Sifat magnet bahan ialah kelas fenomena fizikal yang dimediasi oleh medan. Arus elektrik dan momen magnet zarah asas menghasilkan medan yang bertindak pada arus lain. Kesan yang paling biasa berlaku dalam bahan feromagnetik, yang sangat tertarik oleh medan magnet dan boleh menjadi magnet secara kekal, mewujudkan medan bercas itu sendiri.
Hanya beberapa bahan adalah feromagnetik. Untuk menentukan tahap perkembangan fenomena ini dalam bahan tertentu, terdapat klasifikasi bahan mengikut sifat magnetik. Yang paling biasa ialah besi, nikel dan kob alt serta aloinya. Awalan ferro- merujuk kepada besi kerana kemagnetan kekal pertama kali diperhatikan dalam besi kosong, satu bentuk bijih besi semula jadi yang dipanggil sifat magnet bahan, Fe3O4.
Bahan paramagnet
Walaupunferomagnetisme bertanggungjawab untuk kebanyakan kesan kemagnetan yang ditemui dalam kehidupan seharian, semua bahan lain dipengaruhi oleh medan sedikit sebanyak, serta beberapa jenis kemagnetan yang lain. Bahan paramagnet seperti aluminium dan oksigen tertarik dengan lemah kepada medan magnet yang digunakan. Bahan diamagnet seperti kuprum dan karbon menolak dengan lemah.
Sedangkan bahan antiferromagnetik seperti kromium dan kaca putaran mempunyai hubungan yang lebih kompleks dengan medan magnet. Kekuatan magnet pada bahan paramagnet, diamagnet dan antiferromagnetik biasanya terlalu lemah untuk dirasai dan hanya boleh dikesan oleh instrumen makmal, jadi bahan ini tidak termasuk dalam senarai bahan yang mempunyai sifat magnetik.
Syarat
Keadaan magnetik (atau fasa) bahan bergantung pada suhu dan pembolehubah lain seperti tekanan dan medan magnet yang digunakan. Bahan boleh mempamerkan lebih daripada satu bentuk kemagnetan apabila pembolehubah ini berubah.
Sejarah
Sifat magnet bahan mula-mula ditemui di dunia purba apabila orang menyedari bahawa magnet, kepingan mineral bermagnet secara semula jadi, boleh menarik besi. Perkataan "magnet" berasal daripada istilah Yunani Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "batu magnet, tapak kaki".
Di Yunani kuno, Aristotle mengaitkan yang pertama daripada apa yang boleh dipanggil perbincangan saintifik tentang sifat magnet bahan,ahli falsafah Thales dari Miletus, yang hidup dari 625 SM. e. sebelum 545 SM e. Teks perubatan India purba Sushruta Samhita menerangkan penggunaan magnetit untuk mengeluarkan anak panah yang tertanam dalam tubuh manusia.
China Purba
Di China purba, rujukan sastera terawal tentang sifat elektrik dan magnet bahan ditemui dalam buku abad ke-4 SM yang dinamakan sempena nama pengarangnya, The Sage of the Valley of Ghosts. Sebutan terawal tarikan jarum adalah dalam karya abad ke-1 Lunheng (Permintaan Seimbang): "Magnet menarik jarum."
Saintis China abad ke-11 Shen Kuo ialah orang pertama yang menerangkan - dalam Dream Pool Essay - kompas magnetik dengan jarum dan ia meningkatkan ketepatan navigasi melalui kaedah astronomi. konsep utara sebenar. Menjelang abad ke-12, orang Cina diketahui menggunakan kompas magnet untuk navigasi. Mereka membentuk sudu panduan daripada batu supaya pemegang sudu sentiasa menghala ke selatan.
Zaman Pertengahan
Alexander Neckam, menjelang 1187, adalah yang pertama di Eropah yang menerangkan kompas dan penggunaannya untuk navigasi. Penyelidik ini buat pertama kalinya di Eropah benar-benar mewujudkan sifat-sifat bahan magnetik. Pada tahun 1269 Peter Peregrine de Maricourt menulis Epistola de magnete, risalah pertama yang masih hidup menerangkan sifat-sifat magnet. Pada tahun 1282, sifat-sifat kompas dan bahan dengan sifat magnetik khas telah diterangkan oleh al-Ashraf, seorang ahli fizik, astronomi dan ahli geografi Yaman.
