Magnetismus - Magnetism

Magnetismus je třída fyzikálních jevů, které jsou zprostředkovány magnetické pole. Elektrické proudy a magnetické momenty elementárních částic vyvolává magnetické pole, které působí na jiné proudy a magnetické momenty. Magnetismus je jedním z aspektů kombinovaného jevu elektromagnetismus. Nejznámější efekty se vyskytují v feromagnetický materiály, které jsou silně přitahovány magnetickými poli a mohou být zmagnetizovaný stát se trvalým magnety, produkující magnetická pole sama. Je také možná demagnetizace magnetu. Pouze několik látek je feromagnetických; nejběžnější jsou žehlička, kobalt a nikl a jejich slitiny. Předpona ferro- odkazuje na žehlička, protože permanentní magnetismus byl poprvé pozorován u magnetovec, forma přírodní železné rudy zvaná magnetit, Fe3Ó4.
Všechny látky vykazují určitý druh magnetismu. Magnetické materiály jsou klasifikovány podle jejich objemové citlivosti[1]. Ferromagnetismus je zodpovědný za většinu účinků magnetismu, s nimiž se setkáváme v každodenním životě, ale ve skutečnosti existuje několik typů magnetismu. Paramagnetické látky, jako např hliník a kyslík, jsou slabě přitahováni k aplikovanému magnetickému poli; diamagnetický látky, jako např měď a uhlík, jsou slabě odpuzovány; zatímco antiferomagnetický materiály, jako např chrom a rotující brýle, mají složitější vztah s magnetickým polem. Síla magnetu na paramagnetické, diamagnetické a antiferomagnetické materiály je obvykle příliš slabá na to, aby ji bylo možné pociťovat, a lze ji detekovat pouze laboratorními přístroji, takže v každodenním životě jsou tyto látky často označovány jako nemagnetické.
Magnetický stav (nebo magnetická fáze) materiálu závisí na teplotě, tlaku a aplikovaném magnetickém poli. Jak se tyto proměnné mění, materiál může vykazovat více než jednu formu magnetismu.
Síla a magnetické pole téměř vždy klesá se vzdáleností, ačkoli přesný matematický vztah mezi silou a vzdáleností se liší. Různé konfigurace magnetických momentů a elektrických proudů mohou vést ke komplikovaným magnetickým polím.
Pouze magnetické dipóly byly pozorovány, ačkoli některé teorie předpovídají existenci magnetické monopoly.
Dějiny



Magnetismus byl poprvé objeven ve starověkém světě, když si toho lidé všimli kamenné kameny, přirozeně zmagnetizované kousky minerálu magnetit, může přilákat železo.[2] Slovo magnet pochází z řecký termín μαγνῆτις λίθος magnētis lithos,[3] „magnesiánský kámen,[4] lodestone. “Ve starověkém Řecku Aristoteles připsal filozofovi první z toho, co by se dalo nazvat vědeckou diskusí o magnetismu Thales z Milétu, který žil od roku 625 př. n. l. do roku 545 př. n. l.[5] The staroindický lékařský text Sushruta Samhita popisuje použití magnetitu k odstranění šípů vložených do těla člověka.[6]
v starověká Čína, nejstarší literární zmínka o magnetismu spočívá v knize ze 4. století př. n. l. pojmenované po jejím autorovi, Mudrc údolí duchů.[7]2. století př. Nl letopisy, Lüshi Chunqiu, také konstatuje: „The magnetovec dělá železný přístup, nebo ho přitahuje. “[8] Nejstarší zmínka o přitažlivosti jehly je v díle z 1. století Lunheng (Vyvážené dotazy): "Lodestone přitahuje jehlu."[9] 11. století Čínský vědec Shen Kuo byl první člověk, který psal - v Dream Pool Eseje —Kompasu magnetické jehly a že zlepšila přesnost navigace použitím astronomický koncept pravý sever Od 12. století bylo známo, že Číňané používali kámen kompas pro navigaci. Z lodestone vytesali směrovou lžíci tak, aby rukojeť lžíce vždy směřovala na jih.
