Magnetyzm

Magnetyzm (z gr . μαγν?τι? λ?θο? magn?tis lithos " magnetyt ") ? zespoł zjawisk fizycznych zwi?zanych z polem magnetycznym , ktore mo?e by? wytwarzane zarowno przez pr?d elektryczny , jak i przez materiały magnetyczne .

Podstawy fizyczne magnetyzmu [ edytuj | edytuj kod ]

W skali makroskopowej [ edytuj | edytuj kod ]

Siły magnetyczne s? jednymi z podstawowych sił w naturze. Oddziaływania magnetyczne odbywaj? si? za po?rednictwem pola magnetycznego, ktore w skali makroskopowej wytwarzane jest na skutek ruchu ładunkow elektrycznych lub pr?du elektrycznego. Stały pr?d elektryczny wywołuje statyczne pole magnetyczne, natomiast zmienny pr?d elektryczny powoduje powstanie nierozerwalnie zwi?zanego z nim zmiennego pola magnetycznego i elektrycznego (takie podwojne pole nosi nazw? pola elektromagnetycznego ).

Magnetyzm makroskopowy jest przyczyn? istnienia ziemskiego pola magnetycznego . We wn?trzu Ziemi istnieje roztopione j?dro, w ktorym wyst?puj? pr?dy konwekcyjne . Pr?dy takie unosz? ze sob? olbrzymie ilo?ci wolnych elektronow, ktore s? rownowa?ne z pr?dem elektrycznym, ktory z kolei (jak opisano powy?ej) skutkuje powstaniem otaczaj?cego pola magnetycznego.

W skali makroskopowej powstawanie i zachowanie pola magnetycznego oraz sił z nim zwi?zanych opisane s? rownaniami Maxwella oraz prawem Biota-Savarta .

W skali mikroskopowej [ edytuj | edytuj kod ]

W skali mikroskopowej pole magnetyczne powstaje głownie na skutek ruchu elektronow: orbitalnego oraz obrotowego (tzw. spin ), przy czym ten ostatni jest efektem dominuj?cym. Ruch orbitalny elektronu (dookoła j?dra atomowego ) jest efektem wtornym i tylko nieznacznie modyfikuje spinowe pole magnetyczne. W niewielkim stopniu pole magnetyczne wytwarzane jest rownie? przez moment magnetyczny protonow i neutronow .

Wypadkowy moment magnetyczny atomu jest sum? wszystkich momentow magnetycznych elektronow (a tak?e w bardzo niewielkim, zazwyczaj pomijanym stopniu rownie? i protonow i neutronow). Z uwagi na d??enie w przyrodzie do minimalnego stanu energetycznego pojedyncze momenty magnetyczne elektronow maj? tendencj? do ustawiania si? w przeciwnych kierunkach (zarowno momenty orbitalne jak i spinowe) czym powoduj? znoszenie udziału magnetycznego takich sparowanych elektronow . Dlatego te?, dla atomu z całkowicie wypełnionymi powłokami i podpowłokami elektronowymi wewn?trzne magnetyczne momenty znosz? si? całkowicie. Tylko atomy z cz??ciowo wypełnionymi powłokami elektronowymi posiadaj? wypadkowy moment magnetyczny, ktorego warto?? zale?y głownie od ilo?ci niesparowanych elektronow.

Dla przykładu:

W materiałach diamagnetycznych wszystkie elektrony w atomie s? sparowane, wobec czego atom nie wykazuje zewn?trznego momentu magnetycznego. Tak samo zachowuje si? ciało zło?one z diamagnetycznych atomow. Diamagnetyki nieznacznie osłabiaj? zewn?trzne pole magnetyczne.
Paramagnetyki z kolei posiadaj? co najmniej jeden niesparowany elektron, ktory skutkuje zewn?trznym momentem magnetycznym dla danego atomu. Jednak?e uporz?dkowanie takich elementarnych momentow w materiale paramagnetycznym jest chaotyczne, co prowadzi do zerowego wypadkowego momentu dla całego ciała. Paramagnetyki nieznacznie wzmacniaj? zewn?trzne pole magnetyczne, poniewa? poszczegolne momenty magnetyczne d??? do ustawienia si? wzdłu? linii takiego pola. Teoretycznie przy bardzo du?ych polach powinno nast?pi? nasycenie magnetyczne materiału paramagnetycznego. Niemniej obecnie nie udało si? tego jednoznacznie potwierdzi? nawet w polach magnetycznych o bardzo du?ej warto?ci (np. 100 T ? zobacz opis ferromagnetykow poni?ej).
Je?li chodzi o ferromagnetyzm , to co prawda wyst?puje on tylko dla okre?lonych pierwiastkow i zwi?zkow chemicznych, jednak ferromagnetyzm jest zjawiskiem jakie wyst?puje dla całej grupy atomow z uwagi na tzw. oddziaływania wymienne pomi?dzy s?siednimi atomami. W ferromagnetykach wyst?puje zjawisko nasycenia magnetycznego ? wyst?puje ono w chwili kiedy wszystkie elementarne dipole magnetyczne ustawi? si? w kierunku zewn?trznego pola magnetycznego. Najwy?sza znana polaryzacja nasycenia 2,3 T istnieje dla stopu VACODUR Co(49%)Fe(48%)V(1,9%).