Renaissance
Pada tahun 1600, William Gilbert menerbitkan"Magnetic Corpus" dan "Magnetic Tellurium" beliau ("Pada Badan Magnet dan Magnet, dan juga pada Magnet Bumi Besar"). Dalam makalah ini, dia menerangkan banyak eksperimennya dengan model buminya, yang dipanggil terrel, yang dengannya dia menjalankan penyelidikan tentang sifat bahan magnetik.
Dari eksperimennya, dia membuat kesimpulan bahawa Bumi itu sendiri adalah magnet dan inilah sebabnya mengapa kompas menghala ke utara (sebelumnya, ada yang percaya bahawa ia adalah bintang kutub (Polaris) atau pulau magnet yang besar di Utara Tiang yang menarik kompas).
Masa baharu
Pemahaman tentang hubungan antara elektrik dan bahan dengan sifat magnetik khas muncul pada tahun 1819 dalam karya Hans Christian Oersted, seorang profesor di Universiti Copenhagen, yang menemui secara tidak sengaja jarum kompas berhampiran wayar bahawa arus boleh mencipta medan magnet. Percubaan mercu tanda ini dikenali sebagai Eksperimen Oersted. Beberapa eksperimen lain diikuti dengan André-Marie Ampère, yang mendapati pada tahun 1820 bahawa medan magnet yang beredar dalam laluan tertutup berkaitan dengan arus yang mengalir di sekeliling perimeter laluan itu.
Carl Friedrich Gauss terlibat dalam kajian kemagnetan. Jean-Baptiste Biot dan Felix Savart pada tahun 1820 menghasilkan undang-undang Biot-Savart, yang memberikan persamaan yang dikehendaki. Michael Faraday, yang menemui pada tahun 1831 bahawa fluks magnet yang berubah-ubah masa melalui gelung wayar menyebabkan voltan. Dan saintis lain telah menemui sambungan lanjut antara kemagnetan dan elektrik.
XX abad dan kitamasa
James Clerk Maxwell mensintesis dan meluaskan pemahaman persamaan Maxwell ini dengan menyatukan tenaga elektrik, kemagnetan dan optik dalam bidang elektromagnetisme. Pada tahun 1905, Einstein menggunakan undang-undang ini untuk memotivasikan teori relativiti khasnya dengan menghendaki undang-undang itu berlaku dalam semua kerangka rujukan inersia.
Elektromagnetisme terus berkembang ke abad ke-21, digabungkan ke dalam teori yang lebih asas bagi teori tolok, elektrodinamik kuantum, teori lemah elektro, dan akhirnya model piawai. Pada masa kini, saintis sudah mengkaji sifat magnet bahan berstruktur nano dengan kekuatan dan utama. Tetapi penemuan terhebat dan paling menakjubkan dalam bidang ini mungkin masih di hadapan kita.
Esen
Sifat magnet bahan terutamanya disebabkan oleh momen magnetik elektron orbital atomnya. Momen magnet nukleus atom biasanya beribu kali lebih kecil daripada elektron, dan oleh itu ia boleh diabaikan dalam konteks kemagnetan bahan. Walau bagaimanapun, momen magnet nuklear sangat penting dalam konteks lain, terutamanya dalam resonans magnetik nuklear (NMR) dan pengimejan resonans magnetik (MRI).
Biasanya, sejumlah besar elektron dalam bahan disusun sedemikian rupa sehingga momen magnetiknya (kedua-dua orbital dan dalaman) terbatal. Pada tahap tertentu, ini disebabkan oleh fakta bahawa elektron bergabung secara berpasangan dengan momen magnet intrinsik yang bertentangan hasil daripada prinsip Pauli (lihat konfigurasi Elektron) dan bergabung menjadi subkulit terisi dengan gerakan orbit bersih sifar.
BDalam kedua-dua kes, elektron kebanyakannya menggunakan litar di mana momen magnet setiap elektron dibatalkan oleh momen bertentangan dengan elektron lain. Lebih-lebih lagi, walaupun konfigurasi elektron sedemikian rupa sehingga terdapat elektron tidak berpasangan dan/atau subkulit tidak terisi, selalunya berlaku bahawa elektron yang berbeza dalam pepejal akan menyumbang momen magnet yang menghala ke arah rawak yang berbeza, supaya bahan tidak akan magnetik.
Kadang-kadang, sama ada secara spontan atau disebabkan oleh medan magnet luar yang digunakan, setiap momen magnet elektron akan sejajar secara purata. Bahan yang betul kemudiannya boleh mencipta medan magnet bersih yang kuat.