Alexander Neckam Do roku 1187 popsal kompas a jeho použití pro navigaci jako první v Evropě. V roce 1269 Peter Peregrinus de Maricourt napsal Epistola de magnetePrvní existující pojednání popisující vlastnosti magnetů. V roce 1282 byly vlastnosti magnetů a suchých kompasů diskutovány společností Al-Ashraf, a Jemenský fyzik, astronom, a geograf.[10]
Leonardo Garzoni je pouze existující práce, Due trattati sopra la natura, e le qualità della calamita, je prvním známým příkladem moderního zacházení s magnetickými jevy. Pojednání, které bylo napsáno v letech blízkých 1580 a nikdy nebylo publikováno, mělo širokou šíření. Zejména Garzoni je označován jako odborník na magnetismus Niccolò Cabeo, jehož Philosophia Magnetica (1629) je pouze re-úpravou Garzoniho díla. Garzoniho pojednání bylo známo také Giovanni Battista Della Porta a William Gilbert.
V roce 1600 William Gilbert zveřejnil svůj De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure (Na magnetu a magnetických tělech a na velkém magnetu na Zemi). V této práci popisuje mnoho svých experimentů s jeho modelovou zemí zvanou terrella. Ze svých experimentů došel k závěru, že Země byl sám magnetický a že to byl důvod, proč kompasy mířily na sever (dříve někteří věřili, že to byla pólová hvězda (Polaris ) nebo velký magnetický ostrov na severním pólu, který přitahoval kompas).
Pochopení vztahu mezi elektřina a magnetismus začal v roce 1819 prací od Hans Christian Ørsted, profesor na univerzitě v Kodani, který náhodným trhnutím jehly kompasu poblíž drátu zjistil, že elektrický proud může vytvářet magnetické pole. Tento mezníkový experiment je znám jako Ørstedův experiment. Následovalo několik dalších experimentů s André-Marie Ampère, který v roce 1820 objevil, že magnetické pole cirkulující v uzavřené dráze souvisí s proudem protékajícím povrchem uzavřeným cestou; Carl Friedrich Gauss; Jean-Baptiste Biot a Félix Savart, z nichž oba v roce 1820 přišli s Biot – Savartův zákon poskytnutí rovnice pro magnetické pole z drátu pro vedení proudu; Michael Faraday, kteří v roce 1831 zjistili, že časově proměnný magnetický tok smyčkou drátu indukuje napětí, a další našli další vazby mezi magnetismem a elektřinou. James Clerk Maxwell syntetizoval a rozšířil tyto poznatky do Maxwellovy rovnice, sjednocující elektřinu, magnetismus a optika do pole elektromagnetismus. V roce 1905 Albert Einstein použil tyto zákony k motivaci své teorie speciální relativita,[11] vyžadující, aby zákony platily ve všech inerciální referenční rámce.
Elektromagnetismus se nadále vyvíjí do 21. století a je začleněn do základních teorií teorie měřidel, kvantová elektrodynamika, elektroslabá teorie a nakonec standardní model.
Zdroje
Magnetismus, u kořene, vzniká ze dvou zdrojů:
Magnetické vlastnosti materiálů jsou způsobeny hlavně jejich magnetickými momenty atomy 'obíhající elektrony. Magnetické momenty jader atomů jsou obvykle tisíckrát menší než magnetické momenty elektronů, takže jsou v kontextu magnetizace materiálů zanedbatelné. Jaderné magnetické momenty jsou nicméně velmi důležité v jiných kontextech, zejména v nukleární magnetická rezonance (NMR) a magnetická rezonance (MRI).
Obvykle je enormní počet elektronů v materiálu uspořádán tak, že jejich magnetické momenty (jak orbitální, tak vnitřní) se ruší. To je do jisté míry způsobeno elektrony kombinujícími se do párů s opačnými vnitřními magnetickými momenty v důsledku Pauliho princip vyloučení (vidět elektronová konfigurace ) a kombinace do vyplněných dílčí skořápky s nulovým čistým orbitálním pohybem. V obou případech elektrony přednostně přijmou uspořádání, ve kterém je magnetický moment každého elektronu zrušen opačným momentem jiného elektronu. Navíc, i když elektronová konfigurace je takže tam jsou nepárové elektrony a / nebo nevyplněné subshells, často se stává, že různé elektrony v pevné látce budou přispívat magnetickými momenty, které směřují do různých náhodných směrů, takže materiál nebude magnetický.
Někdy, buď spontánně, nebo v důsledku aplikovaného vnějšího magnetického pole - každý z elektronových magnetických momentů bude v průměru seřazen. Vhodný materiál pak může vytvářet silné síťové magnetické pole.
Magnetické chování materiálu závisí na jeho struktuře, zejména na jeho elektronová konfigurace, z důvodů uvedených výše, a také na teplotě. Při vysokých teplotách náhodně tepelný pohyb ztěžuje elektronům udržování vyrovnání.
