Магнетизм - это свойство некоторых веществ, которое проявляется в их способности взаимодействовать с магнитными полями. То есть, магнитные вещества способны притягивать другие магнитные предметы, а также ориентироваться в магнитном поле Земли.
Почему же некоторые вещества обладают магнитными свойствами, а другие нет? На этот вопрос можно дать несколько ответов, связанных с различными физическими свойствами вещества.
Одной из причин магнетизма является наличие магнитных моментов у атомов или молекул вещества. Магнитный момент – это векторная величина, которая определяет магнитные свойства частицы. Он образуется при движении электронов вокруг ядра и при существовании у них собственного магнитного момента. Кроме того, магнитные моменты могут образовываться и при существовании магнитных диполей в веществе, а также при взаимодействии атомов или молекул между собой.
Другой причиной магнетизма может быть наличие спинового момента у электронов в веществе. Спин – это также векторная величина, которая определяет вращение электрона вокруг своей оси и придает ему некоторые магнитные свойства. Если спин электрона направлен в определенном направлении, то он может взаимодействовать с магнитным полем другого тела и притягиваться или отталкиваться.
Магнитные свойства материалов могут быть переданы от атомов или молекул к атомам или молекулам соседних слоев, образуя такие области, называемые доменами. В магнитном материале все домены располагаются таким образом, что их направления магнитных моментов ориентированы в одном направлении. Это и обуславливает общую намагниченность тела.
Другой способ намагничивания вещества прямо связан с электрическим током. При пропускании электрического тока через проводник возникает магнитное поле около его поверхности. Если проводник находится вблизи магнитного материала, то возникает эффект магнитной индукции. Ток вызывает вращение электронов в атомах или молекулах материала, что создает собственное магнитное поле. В результате возникает магнитное поле большей мощности, которое можно использовать для различных целей, например, для создания электромоторов или генераторов.
Также стоит отметить, что существуют как магнитные, так и немагнитные материалы. Как правило, магнитные вещества содержат определенные металлы - ферромагнетики. Это железо, никель, кобальт, гадолиний и др.
Теперь давайте рассмотрим более подробно каждый из этих факторов.
Магнитный момент
Как уже упоминалось, магнитный момент атома или молекулы причиняет ему магнитные свойства. Существуют два типа магнитных моментов: орбитальный и спиновый. Орбитальный момент возникает при движении электрона вокруг ядра, а спиновый – при вращении самого электрона. Оба типа магнитного момента взаимодействуют с магнитным полем.
Получение магнитного момента может происходить как у атомов, так и у молекул. Некоторые молекулы могут изначально иметь магнитный момент благодаря наличию нечетного числа электронов. Это, например, молекулы окиси азота и окиси азота в азотистой кислоте.
Кроме того, магнитный момент может образовываться при взаимодействии атомов или молекул в материале. В этом случае вещество может быть названо антиферромагнетиком. В единичной ячейке вещества в вершинах куба находятся атомы двух типов, у которых магнитные моменты направлены в разные стороны. В результате все магнитные моменты забалансированы, и материал не имеет магнитных свойств.
Спиновый момент
Спиновый момент может появляться у электронов, как описано выше. При этом, существуют две ориентации спина: вверх и вниз. Когда электрон находится в ненасыщенном энергетическом состоянии, может произойти переход электрона на более высокий уровень энергии и изменение его ориентации спина. Таким образом, электрона можно специально намагничивать.
Доменная структура
На микроскопическом уровне магнитность материала зависит от ориентации магнитных моментов отдельных молекул или атомов. Если при производстве материала все магнитные моменты одного типа ориентировать в одном направлении, материал обладает магнитными свойствами.
Материал с магнитными свойствами содержит множество магнитных доменов, состоящих из нескольких слоев. В домене ориентированы в одном направлении магнитные моменты. Если домены оказываются ориентированы в одном направлении, то в результате образуется магнитное поле большей мощности.
Существуют три типа магнетизма: ферромагнетизм, антиферромагнетизм и диамагнетизм. Ферромагнетиками называются вещества с постоянным магнитным моментом, при котором ориентация магнитных моментов доменов имеестный магнитный момент. Этот тип магнетизма характерен для железа, никеля, кобальта и ряда других металлов, а также для их сплавов.
Антиферромагнетики – это вещества, у которых магнитный момент в каждом домене направлен противоположно, что приводит к тому, что общий магнитный момент отсутствует. Такой тип магнетизма наблюдается, например, в магнетите или в окисле марганца.
Диамагнетики – это вещества, которые постоянно отвергают магнитное поле в силу наличия слабых магнитных моментов. К таким веществам относятся ряд элементов таблицы Менделеева, например, медь, серебро, золото.
Некоторые вещества магнитятся не только в своем основном состоянии, но и при нагревании. Такой тип магнетизма называют парамагнетизмом. Парамагнетики – это вещества с магнитным моментом, который ориентирован в любом направлении. При наличии магнитного поля парамагнетик начинает магнититься.
Из чего можно сделать вывод, что магнетизм – это результат взаимодействия магнитных моментов атомов или молекул. Магнитный момент образуется при наличии спина, а также в результате электромагнитных взаимодействий вещества. Несколько соседних магнитных моментов могут образовывать домены, которые будут ориентированы в одном направлении и создавать общий магнитный момент. Причины магнетизма могут быть различные, но все они связаны с микроскопическими свойствами вещества.