Что такое действие магнитом в химии определение

Содержание:

Магнитные свойства вещества:

Многочисленные опыты показывают, что магнитное поле взаимодействует со всеми без исключения веществами, изменяя их физические и химические свойства. Проявления этого взаимодействия могут быть различными.

Возьмем мощный электромагнит с коническими полюсными наконечниками, расположим между полюсами висмутовый шарик, уравновешенный па небольших весах (рис. 2.18). При замыкании цепи питания электромагнита равновесие нарушится: шарик выйдет из магнитного поля.

Расположим горящую свечу так, чтобы ее пламя было между полюсами магнита. Замкнув цепь питания магнита, увидим, что пламя выталкивается из магнитного поля (рис. 2.19).

Тщательные исследования диамагнитных явлений показали, что магнитная индукция в диамагнетике меньше, чем магнитная индукция внешнего поля: . Такой эффект
объясняется изменениями, которые происходят в атомах диамагнетика при внесении вещества в магнитное поле, поэтому этот эффект наблюдается у всех веществ.

Вещества, у которых наблюдается диамагнитный эффект, называются диамагнетиками.

Влияние вещества на магнитное поле описывает физическая величина, которая называется магнитной проницаемостью. Она определяется как отношение магнитной индукции в веществе В к магнитной индукции вне вещества B_0:

Если над полюсными наконечниками уравновесить на весах алюминиевый шарик, то при замыкании цепи питания он будет втягиваться в пространство между наконечниками, где индукция поля больше (рис. 2.20).

Pиc 2.20. Алюминиевый шарик втягивается в магнитное поле

Взаимодействия вещества и магнитного поля проявляются как диамагнетизм, парамагнетизм и ферромагнетизм.

Парамагнетизм проявляется в веществах, атомы которых, имея собственное поле, словно магнитные стрелочки, поворачиваются под действием внешнего магнитного поля, увеличивая его магнитную индукцию.

Большинство веществ принадлежат к диамагнетикам или парамагнетикам, являясь слабомагнитными веществами. Анализируя значения их магнитных проницаем остей, можно заметить, что она как у парамагнетиков, так и у диамагнетиков мало отличается от единицы. Поэтому диамагнетизм и парамагнетизм в большинстве случаев не влияют существенно на магнитные свойства среды.

Однако есть вещества, которые весьма заметно взаимодействуют с магнитным полем. Их называют ферромагнетиками.

Типичным признаком ферромагнетика является аномально большое значение магнитной проницаемости. Так, чистое железо после длительного отжига в атмосфере водорода имеет магнитную проницаемость до 340 000. Это значит, что этот ферромагнетик усиливает магнитное поле в 340 000 раз.

Свойства ферромагнетиков

Многие специфические свойства ферромагнетиков являются производными от их кристаллической структуры. При внесении ферромагнетика в магнитное поле физические изменения в них происходят на уровне кристаллической решетки. Поэтому пни имеют специфические свойства и составляют отдельный класс.

Типичным свойством ферромагнетиков является нелинейность процесса их намагничивания. Если ферромагнетик внести в магнитное поле и начать постепенно увеличивать магнитную индукцию этого поля, то магнитная индукция в ферромагнетике не будет увеличиваться пропорционально (рис. 2.21). При постепенном увеличении магнитной индукции внешнего поля магнитная индукция в ферромагнетике сначала увеличивается медленно, потом — быстрее, а потом снова возрастание уменьшается. При достижении состояния насыщения (точка А) магнитная индукция в ферромагнетике возрастает линейно.

Рис. 221. График процесса намагничивания ферромагнетика

Из такого сложною характера намагничивания можно сделать вывод, что магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной.

Для ферромагнетиков характерно свойство, называемое гистерезисом. Сущность его в том, что процессы намагничивания и размагничивания проходят не одинаково. Ферромагнетик, находившийся в магнитном поле, сохраняет определенную намагниченность даже тогда, когда это поле исчезло. При перемагничивании ферромагнетика в магнитном поле переменного тока график перемагничивания имеет сложный характер (рис. 2.22). Поэтому этот график называют петлей гистерезиса.

Рис. 2.22 Петля гистерезиса

Форма петли гистерезиса для различных сортов стали бывает разной. Для многих сталей высота петли намного больше ширины. Такие материалы называют магнитно мягкими. Они быстро намагничиваются и размагничиваются. Поэтому применяются в электротехнических устройствах, работающих на переменном токе.

Если ширина петли гистерезиса соразмерна с высотой, то ферромагнетик называют жестким.
Кристаллическая структура ферромагнетика зависит от температуры. Поэтому при изменении температуры изменяются и магнитные свойства ферромагнетика.