Druhy magnetismu

Diamagnetismus
Diamagnetismus se objevuje ve všech materiálech a je tendencí materiálu oponovat aplikovanému magnetickému poli, a proto být magnetickým polem odpuzován. V materiálu s paramagnetickými vlastnostmi (tj. Se sklonem ke zvýšení vnějšího magnetického pole) však dominuje paramagnetické chování.[13] Navzdory svému univerzálnímu výskytu je tedy diamagnetické chování pozorováno pouze u čistě diamagnetického materiálu. V diamagnetickém materiálu nejsou žádné nepárové elektrony, takže vnitřní elektronové magnetické momenty nemohou vytvářet hromadný efekt. V těchto případech magnetizace vychází z orbitálních pohybů elektronů, kterým lze porozumět klasicky jak následuje:
Když je materiál vložen do magnetického pole, zažijí kromě svých i elektrony kroužící kolem jádra Coulomb přitažlivost k jádru, a Lorentzova síla z magnetického pole. V závislosti na směru, kterým elektron obíhá, může tato síla zvýšit dostředivá síla na elektrony, přitahovat je směrem k jádru, nebo to může snížit sílu, tahat je pryč od jádra. Tento efekt systematicky zvyšuje orbitální magnetické momenty, které byly zarovnány proti poli, a snižuje ty, které jsou zarovnány rovnoběžně s polem (v souladu s Lenzův zákon ). To má za následek malý objemový magnetický moment s opačným směrem než aplikované pole.
Tento popis je míněn pouze jako heuristický; the Bohr-van Leeuwenova věta ukazuje, že diamagnetismus je podle klasické fyziky nemožný a že správné porozumění vyžaduje a kvantově mechanické popis.
Všechny materiály podléhají této orbitální reakci. V paramagnetických a feromagnetických látkách je však diamagnetický účinek přemožen mnohem silnějšími účinky způsobenými nepárovými elektrony.
Paramagnetismus
V paramagnetickém materiálu existují nepárové elektrony; tj., atomový nebo molekulární orbitaly s přesně jedním elektronem v nich. Zatímco spárované elektrony jsou požadovány Pauliho princip vyloučení aby jejich vnitřní („spin“) magnetické momenty mířily v opačných směrech, což by vedlo ke zrušení jejich magnetických polí, může nepárový elektron volně zarovnat svůj magnetický moment v libovolném směru. Když je aplikováno vnější magnetické pole, budou mít tyto magnetické momenty tendenci se samy srovnávat ve stejném směru jako aplikované pole, čímž ho posilují.
Feromagnetismus

Feromagnet má jako paramagnetická látka nepárové elektrony. Avšak kromě tendence vnitřních magnetických momentů elektronů být rovnoběžně s aplikovaným polem, existuje v těchto materiálech také tendence těchto magnetických momentů k vzájemné rovnoběžnosti k udržování stavu snížené energie. Takže i při absenci aplikovaného pole se magnetické momenty elektronů v materiálu spontánně seřadí paralelně k sobě.
Každá feromagnetická látka má svou vlastní individuální teplotu, která se nazývá Curieova teplota nebo Curieův bod, nad kterým ztrácí své feromagnetické vlastnosti. Je to proto, že tepelná tendence k poruchám přemůže snižování energie v důsledku feromagnetického řádu.
Ferromagnetismus se vyskytuje pouze v několika látkách; běžné jsou žehlička, nikl, kobalt, jejich slitiny a některé slitiny vzácná země kovy.
Magnetické domény
Magnetické momenty atomů v a feromagnetický způsobují, že se chovají jako malé permanentní magnety. Slepují se a srovnávají se do malých oblastí s více či méně jednotným názvem magnetické domény nebo Weissovy domény. Magnetické domény lze pozorovat pomocí a mikroskop s magnetickou silou odhalit hranice magnetické domény, které se v náčrtu podobají bílým čarám. Existuje mnoho vědeckých experimentů, které mohou fyzicky ukázat magnetická pole.
Pokud doména obsahuje příliš mnoho molekul, stává se nestabilní a rozdělí se na dvě domény zarovnané v opačných směrech, takže se drží stabilněji, jak je znázorněno vpravo.
Když jsou vystaveny magnetickému poli, hranice domén se pohybují, takže domény zarovnané s magnetickým polem rostou a dominují struktuře (tečkovaná žlutá oblast), jak je znázorněno vlevo. Když je magnetizační pole odstraněno, domény se nemusí vrátit do nemagnetizovaného stavu. To má za následek magnetizaci feromagnetického materiálu a vytvoření permanentního magnetu.