Dlatego te?, ro?nice w konfiguracji elektronowej w ro?nych pierwiastkach chemicznych determinuj? wielko?? i typ atomowych momentow magnetycznych, ktore z kolei determinuj? własno?ci magnetyczne wszystkich materiałow (ro?ne typy magnetyzmow ).

Rodzaje magnetyzmow [ edytuj | edytuj kod ]

Znanych jest trzyna?cie typow magnetyzmow:

Ładunek elektryczny w ruchu [ edytuj | edytuj kod ]

Je?li cz?stka o ładunku elektrycznym q porusza si? z pr?dko?ci? v w polu indukcji magnetycznej B to oddziałuje na ni? siła F :

{\vec {F}}=q\cdot {\vec {v}}\times {\vec {B}}

Poniewa? w rownaniu wyst?puje iloczyn wektorowy , siła jest skierowana prostopadle zarowno do kierunku ruchu cz?stki jak i kierunku linii indukcji magnetycznej. Pole magnetyczne (czy te? raczej indukcja magnetyczna, tak jak w rownaniu powy?ej) działaj?ce na naładowan? cz?stk?, pomimo tego, ?e powoduje powstanie siły, nie wykonuje ?adnej pracy. Tor cz?stki mo?e zosta? tylko zakrzywiony, ale cz?stka nie mo?e zosta? ani przyspieszona ani zwolniona. Wła?ciwo?? ta jest wykorzystana w cyklotronach .

Materiały magnetyczne [ edytuj | edytuj kod ]

Wszystkie znane pierwiastki, zwi?zki chemiczne i materiały mog? zosta? sklasyfikowane na podstawie ich własno?ci magnetycznych. Co wi?cej, ka?dy pierwiastek chemiczny wykazuje jeden z czterech podstawowych typow magnetyzmu: diamagnetyzm , paramagnetyzm , ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm .

Najwi?ksze znaczenie praktyczne maj? ferromagnetyki , ktore mo?na podzieli? na materiały magnetycznie twarde (u?ywane jako magnesy trwałe ), mi?kkie (magnetyczne rdzenie transformatorow i silnikow) oraz połtwarde (magnetyczne no?niki analogowych i cyfrowych danych).

Inne oddziaływania [ edytuj | edytuj kod ]

Dla oddziaływa? z nieabelowymi grupami cechowania mo?na rozdzieli? tensor nat??enia pola $F$ na cz??? "elektryczn?" ( nat??enie pola elektrycznego $E$ ) i "magnetyczn?" ( nat??enie pola magnetycznego $H$ ) analogicznie, jak dla oddziaływania elektromagnetycznego: ^[1].

F_{0i}^{a}=E_{i}^{a}

F_{ij}^{a}=-\epsilon _{ijk}H_{k}^{a}

" Silne oddziaływania magnetyczne" odpowiadaj? za du?? zale?no?? mas hadronow od spinu kwarkow .

Zobacz te? [ edytuj | edytuj kod ]

Przypisy [ edytuj | edytuj kod ]

↑ Valerij Anatol'evi? Rubakov: Classical theory of gauge fields . Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2002, s. 54-55, 207-208. ISBN 0-691-05927-6 .

[Rubakov-1] Valerij Anatol'evi? Rubakov: Classical theory of gauge fields . Princeton, N.J.: Princeton University Press, 2002, s. 54-55, 207-208. ISBN 0-691-05927-6 .

[1]