Tingkah laku magnet bahan bergantung pada strukturnya, khususnya pada konfigurasi elektroniknya, atas sebab yang diberikan di atas, dan juga pada suhu. Pada suhu tinggi, pergerakan terma rawak menyukarkan elektron untuk diselaraskan.
Diamagnetisme
Diamagnetisme ditemui dalam semua bahan dan merupakan kecenderungan bahan untuk menentang medan magnet yang digunakan dan oleh itu menolak medan magnet. Walau bagaimanapun, dalam bahan dengan sifat paramagnet (iaitu, dengan kecenderungan untuk menguatkan medan magnet luaran), tingkah laku paramagnet menguasai. Oleh itu, walaupun kejadian sejagat, tingkah laku diamagnet hanya diperhatikan dalam bahan diamagnet semata-mata. Tiada elektron tidak berpasangan dalam bahan diamagnet, jadi momen magnet intrinsik elektron tidak boleh menciptasebarang kesan kelantangan.
Sila ambil perhatian bahawa penerangan ini bertujuan sebagai heuristik sahaja. Teorem Bohr-Van Leeuwen menunjukkan bahawa diamagnetisme adalah mustahil mengikut fizik klasik, dan pemahaman yang betul memerlukan penerangan mekanikal kuantum.
Perhatikan bahawa semua bahan melalui tindak balas orbit ini. Walau bagaimanapun, dalam bahan paramagnet dan feromagnetik, kesan diamagnet ditindas oleh kesan yang lebih kuat yang disebabkan oleh elektron tidak berpasangan.
Terdapat elektron tidak berpasangan dalam bahan paramagnet; iaitu, orbital atom atau molekul dengan tepat satu elektron di dalamnya. Walaupun prinsip pengecualian Pauli memerlukan elektron berpasangan untuk mempunyai momen magnetik ("putaran") mereka sendiri yang menghala ke arah bertentangan, menyebabkan medan magnetnya dibatalkan, elektron yang tidak berpasangan boleh menjajarkan momen magnetnya dalam kedua-dua arah. Apabila medan luaran digunakan, detik-detik ini akan cenderung untuk menjajarkan arah yang sama seperti medan yang digunakan, mengukuhkannya.
Ferromagnet
Ferromagnet, sebagai bahan paramagnet, mempunyai elektron tidak berpasangan. Walau bagaimanapun, sebagai tambahan kepada kecenderungan momen magnet intrinsik elektron untuk selari dengan medan yang digunakan, dalam bahan ini terdapat juga kecenderungan untuk momen magnetik ini untuk mengorientasikan diri mereka selari antara satu sama lain untuk mengekalkan keadaan berkurangan. tenaga. Oleh itu, walaupun dalam ketiadaan bidang yang digunakanmomen magnet elektron dalam bahan secara spontan menjajarkan selari antara satu sama lain.
Setiap bahan feromagnetik mempunyai suhu tersendiri, dipanggil suhu Curie, atau titik Curie, di atasnya ia kehilangan sifat feromagnetiknya. Ini kerana kecenderungan terma kepada gangguan mengatasi pengurangan tenaga akibat susunan feromagnetik.
Ferromagnetisme hanya berlaku dalam beberapa bahan; besi, nikel, kob alt, aloinya dan beberapa aloi nadir bumi adalah perkara biasa.
Momen magnet atom dalam bahan feromagnetik menyebabkan mereka berkelakuan seperti magnet kekal yang kecil. Mereka melekat bersama dan bergabung menjadi kawasan kecil penjajaran lebih kurang seragam yang dipanggil domain magnetik atau domain Weiss. Domain magnet boleh diperhatikan menggunakan mikroskop daya magnet untuk mendedahkan sempadan domain magnetik yang menyerupai garis putih dalam lakaran. Terdapat banyak eksperimen saintifik yang boleh menunjukkan secara fizikal medan magnet.
Peranan domain
Apabila domain mengandungi terlalu banyak molekul, ia menjadi tidak stabil dan berpecah kepada dua domain yang dijajarkan ke arah bertentangan untuk bersatu dengan lebih stabil, seperti ditunjukkan di sebelah kanan.