Když je dostatečně silně zmagnetizován, aby převládající doména překonala všechny ostatní, což mělo za následek pouze jednu jedinou doménu, materiál je magneticky nasycený. Když se magnetizovaný feromagnetický materiál zahřeje na Curie bod teploty, jsou molekuly míchány do té míry, že magnetické domény ztrácejí organizaci a magnetické vlastnosti, které způsobují, ustávají. Když je materiál ochlazen, tato struktura zarovnání domény se spontánně vrací způsobem zhruba analogickým tomu, jak může kapalina zmrazit do krystalické pevné látky.
Antiferromagnetism

V antiferromagnet, na rozdíl od feromagnetu, existuje tendence, aby vnitřní magnetické momenty sousedních valenčních elektronů směřovaly dovnitř naproti Pokyny. Když jsou všechny atomy uspořádány v látce tak, že každý soused je antiparalelní, látka je antiferomagnetický. Antiferromagnety mají nulový čistý magnetický moment, což znamená, že jimi není vytvářeno žádné pole. Antiferromagnety jsou ve srovnání s jinými typy chování méně časté a jsou většinou pozorovány při nízkých teplotách. Při různých teplotách lze pozorovat, že antiferromagnety vykazují diamagnetické a feromagnetické vlastnosti.
V některých materiálech sousední elektrony dávají přednost tomu, aby ukazovaly v opačných směrech, ale neexistuje v nich žádné geometrické uspořádání každý dvojice sousedů je zarovnána. Tomu se říká a točit sklo a je příkladem geometrická frustrace.
Ferimagnetismus

Jako feromagnetismus, ferimagnety si zachovají svoji magnetizaci i v nepřítomnosti pole. Stejně jako antiferromagnety však sousední páry elektronových spinů mají tendenci směřovat opačným směrem. Tyto dvě vlastnosti si nejsou protichůdné, protože v optimálním geometrickém uspořádání existuje více magnetického momentu ze sublattice elektronů, které ukazují jedním směrem, než ze sublattice, která ukazuje opačným směrem.
Většina ferity jsou ferimagnetické. První objevená magnetická látka, magnetit, je ferit a původně se o něm věřilo, že je feromagnet; Louis Néel vyvrátil to však poté, co objevil ferimagnetismus.
Superparamagnetismus
Když je feromagnet nebo ferimagnet dostatečně malý, chová se jako jediná magnetická rotace, které je vystavena Brownův pohyb. Jeho odezva na magnetické pole je kvalitativně podobná odezvě paramagnetu, ale mnohem větší.
Jiné typy magnetismu
Elektromagnet

An elektromagnet je typ magnet ve kterém magnetické pole vyrábí společnost elektrický proud.[14] Po vypnutí proudu magnetické pole zmizí. Elektromagnety se obvykle skládají z velkého počtu těsně rozmístěných závitů drátu, které vytvářejí magnetické pole. Dráty drátu jsou často navinuty kolem a magnetické jádro vyrobeno z a feromagnetický nebo ferimagnetický materiál jako např žehlička; magnetické jádro koncentruje magnetický tok a vytváří silnější magnet.
Hlavní výhoda elektromagnetu nad a stálý magnet je to, že magnetické pole lze rychle změnit řízením množství elektrického proudu ve vinutí. Na rozdíl od permanentního magnetu, který nepotřebuje žádnou energii, vyžaduje elektromagnet nepřetržitý přísun proudu k udržení magnetického pole.
Elektromagnety jsou široce používány jako součásti jiných elektrických zařízení, jako jsou motory, generátory, relé solenoidy, reproduktory, pevné disky, MRI přístroje, vědecké přístroje a magnetická separace zařízení. Elektromagnety se také používají v průmyslu pro sbírání a přemisťování těžkých železných předmětů, jako je železný šrot a ocel.[15] Elektromagnetismus byl objeven v roce 1820.[16]
Magnetismus, elektřina a speciální relativita
V důsledku Einsteinovy teorie speciální relativity jsou elektřina a magnetismus zásadně propojeny. Jak magnetismus postrádající elektřinu, tak elektřina bez magnetismu jsou v rozporu se speciální relativitou, kvůli takovým efektům jako kontrakce délky, dilatace času a skutečnost, že magnetická síla je závislý na rychlosti. Když se však vezme v úvahu jak elektřina, tak magnetismus, výsledná teorie (elektromagnetismus ) je plně v souladu se speciální relativitou.[11][17] Zejména jev, který se jednomu pozorovateli zdá být čistě elektrický nebo čistě magnetický, může být kombinací obou s druhým, nebo obecněji relativní příspěvky elektřiny a magnetismu závisí na referenčním rámci. Speciální relativita tedy „mísí“ elektřinu a magnetismus do jediného, neoddělitelného fenoménu zvaného elektromagnetismus, analogicky s tím, jak relativita „mísí“ prostor a čas vesmírný čas.
