4. Magnetyczne własności materii

Magnes: ciało lub urządzenie wytwarzające stałe pole magnetyczne.

Materiał magnetyczny: jest to materiał wykazujący własności magnetyczne. Generalnie, wszystkie pierwiastki chemiczne i wszystkie ich związki chemiczne wykazują pewne własności magnetyczne.

*Dipol magnetyczny: układ dwóch różnoimiennych biegunów magnetycznych znajdujących się względem siebie w pewnej skończonej odległości.

-Dipol elektryczny- układ dwóch różnoimiennych ładunków elektrycznych q, umieszczonych w pewnej odległości l od siebie. Linia przechodząca przez oba ładunki nazywa się osią dipola; tego rodzaju dipole wykazują elektryczny moment dipolowy.

-Dipol magnetyczny- układ wytwarzający pole magnetyczne, które cechuje magnetyczny moment dipolowy np. magnes trwały, solenoid lub pojedyncza pętla z prądem. Wszystkie skończone źródła pola magnetycznego są dipolami.

-Dipol w płaskim przepływie cieczy doskonałej- układ źródła i upustu o jednakowych wydatkach, gdy odległość między nimi dąży do zera.

-antena dipolowa- antena w kształcie dwóch ramion, nie połączonych ze sobą (dipol prosty) lub złączonych końcami (dipol pętlowy). Typowym dipolem są odbiorcze dachowe anteny radiowo-telewizyjne.

*moment magnetyczny: opisuje pole magnetyczne wytwarzane przez ciało oraz jego oddziaływanie z polem magnetycznym. Z reguły mówi się o dipolowym momencie magnetycznym, choć można zaobserwować także wyższą multipol owość momentu magnetycznego. Pole magnetyczne jest bezźródłowe, z czego wynika, że nie istnieją monopole magnetyczne.

Dla prądu płynącego w cienkim przewodzie w płaskiej pętli, dipolowy moment magnetyczny jest pseudowektorem, skierowanym prostopadle do powierzchni pętli.

*Magnetyzm ziemski: pole magnetyczne, występujące naturalnie wewnątrz i wokół Ziemi. Jego źródłem jest jądro ziemskie, ale mechanizm jego powstawania nadal nie jest znany.

Pole magnetyczne wokół Ziemi jest stosunkowo słabe, można je jednak wykorzystać np. do określania kierunku za pomocą igły magnetycznej w kompasie.

*elektron został odkryty przez J. J. Thomsona

*Prawa Maxwella (układ równań Maxwella): prawa stanowiące podstawę zjawisk elektromagnetycznych.

J. C. Maxwell zebrał w całość zjawiska i kierujące nimi prawa, związane z polem elektrycznym i magnetycznym i przedstawił je jako układ Maxwella.

Mogą być one przedstawione w postaci całkowej lub różniczkowej.

1. zmienne pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne, które może wywołać prąd elektryczny

(uogólnione prawo indukcji Faradaya)-

Siła elektromotoryczna jest równa szybkości zmian strumienia magnetycznego. 

1. prąd elektryczny lub zmienne pole elektryczne wytwarza wirowe pole magnetyczne

(uogólnione prawo przepływu prądów Ampera)-

Scałkowane pole magnetyczne wzdłuż zamkniętej pętli jest równe sumie prądów, jakie przecinają powierzchnię opisaną przez tę pętlę. 

1. wokół ładunku powstaje pole elektryczne o indukcji odwrotnie proporcjonalnej do kwadratu odległości

(prawo Gaussa dla pola elektrycznego)

Zsumowany strumień pola elektrycznego wychodzący przez zamkniętą powierzchnię jest równy ładunkowi netto zawartemu wewnątrz tej powierzchni.

1. nie istnieją monopole magnetyczne, linie indukcji to krzywe zamknięte

(prawo Gaussa dla pola magnetycznego)

Strumień pola magnetycznego przechodzący przez zamkniętą powierzchnię jest równy zero.
Albo też:
Linie pola magnetycznego są zawsze zamknięte.

*Magnetyczne własności materii: najwcześniej odkrytym materiałem był magnetyt. Nauczono się także wykorzystywać magnetyt (a także namagnesowane kawałki żelaza) do określania kierunku za pomocą kompasu. Ani złota, ani srebra nie można namagnesować tak jak sztabkę z żelaza, czy też niklu. Właściwości magnetyczne materiałów są pochodną ich struktury atomowej i elektronowej.

*Magnetyzm: zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne.

Są trzy główne rodzaje magnetyzmu: diamagnetyzm, paramagnetyzm i ferromagnetyzm.