В подтверждение этого поднесем к полюсу постоянного магнита никелевое кольца. Поскольку никель ферромагнетик, то кольцо притянется к магниту и будет находиться некоторое время в этом состоянии (рис. 2.23). Если кольцо нагреть (например, от газовой горелки), то через некоторое время кольцо отпадет вследствие потери ферромагнитных свойств. Температуру, при которой исчезают ферромагнитные свойства, называют точкой Кюри. Значения точки Кюри у различных ферромагнетиков разные.

Puc. 223.Магнитные свойства ферромагнетиков зависят от температуры

Кристаллическая структура ферромагнетика зависит от температуры. Поэтому при изменении его температуры изменяются и его свойства.

Использование магнитных свойств вещества

Во время взаимодействия вещества с магнитным полем изменяются не только магнитные, но и другие его свойства.

Одним из интересных примеров использования действия магнитного поля на вещество является «омагничивание» воды. Под действием магнитного поля она приобретает новые свойства.

Такая вода не оставляет накипи в нагревательных водяных котлах, что позволяет использовать ее без дополнительной химической обработки. Бетон, замешанный на «омягниченной» воде, крепче, чем на обычной воде.

Явление усиления магнитного ноля ферромагнетиками используется в различных электротехнических приборах: в электромагнитных кранах (рис. 2.24), в реле, в электродвигателях, в трансформаторах. Для этого используются специальные сорта стали.

Все результаты взаимодействия магнитного поля и вещества нашли применение в практике.

Магнитное поле лечит злокачественные опухоли, позволяет исследовать внутренние органы человека, проникать в тайны многих болезней человека.

C магнитным полем связана жизнь всех живых организмов на Земле. Ученые выяснили, что перелетный птицы ориентируются в полете и поиске своих постоянных мест гнездования по магнитному полю Земли.

Магнитное поле охраняет жизнь на Земле от космических опасностей.

На Землю из космоса поступает мощный поток быстрых частиц, которые в случае попадания в живой организм могут отрицательно воздействовать на него. Но в магнитном поле Земли на них действует сила Лоренца, защищающая жителей Земли от вредного влияния (рис. 2.25).

При копировании любых материалов с сайта evkova.org обязательна активная ссылка на сайт www.evkova.org

Сайт создан коллективом преподавателей на некоммерческой основе для дополнительного образования молодежи

Сайт пишется, поддерживается и управляется коллективом преподавателей

Whatsapp и логотип whatsapp являются товарными знаками корпорации WhatsApp LLC.

Cайт носит информационный характер и ни при каких условиях не является публичной офертой, которая определяется положениями статьи 437 Гражданского кодекса РФ. Анна Евкова не оказывает никаких услуг.

Источник

Магнитные свойства веществ. Классификация веществ по магнитным свойствам

Магнитными свойствами обладают в той или иной мере все материалы, так как эти свойства являются отражением структурных закономерностей, присущих веществу на микроуровне. Особенности структуры обусловливают различия в магнитных свойствах веществ, то есть в характере их взаимодействия с магнитным полем.

Строение вещества и магнетизм

Первая теория, объясняющая природу магнетизма через взаимосвязь электрических и магнитных явлений, создана французским физиком Ж.-М. Ампером в 20-х годах XIX века. В рамках этой теории Ампер предположил наличие в физических телах микроскопических замкнутых токов, обычно компенсирующих друг друга. Но у веществ, обладающих магнитными свойствами, такие «молекулярные токи» создают поверхностный ток, в результате чего материал становится постоянным магнитом. Эта гипотеза не нашла подтверждения, за исключением одной важнейшей идеи – о микротоках как источниках магнитных полей.

Микротоки в веществе действительно существуют благодаря движению электронов в атомах и создают магнитный момент. Кроме того, электроны имеют собственный магнитный момент квантовой природы.

Суммарный магнитный момент вещества, то есть совокупности элементарных токов в нем, в отношении к единице объема, определяет состояние намагниченности макроскопического тела. У большей части веществ моменты частиц ориентированы неупорядоченно (ведущую роль в этом играют тепловые хаотические колебания), и намагниченность практически равна нулю.

Поведение вещества в магнитном поле

При действии внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов частиц изменяют направление – тело намагничивается, в нем появляется собственное магнитное поле. Характер этого изменения и его интенсивность, определяющие магнитные свойства веществ, обусловлены различными факторами:

Намагниченность вещества пропорциональна напряженности магнитного поля в нем. Их соотношение определяется особым коэффициентом – магнитной восприимчивостью. У вакуума она равна нулю, у некоторых веществ отрицательна.