Všechna pozorování na elektromagnetismus platí pro to, co lze považovat za primárně magnetismus, např. poruchy v magnetickém poli jsou nutně doprovázeny nenulovým elektrickým polem a šíří se na rychlost světla.[Citace je zapotřebí ]
Magnetická pole v materiálu
Ve vakuu
kde μ0 je vakuová propustnost.
V materiálu
Množství μ0M je nazýván magnetická polarizace.
Pokud pole H je malá, reakce magnetizace M v diamagnet nebo paramagnet je přibližně lineární:
konstanta proporcionality se nazývá magnetická susceptibilita. Pokud ano,
V tvrdém magnetu, jako je feromagnet, M není úměrná poli a je obecně nenulová, i když H je nula (viz Remanence ).
Magnetická síla

Fenomén magnetismu je „zprostředkován“ magnetickým polem. Elektrický proud nebo magnetický dipól vytváří magnetické pole a toto pole zase dodává magnetické síly na další částice, které jsou v polích.
Maxwellovy rovnice, které se zjednodušují na Biot – Savartův zákon v případě ustálených proudů popište vznik a chování polí, která tyto síly řídí. Proto je magnetismus vidět kdykoli elektricky nabité částice jsou v pohyb —Například z pohybu elektronů v elektrický proud, nebo v určitých případech z orbitálního pohybu elektronů kolem atomového jádra. Vznikají také z „vnitřních“ magnetické dipóly vyplývající z kvantově mechanické roztočit.
Stejné situace, které vytvářejí magnetická pole - náboj pohybující se v proudu nebo v atomu a vnitřní magnetické dipóly - jsou také situacemi, ve kterých magnetické pole působí a vytváří sílu. Následuje vzorec pro pohyb náboje; pro síly na vnitřním dipólu, viz magnetický dipól.
Když nabitá částice prochází a magnetické pole B, cítí se Lorentzova síla F dané křížový produkt:[18]
kde
Protože se jedná o křížový produkt, je síla kolmý jak pohybu částice, tak magnetickému poli. Z toho vyplývá, že magnetická síla ne práce na částice; může změnit směr pohybu částice, ale nemůže způsobit její zrychlení nebo zpomalení. Velikost síly je
kde je úhel mezi proti a B.
Jedním z nástrojů pro určení směru vektoru rychlosti pohybujícího se náboje, magnetického pole a vynaložené síly, je označení ukazováček "V", prostředníček „B“ a palec „F“ pravou rukou. Když provádíte konfiguraci podobnou zbrani, přičemž prostředníček přejíždí pod ukazováček, představují prsty vektor rychlosti, vektor magnetického pole a vektor síly. Viz také pravidlo pravé ruky.
Magnetické dipóly
Velmi běžným zdrojem magnetického pole v přírodě je a dipól, s "Jižní pól „a“Severní pól ", termíny sahající až k použití magnetů jako kompasů, interakce s Zemské magnetické pole k označení severu a jihu na zeměkoule. Jelikož jsou přitahovány opačné konce magnetů, je severní pól magnetu přitahován k jižnímu pólu jiného magnetu. Země Severní magnetický pól (v současné době v Severním ledovém oceánu, severně od Kanady) je fyzicky jižní pól, protože přitahuje severní pól kompasu. magnetické pole obsahuje energie a fyzické systémy směřují ke konfiguracím s nižší energií. Když je diamagnetický materiál umístěn v magnetickém poli, a magnetický dipól má tendenci se srovnávat v opačné polaritě s tímto polem, čímž snižuje sílu čistého pole. Když je feromagnetický materiál umístěn v magnetickém poli, magnetické dipóly se vyrovnají s aplikovaným polem, čímž se rozšíří doménové stěny magnetických domén.