*Materiały magnetyczne to wszystkie znane pierwiastki, związki chemiczne i materiały mogą zostać sklasyfikowane na podstawie ich własności magnetycznych. Co więcej, każdy pierwiastek chemiczny wykazuje jeden z czterech podstawowych typów magnetyzmu: diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm. Największe znaczenie praktyczne mają ferromagnetyki, które można podzielić na materiały magnetycznie twarde (używane jako magnesy trwałe), miękkie (magnetyczne rdzenie transformatorów i silników) oraz półtwarde (magnetyczne nośniki analogowych i cyfrowych danych). 

*Diamagnetyzm: Uogólniając możemy powiedzieć, że diamagnetykami nazywamy ciała, które w przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego nie wykazują żadnych własności magnetycznych. Do takich ciał należą: gazy obojętne, większość związków organicznych, wiele metali (bizmut, cynk, miedź, rtęć, srebro, złoto i in.), woda, szkło, marmur. Po umieszczeniu substancji diamagnetycznej w polu magnetycznym, jej atomy uzyskują indukowane momenty magnetyczne.

Podatność magnetyczna diamagnetyków jest ujemna x<0, a przenikalność magnetyczna μr~1.

Jest to zjawisko tak słabe, że jest niedostrzegalne, jeśli materiał wykazuje również magnetyzm jednego z dwóch pozostałych rodzajów.

*Paramagnetyzm: zjawisko słabego magnesowania się ciała w zewnętrznym polu magnetycznym o natężeniu H, w kierunku zgodnym z tym polem (przeciwnie niż w przypadku diamagnetyzmu).

W materiałach paramagnetycznych, gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego, atomy mają różny od zera moment magnetyczny. Na skutek ruchów termicznych cząstek ich momenty magnetyczne są zorientowane w sposób nieuporządkowany.

Gdy paramagnetyk zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, momenty magnetyczne atomów (cząsteczek) dążą do ustawienia się równolegle do kierunku pola, czemu przeciwdziała ruch cieplny. Mimo ruchów cieplnych w stanie równowagi będzie znajdować się przeważająca część elementarnych magnesów, których momenty magnetyczne będą skierowane zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. Ciało uzyska wypadkowy moment magnetyczny.

Paramagnetyki w zewnętrznym polu magnetycznym magnesują się silniej niż diamagnetyki, dlatego też efekt diamagnetyczny jest niezauważalny w paramagnetykach.

Do paramagnetyków należą między innymi: tlen, tlenek azotu, glin, platyna, potas, sód, magnez, wapń.

Własności magnetyczne paramagnetyków zależą od temperatury. Doświadczalnie stwierdzono, że podatność magnetyczna dla paramagnetyków zmienia się odwrotnie proporcjonalnie do temeratury bezwzględnej T (prawo Curie):

gdzie C - stała Curie

*Ferromagnetyzm: ciało, które wykazuje własności magnetyczne. Znajdują się w nich obszary stałego namagnesowania (tak zwane domeny magnetyczne), wytwarzające wokół siebie pole magnetyczne (jak małe magnesy). Do ferromagnetyków należą między innymi żelazo, kobalt, nikiel i niektóre stopy oraz metale przejściowe z grupy żelaza i metale ziem rzadkich.

Ferromagnetyki posiadają właściwości magnetyczne poniżej temperatury Curie. Występuje w nich zjawisko nasycenia magnetycznego - wszystkie elementarne dipole magnetyczne ustawiają się w kierunku zewnętrznego pola magnetycznego.

Ferromagnetyki dzieli się umownie na:

• twarde - zachowują stan namagnesowania pomimo zmian zewnętrznego pola magnetycznego;

• miękkie - tracą zewnętrzne namagnesowanie po usunięciu pola magnetycznego zachowując jedynie namagnesowanie resztkowe znacznie mniejsze od maksymalnego;

• półtwarde - zachowują stan namagnesowania, ale jest on stosunkowo łatwy do usunięcia.

Ferromagnetyki twarde stosuje się do wyrobu magnesów trwałych. Ferromagnetyki miękkie do budowy magnetowodów i rdzeni magnetycznych silników elektrycznych, transformatorów itp. w celu kształtowania pola magnetycznego.

Ferromagnetyki półtwarde wykazują własności pośrednie i używane są np. do zapisu danych cyfrowych na dyskach lub kartach magnetycznych.

*temperatura Curie: temperatura, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem, zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego.

Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Piotra Curie, męża Marii Skłodowskiej-Curie.

W temperaturze niższej od temperatury Curie dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiane są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku tworząc domeny ferromagnetyczne. W temperaturze powyżej temperatury Curie drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, dipole wykonują drgania.