Величину, характеризующую соотношение магнитной индукции и напряженности поля в веществе, принято называть магнитной проницаемостью. В вакууме индукция и напряженность совпадают, и проницаемость его равна единице. Магнитную проницаемость вещества можно выражать как относительную величину. Это соотношение абсолютных значений ее для данного вещества и для вакуума (последняя величина принята в качестве магнитной постоянной).

Классификация веществ по магнитным свойствам

По типу поведения различных твердых материалов, жидкостей, газов в магнитном поле выделяют несколько групп:

Основные магнитные характеристики вещества, лежащие в основе классификации – это магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Охарактеризуем основные свойства, присущие каждой группе.

Диамагнетики

В силу некоторых особенностей строения электронных облаков у атомов (или молекул) диамагнетиков нет магнитного момента. Он появляется при возникновении внешнего поля. Индуцированное, наведенное поле имеет противоположное направление, и результирующее поле оказывается несколько слабее, чем внешнее. Правда, разница эта не может быть существенной.

Наложение неоднородного магнитного поля ведет к тому, что диамагнетик выталкивается этим полем, так как стремится сместиться в область, где поле слабее. На этой особенности магнитных свойств веществ данной группы основан эффект диамагнитной левитации.

Диамагнетики представляют обширную группу веществ. В нее входят такие металлы, как медь, цинк, золото, серебро, висмут. Также к ней относятся кремний, германий, фосфор, азот, водород, инертные газы. Из сложных веществ – вода, многие соли, органические соединения. Идеальные диамагнетики – это сверхпроводники. Магнитная проницаемость их равна нулю. Поле внутрь сверхпроводника проникнуть не может.

Парамагнетики

В отсутствие внешнего поля парамагнетики, как правило, не обладают намагниченностью: их атомы имеют собственные магнитные моменты, но ориентированы они хаотически из-за тепловых колебаний. При низких температурах парамагнетики могут иметь собственную намагниченность малой величины, сильно зависящую от внешних воздействий. Однако влияние теплового движения слишком велико, вследствие чего элементарные магнитные моменты парамагнетиков никогда не устанавливаются точно по направлению поля. В этом и заключается причина их низкой магнитной восприимчивости.

Силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия также играют значительную роль, способствуя либо, напротив, оказывая сопротивление упорядочиванию элементарных магнитных моментов. Это обусловливает большое разнообразие магнитных свойств вещества парамагнетиков.

К этой группе веществ относятся многие металлы, например вольфрам, алюминий, марганец, натрий, магний. Парамагнетиками являются кислород, соли железа, некоторые оксиды.

Ферромагнетики

Существует небольшая группа веществ, которые благодаря особенностям структуры обладают очень высокими магнитными свойствами. Первым металлом, у которого обнаружились эти качества, было железо, и благодаря ему данная группа получила наименование ферромагнетиков.

Строение ферромагнетиков характеризуется наличием особых структур – доменов. Это области, где намагниченность образуется спонтанно. Благодаря особенностям межатомного и межмолекулярного взаимодействия у ферромагнетиков устанавливается наиболее энергетически выгодное расположение атомных и электронных магнитных моментов. Они приобретают параллельную направленность по так называемым направлениям легкого намагничивания. Однако весь объем, например, кристалла железа не может приобрести однонаправленную самопроизвольную намагниченность – это повышало бы общую энергию системы. Поэтому система разбивается на участки, спонтанная намагниченность которых в ферромагнитном теле компенсирует друг друга. Так образуются домены.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков чрезвычайно велика, может составлять от нескольких десятков до сотен тысяч и в большой степени зависит от напряженности внешнего поля. Причина этого заключается в том, что ориентация доменов по направлению поля также оказывается энергетически выгодной. Направление вектора намагниченности части доменов обязательно совпадет с вектором напряженности поля, и энергия их будет наименьшей. Такие области разрастаются, и одновременно сокращаются невыгодно ориентированные домены. Намагниченность увеличивается, и нарастает магнитная индукция. Процесс происходит неравномерно, и график связи индукции с напряженностью внешнего поля называют кривой намагничивания ферромагнитного вещества.

При повышении температуры до некоторой пороговой величины, называемой точкой Кюри, доменное строение вследствие усиления теплового движения нарушается. В этих условиях ферромагнетик проявляет парамагнитные качества.

Помимо железа и стали, ферромагнитные свойства присущи кобальту и никелю, некоторым сплавам и редкоземельным металлам.