Apabila terdedah kepada medan magnet, sempadan domain bergerak supaya domain yang dijajarkan secara magnetik tumbuh dan menguasai struktur (kawasan kuning bertitik), seperti ditunjukkan di sebelah kiri. Apabila medan magnetisasi dialih keluar, domain mungkin tidak kembali kepada keadaan tidak bermagnet. Ini membawa kepadakerana bahan feromagnetik bermagnet, membentuk magnet kekal.
Apabila kemagnetan cukup kuat sehingga domain dominan bertindih dengan semua domain lain, yang membawa kepada pembentukan hanya satu domain berasingan, bahan itu tepu secara magnetik. Apabila bahan feromagnetik bermagnet dipanaskan pada suhu titik Curie, molekul bercampur ke titik di mana domain magnet kehilangan organisasi dan sifat magnet yang disebabkannya terhenti. Apabila bahan disejukkan, struktur penjajaran domain ini kembali secara spontan, lebih kurang sama dengan cara cecair boleh membeku menjadi pepejal hablur.
Antiferromagnetik
Dalam antiferromagnet, tidak seperti feromagnet, momen magnet intrinsik elektron valens jiran cenderung menghala ke arah yang bertentangan. Apabila semua atom disusun dalam bahan supaya setiap jiran adalah antiselari, bahan itu adalah antiferromagnetik. Antiferromagnet mempunyai momen magnet bersih sifar, yang bermaksud mereka tidak mencipta medan.
Antiferromagnet lebih jarang daripada jenis tingkah laku lain dan paling kerap diperhatikan pada suhu rendah. Pada suhu yang berbeza, antiferromagnet mempamerkan sifat diamagnet dan feromagnetik.
Dalam sesetengah bahan, elektron jiran lebih suka menunjuk ke arah yang bertentangan, tetapi tiada susunan geometri di mana setiap pasangan jiran adalah anti-jajar. Ia dipanggil kaca putaran danialah contoh kekecewaan geometri.
Sifat magnetik bahan feromagnetik
Seperti feromagnetisme, ferrimagnet mengekalkan kemagnetannya tanpa adanya medan. Walau bagaimanapun, seperti antiferromagnet, pasangan elektron berputar bersebelahan cenderung menghala ke arah yang bertentangan. Kedua-dua sifat ini tidak bercanggah antara satu sama lain kerana, dalam susunan geometri yang optimum, momen magnet dari subkekisi elektron yang menghala ke arah yang sama adalah lebih besar daripada dari subkekisi yang menghala ke arah yang bertentangan.
Kebanyakan ferit adalah ferimagnetik. Sifat magnet bahan feromagnetik hari ini dianggap tidak dapat dinafikan. Bahan magnet pertama yang ditemui, magnetit, adalah ferit dan pada asalnya dianggap sebagai feromagnet. Walau bagaimanapun, Louis Neel menafikan perkara ini dengan menemui ferrimagnetisme.
Apabila feromagnet atau ferimagnet cukup kecil, ia bertindak sebagai putaran magnet tunggal yang tertakluk kepada gerakan Brown. Tindak balasnya terhadap medan magnet secara kualitatif serupa dengan paramagnet, tetapi lebih banyak lagi.
Elektromagnet
Elektromagnet ialah magnet di mana medan magnet dicipta oleh arus elektrik. Medan magnet hilang apabila arus dimatikan. Elektromagnet biasanya terdiri daripada sebilangan besar lilitan dawai jarak rapat yang mencipta medan magnet. Gegelung wayar selalunya dililitkan di sekeliling teras magnet yang diperbuat daripada bahan feromagnetik atau ferimagnetik.bahan seperti besi; teras magnet menumpukan fluks magnet dan mencipta magnet yang lebih kuat.
Kelebihan utama elektromagnet berbanding magnet kekal ialah medan magnet boleh ditukar dengan cepat dengan mengawal jumlah arus elektrik dalam belitan. Walau bagaimanapun, tidak seperti magnet kekal, yang tidak memerlukan kuasa, elektromagnet memerlukan bekalan arus berterusan untuk mengekalkan medan magnet.
Elektromagnet digunakan secara meluas sebagai komponen peranti elektrik lain seperti motor, penjana, geganti, solenoid, pembesar suara, pemacu keras, mesin MRI, instrumen saintifik dan peralatan pemisah magnetik. Elektromagnet juga digunakan dalam industri untuk mencengkam dan menggerakkan objek besi berat seperti besi buruk dan keluli. Elektromagnetisme ditemui pada tahun 1820. Pada masa yang sama, pengelasan pertama bahan mengikut sifat magnet telah diterbitkan.
