra ở một số ít chất; sắt, niken, coban, hợp kim của chúng và một số hợp kim đất hiếm là phổ biến.
Mômen từ của các nguyên tử trong vật liệu sắt từ khiến chúng hoạt động giống như những nam châm vĩnh cửu cực nhỏ. Chúng dính vào nhau và kết hợp thành các vùng nhỏ có sự sắp xếp đồng đều hơn hoặc ít hơn được gọi là miền từ tính hoặc miền Weiss. Các miền từ có thể được quan sát bằng cách sử dụng kính hiển vi lực từ để tiết lộ các ranh giới miền từ giống như các đường trắng trong bản phác thảo. Có rất nhiều thí nghiệm khoa học có thể cho thấy từ trường một cách vật lý.
Vai trò của các miền
Khi một miền chứa quá nhiều phân tử, nó sẽ trở nên không ổn định và tách thành hai miền được căn chỉnh theo hướng ngược nhau để kết dính với nhau ổn định hơn, như hình bên phải.
Khi tiếp xúc với từ trường, các ranh giới miền di chuyển để các miền được căn chỉnh từ tính phát triển và chiếm ưu thế trong cấu trúc (vùng màu vàng có chấm), như hình bên trái. Khi trường từ hóa bị loại bỏ, các miền có thể không trở lại trạng thái không từ hóa. Điều này dẫn đếnbởi vì vật liệu sắt từ bị nhiễm từ, tạo thành nam châm vĩnh cửu.
Khi từ hóa đủ mạnh để miền ưu thế chồng lên tất cả các miền khác, dẫn đến chỉ hình thành một miền riêng biệt, vật liệu đã bão hòa từ tính. Khi một vật liệu sắt từ bị nhiễm từ được nung nóng đến nhiệt độ điểm Curie, các phân tử trộn lẫn đến mức mà các miền từ bị mất tổ chức và các đặc tính từ mà chúng gây ra chấm dứt. Khi vật liệu được làm lạnh, cấu trúc liên kết miền này tự phát trở lại, gần giống với cách một chất lỏng có thể đóng băng thành chất rắn kết tinh.
Chất chống nam châm
Trong phản nam châm, không giống như nam châm, mômen từ nội tại của các điện tử hóa trị lân cận có xu hướng hướng ngược chiều nhau. Khi tất cả các nguyên tử được sắp xếp trong một chất sao cho mỗi chất láng giềng là phản song song thì chất đó là phản sắt từ. Các nam châm phản lực có mômen từ trường thực bằng 0, có nghĩa là chúng không tạo ra từ trường.
Phản nam châm hiếm hơn các loại hành vi khác và thường được quan sát thấy ở nhiệt độ thấp. Ở các nhiệt độ khác nhau, nam châm phản từ thể hiện tính chất nghịch từ và sắt từ.
Trong một số vật liệu, các điện tử lân cận thích hướng theo các hướng ngược nhau, nhưng không có sự sắp xếp hình học trong đó mỗi cặp điện tử lân cận chống đối nhau. Nó được gọi là thủy tinh quay vàlà một ví dụ về sự thất vọng về hình học.
Tính chất từ của vật liệu sắt từ
Giống như sắt từ, sắt từ vẫn giữ nguyên từ tính của chúng khi không có trường. Tuy nhiên, giống như phản nam châm, các cặp spin điện tử liền kề có xu hướng quay ngược chiều nhau. Hai tính chất này không mâu thuẫn với nhau bởi vì, trong một sắp xếp hình học tối ưu, mômen từ từ mạng con của các electron hướng theo cùng một hướng lớn hơn từ mạng con hướng theo hướng ngược lại.
Hầu hết các loại sắt có từ tính. Tính chất từ của vật liệu sắt từ ngày nay được coi là không thể phủ nhận. Chất từ tính đầu tiên được phát hiện, magnetit, là một ferit và ban đầu được cho là một chất sắt từ. Tuy nhiên, Louis Neel đã bác bỏ điều này khi phát hiện ra từ tính sắt từ.
Khi một nam châm hoặc sắt từ đủ nhỏ, nó hoạt động như một spin từ trường duy nhất chịu chuyển động Brown. Phản ứng của nó đối với từ trường về mặt chất lượng tương tự như phản ứng của một paramagnet, nhưng hơn thế nữa.
Nam châm điện
Nam châm điện là một nam châm trong đó có dòng điện tạo ra từ trường. Từ trường biến mất khi ngắt dòng điện. Nam châm điện thường bao gồm một số lượng lớn các vòng dây gần nhau tạo ra từ trường. Cuộn dây thường được quấn quanh lõi từ làm bằng vật liệu sắt từ hoặc sắt từ.một vật liệu chẳng hạn như sắt; lõi từ tập trung từ thông và tạo ra nam châm mạnh hơn.
Ưu điểm chính của nam châm điện so với nam châm vĩnh cửu là từ trường có thể thay đổi nhanh chóng bằng cách kiểm soát lượng dòng điện trong cuộn dây. Tuy nhiên, không giống như nam châm vĩnh cửu, không cần nguồn điện, nam châm điện yêu cầu cung cấp dòng điện liên tục để duy trì từ trường.
Nam châm điện được sử dụng rộng rãi như các thành phần của các thiết bị điện khác như động cơ, máy phát điện, rơ le, điện trở, loa phóng thanh, ổ cứng, máy MRI, dụng cụ khoa học và thiết bị tách từ tính. Nam châm điện còn được dùng trong công nghiệp để kẹp và di chuyển các vật nặng bằng sắt như sắt thép vụn. Điện từ học được phát hiện vào năm 1820. Đồng thời, bảng phân loại vật liệu theo tính chất từ tính đầu tiên đã được công bố.