Magnetické monopoly
Jelikož tyčový magnet získává svůj feromagnetismus z elektronů rovnoměrně rozložených po celé tyči, je-li tyčový magnet rozřezán na polovinu, je každý z výsledných kusů menší tyčový magnet. I když se říká, že magnet má severní a jižní pól, tyto dva póly nelze od sebe oddělit. Monopol - pokud taková věc existuje - by byl nový a zásadně odlišný druh magnetického objektu. Fungovalo by to jako izolovaný severní pól, nepřipojené k jižnímu pólu, nebo naopak. Monopoly by nesly „magnetický náboj“ analogicky k elektrickému náboji. Přes systematické vyhledávání od roku 1931, od roku 2010[Aktualizace], nikdy nebyly pozorovány a velmi dobře nemohly existovat.[19]
Někteří však teoretická fyzika modely předpovídají jejich existenci magnetické monopoly. Paul Dirac pozorováno v roce 1931, protože elektřina a magnetismus ukazují jisté symetrie, stejně jako kvantová teorie předpovídá tuto osobu pozitivní nebo negativní elektrické náboje lze pozorovat bez protilehlého náboje, izolované jižní nebo severní magnetické póly by měly být pozorovatelné. Pomocí kvantové teorie Dirac ukázal, že pokud existují magnetické monopoly, pak by bylo možné vysvětlit kvantizaci elektrického náboje - to je důvod, proč pozorované elementární částice nést náboje, které jsou násobkem náboje elektronu.
Určitý velké sjednocené teorie předpovídat existenci monopolů, které na rozdíl od elementárních částic jsou solitony (lokalizované energetické balíčky). Počáteční výsledky použití těchto modelů k odhadu počtu monopolů vytvořených v EU Velký třesk protichůdná kosmologická pozorování - monopoly by byly tak hojné a masivní, že by už dávno zastavily rozpínání vesmíru. Myšlenka však inflace (pro které tento problém sloužil jako částečná motivace) byl při řešení tohoto problému úspěšný a vytvořil modely, ve kterých monopoly existovaly, ale byly natolik vzácné, že byly v souladu se současnými pozorováními.[20]
Jednotky
SI
jiný
- gauss - centimetr-gram-sekundu (CGS) jednotka magnetického pole (označeno B).
- oersted - jednotka CGS v magnetizační pole (označeno H)
- maxwell - jednotka CGS pro magnetický tok
- gama - jednotka hustota magnetického toku který se běžně používal před tesla uvedeno do provozu (1,0 gama = 1,0 nanotesla)
- μ0 - společný symbol pro propustnost volného místa (4π × 10−7 Newton /(otočení ampérem )2)
Živé bytosti

Nějaký organismy dokáže detekovat magnetická pole, jev známý jako magnetoception. Některé materiály v živých věcech jsou feromagnetické, i když není jasné, zda magnetické vlastnosti slouží speciální funkci nebo jsou pouze vedlejším produktem obsahujícím železo. Například, chitony, druh mořských měkkýšů, produkují magnetit, aby si zuby vytvrdili, a dokonce i lidé magnetit v tělesné tkáni.[22] Magnetobiologie studuje účinky magnetických polí na živé organismy; pole přirozeně produkovaná organismem jsou známá jako biomagnetismus. Mnoho biologických organismů je většinou vyrobeno z vody, a protože voda ano diamagnetický, extrémně silná magnetická pole mohou tyto živé bytosti odrazit.
Kvantově mechanický původ magnetismu
I když lze formulovat heuristická vysvětlení založená na klasické fyzice, diamagnetismus, paramagnetismus a feromagnetismus lze plně vysvětlit pouze pomocí kvantové teorie.[23][24]Úspěšný model byl vyvinut již v roce 1927 autorem Walter Heitler a Fritz London, který kvantově mechanicky odvodil, jak se molekuly vodíku tvoří z atomů vodíku, tj. z atomových vodíkových orbitálů a soustředěný na jádra A a B, viz. níže. To, že to vede k magnetismu, není vůbec zřejmé, ale bude to vysvětleno dále.
Podle teorie Heitler – London se jedná o takzvanou molekulu dvou těl -orbitály jsou tvořeny, jmenovitě výsledný orbitál je:
Tady poslední produkt znamená, že první elektron, r1, je v atomové vodíkové orbitě se středem ve druhém jádru, zatímco druhý elektron běží kolem prvního jádra. Tento fenomén „výměny“ je výrazem kvantově-mechanické vlastnosti, že částice se stejnými vlastnostmi nelze rozlišit. Je specifický nejen pro vznik chemické vazby, ale také pro magnetismus. To znamená v této souvislosti pojem výměna interakce vzniká termín, který je nezbytný pro vznik magnetismu a který je silnější, zhruba o faktory 100 a dokonce o 1000, než energie vznikající z elektrodynamické interakce dipól-dipól.
jako pro funkce odstřeďování , který je zodpovědný za magnetismus, máme již zmíněný Pauliho princip, totiž že symetrický orbitál (tj. se znaménkem +, jak je uvedeno výše), musí být vynásoben antisymetrickou funkcí spin (tj. znaménkem -), naopak. Tím pádem:
- ,
Tj. Nejen a musí být nahrazeno α a β(první entita znamená „roztočit se“, druhá „roztočit se dolů“), ale také znaménko + znaménkem - a nakonec ri diskrétními hodnotami si (= ± ½); tím máme a . „stav singletu „, tj. znaménko - znamená: otočení jsou antiparalelní, tj. pro těleso, které máme antiferromagnetism a pro dvě atomové molekuly jeden má diamagnetismus. Tendence tvořit (homoeolární) chemickou vazbu (to znamená: vznik a symetrický molekulární okružní dráha, tj. se znaménkem +) vede pomocí Pauliho principu automaticky v antisymetrický stav odstředění (tj. se znaménkem -). Naproti tomu Coulombovo odpuzování elektronů, tj. Tendence, že se tímto odporem snaží navzájem vyhnout, by vedlo k antisymetrický orbitální funkce (tj. se znaménkem -) těchto dvou částic a doplňková k a symetrický funkce rotace (tj. se znaménkem +, jeden z tzv. „tripletové funkce "). Nyní by tedy byla otočení paralelní (feromagnetismus v pevné, paramagnetismus ve dvou atomových plynech).
Poslední zmíněná tendence dominuje v kovech žehlička, kobalt a nikl a v některých vzácných zeminách, které jsou feromagnetický. Většina ostatních kovů, kde dominuje první zmíněná tendence, je nemagnetický (např. sodík, hliník, a hořčík ) nebo antiferomagnetický (např. mangan ). Diatomické plyny jsou také téměř výlučně diamagnetické a nejsou paramagnetické. Molekula kyslíku je však kvůli zapojení π-orbitalů výjimkou důležitou pro vědy o živé přírodě.
Úvahy Heitler-London lze zobecnit na Heisenbergův model magnetismu (Heisenberg 1928).
Vysvětlení jevů je tedy v zásadě založeno na všech jemnostech kvantové mechaniky, zatímco elektrodynamika pokrývá hlavně fenomenologii.
Viz také
- Koercitivita
- Gravitomagnetismus
- Magnetická hystereze
- Magnetar
- Magnetické ložisko
- Magnetický obvod
- Magnetické chlazení
- Film pro sledování magnetického pole
- Magnetické míchadlo
- Magnetická struktura
- Magnetismus a teplota
- Mikromagnetismus
- Neodymový magnet
- Plastový magnet
- Magnet ze vzácných zemin
- Točivá vlna
- Spontánní magnetizace
- Vibrační vzorkovací magnetometr
Reference
- ^ Jiles, David (2. září 2015). Úvod do magnetismu a magnetických materiálů (Třetí vydání.). Boca Raton. ISBN 978-1-4822-3887-7. OCLC 909323904.
- ^ Du Trémolet de Lacheisserie, Étienne; Damien Gignoux; Michel Schlenker (2005). Magnetism: Fundamentals. Springer. s. 3–6. ISBN 978-0-387-22967-6.
- ^ Platonis Opera, Meyer a Zeller, 1839, s. 989.
- ^ Místo Magnesie je diskutováno; to může být region v pevninském Řecku nebo Magnesia ad Sipylum. Viz například "Magnet". Blog Language Hat. 28. května 2005. Citováno 22. března 2013.
- ^ Fowler, Michael (1997). „Historické počátky teorií elektřiny a magnetismu“. Citováno 2008-04-02.
- ^ Kumar Goyal, Rajendra (2017). Nanomateriály a nanokompozity: Syntéza, vlastnosti, charakterizační techniky a aplikace. CRC Press. p. 171. ISBN 9781498761673.
- ^ Sekce „Fanying 2“ (反應 第二 ) z The Guiguzi: "其 察 言 也 , 不失 若 磁石 之 取 鍼 , 舌 之 取 燔 骨".
- ^ Li, Shu-hua (1954). „Origine de la Boussole II. Aimant et Boussole“. Isis (francouzsky). 45 (2): 175–196. doi:10.1086/348315. JSTOR 227361. S2CID 143585290.
un průchod dans le Liu-che-tch'ouen-ts'ieou [...]: „La pierre d'aimant fait venir le fer ou elle l'attire.“
Ze sekce „Jingtong" (精通) „Almanachu posledního podzimního měsíce“ (季秋 紀): "慈 石 召 鐵 , 或 引 之 也]" - ^ V sekci „Poslední slovo o drakech " (亂 龍 篇 Luanlong) z Lunheng: "Jantar sbírá brčka a nákladový kámen přitahuje jehly “(頓 牟 掇 芥 , 磁石 引 針).
- ^ Schmidl, Petra G. (1996–1997). "Dva rané arabské zdroje na magnetickém kompasu". Journal of Arabic and Islamic Studies. 1: 81–132.
- ^ A b A. Einstein: „O elektrodynamice pohybujících se těl“, 30. června 1905.
- ^ HP Meyers (1997). Úvodní fyzika pevných látek (2. vyd.). CRC Press. p. 362; Obrázek 11.1. ISBN 9781420075021.
- ^ Catherine Westbrook; Carolyn Kaut; Carolyn Kaut-Roth (1998). MRI (magnetická rezonance) v praxi (2. vyd.). Wiley-Blackwell. p. 217. ISBN 978-0-632-04205-0.
- ^ Purcell 2012, str. 320 584
- ^ Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012). Inteligentní mechatronické systémy: modelování, řízení a diagnostika. Springer Science & Business Media. 403–405. ISBN 978-1447146285.
- ^ Sturgeon, W. (1825). "Vylepšené elektromagnetické zařízení". Trans. Royal Society of Arts, Manufactures & Commerce. 43: 37–52. citováno v Miller, T.J.E (2001). Elektronické řízení spínaných odporových strojů. Noví. p. 7. ISBN 978-0-7506-5073-1.
- ^ Griffiths 1998, kapitola 12
- ^ Jackson, John David (1999). Klasická elektrodynamika (3. vyd.). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1.
- ^ Milton zmiňuje některé neprůkazné události (str. 60) a stále dochází k závěru, že „vůbec žádný důkaz o magnetických monopolech nepřežil“ (str. 3). Milton, Kimball A. (červen 2006). "Teoretický a experimentální stav magnetických monopolů". Zprávy o pokroku ve fyzice. 69 (6): 1637–1711. arXiv:hep-ex / 0602040. Bibcode:2006RPPh ... 69,1637 mil. doi:10.1088 / 0034-4885 / 69/6 / R02. S2CID 119061150..
- ^ Guth, Alan (1997). Inflační vesmír: Pátrání po nové teorii kosmického původu. Perseus. ISBN 978-0-201-32840-0. OCLC 38941224..
- ^ Mezinárodní unie pro čistou a aplikovanou chemii (1993). Veličiny, jednotky a symboly ve fyzikální chemii, 2. vydání, Oxford: Blackwell Science. ISBN 0-632-03583-8. str. 14–15. Elektronická verze.
- ^ Kirschvink, Joseph L .; Kobayashi-Kirshvink, Atsuko; Diaz-Ricci, Juan C .; Kirschvink, Steven J. (1992). „Magnetit v lidských tkáních: mechanismus pro biologické účinky slabých magnetických polí ELF“ (PDF). Doplněk bioelektromagnetiky. 1: 101–113. doi:10.1002 / bem.2250130710. PMID 1285705. Citováno 29. března 2016.
- ^ Magnetismus hmoty, Feynman přednášky z fyziky Ch 34
- ^ Feromagnetismus, Feynman přednášky z fyziky Ch 36
Další čtení
- David K. Cheng (1992). Polní a vlnová elektromagnetika. Addison-Wesley Publishing Company, Inc. ISBN 978-0-201-12819-2.
- Furlani, Edward P. (2001). Permanentní magnetická a elektromechanická zařízení: materiály, analýza a aplikace. Akademický tisk. ISBN 978-0-12-269951-1. OCLC 162129430.
- Griffiths, David J. (1998). Úvod do elektrodynamiky (3. vydání). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0. OCLC 40251748.CS1 maint: ref = harv (odkaz)
- Kronmüller, Helmut. (2007). Příručka magnetismu a pokročilých magnetických materiálů, sada 5 svazků. John Wiley & Sons. ISBN 978-0-470-02217-7. OCLC 124165851.
- Purcell, Edward M. (2012). Elektřina a magnetismus (3. vyd.). Cambridge: Cambridge Univ. Lis. ISBN 9781-10701-4022.CS1 maint: ref = harv (odkaz)
- Tipler, Paul (2004). Fyzika pro vědce a inženýry: elektřina, magnetismus, světlo a elementární moderní fyzika (5. vydání). W.H. Freemane. ISBN 978-0-7167-0810-0. OCLC 51095685.