Ферримагнетики и антиферромагнетики

Двум видам магнетиков также свойственна доменная структура, но магнитные моменты в них ориентируются антипараллельно. Это такие группы, как:

Понятие о гистерезисе. Постоянный магнетизм

Ферромагнитные и ферримагнитные материалы обладают свойством остаточной намагниченности. Это свойство обусловлено явлением гистерезиса – запаздывания. Суть его состоит в отставании изменения намагниченности материала от изменения внешнего поля. Если по достижении насыщения снижать напряженность поля, намагниченность будет меняться не в соответствии с кривой намагничивания, а более пологим образом, так как значительная часть доменов остается ориентирована соответственно вектору поля. Благодаря этому явлению существуют постоянные магниты.

Размагничивание происходит при перемене направления поля, при достижении им некоторой величины, называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Чем больше ее величина, тем лучше вещество удерживает остаточную намагниченность. Замыкание петли гистерезиса происходит при следующем изменении напряженности по направлению и величине.

Магнитная твердость и мягкость

Явление гистерезиса сильно влияет на магнитные свойства материалов. Вещества, у которых на графике гистерезиса петля расширена, требующие для размагничивания значительной коэрцитивной силы, называют магнитотвердыми, материалы с узкой петлей, гораздо легче поддающиеся размагничиванию – магнитомягкими.

В переменных полях магнитный гистерезис проявляется особенно ярко. Он всегда сопровождается выделением тепла. Кроме того, в переменном магнитном поле в магнетике возникают вихревые индукционные токи, выделяющие особенно много тепла.

Многие ферромагнетики и ферримагнетики применяются в оборудовании, функционирующем на переменном токе (например, сердечники электромагнитов) и при работе все время перемагничиваются. Для того чтобы уменьшить энергопотери на гистерезис и динамические потери на вихревые токи, в таком оборудовании применяют магнитомягкие материалы, такие как чистое железо, ферриты, электротехнические стали, сплавы (например, пермаллой). Есть и другие способы минимизировать потери энергии.

Магнитотвердые вещества, напротив, используются в оборудовании, работающем на постоянном магнитном поле. Они значительно дольше сохраняют остаточную намагниченность, но их труднее намагнитить до насыщения. Многие из них в настоящее время представляют собой композиты разных типов, например, металлокерамические или неодимовые магниты.

Еще немного об использовании магнитных материалов

Современные высокотехнологичные производства требуют применения магнитов, изготовляемых из конструкционных, в том числе композитных материалов с заданными магнитными свойствами веществ. Таковы, например, магнитные нанокомпозиты ферромагнетик-сверхпроводник или ферромагнетик-парамагнетик, используемые в спинтронике, или магнитополимеры – гели, эластомеры, латексы, феррожидкости, находящие самое широкое применение.

Различные магнитные сплавы тоже чрезвычайно востребованы. Сплав неодим-железо-бор характеризуется высокой устойчивостью к размагничиванию и мощностью: упомянутые выше неодимовые магниты, являясь наиболее мощными на сегодняшний день постоянными магнитами, применяются в самых разных отраслях, несмотря на наличие некоторых недостатков, таких как хрупкость. Их используют в магнитно-резонансных томографах, ветрогенераторах, при очистке технических жидкостей и подъеме тяжелых грузов.

Очень интересны перспективы использования антиферромагнетиков в низкотемпературных наноструктурах для изготовления ячеек памяти, позволяющих существенно увеличивать плотность записи без нарушения состояния соседних битов.

Надо полагать, что применение магнитных свойств веществ с заданными характеристиками будет все более расширяться и обеспечит серьезные технологические прорывы в разных областях.

Источник

Магнитные свойства вещества (примеры)

Что такое магнитные свойства вещества

В некоторых случаях (при определенных числах электронов в атоме и соответствующих ориентировках их движения) отдельные микрополя в атоме могут взаимно компенсироваться и тогда атом собственного элементарного магнитного поля не образует.

Вещества, атомы которых имеют собственное элементарное магнитное поле (рис. 247, а), называются парамагнитными (или парамагнетиками).

Вещества, атомы которых собственного элементарного магнитного поля не имеют (рис. 247, б), называются диамагнитными (или диамагнетиками).

Тела состоящие как из диа-, так и парамагнитных веществ, немагнитны. Они собственного магнитного поля не образуют, так как в первом случае у атомов элементарные магнитные поля вообще отсутствуют, а во втором случае элементарные поля атомов имеют в массе вещества беспорядочную пространственную ориентировку, которая в процессе теплового движения все время меняется и поэтому они взаимно компенсируются.

Диамагнитные вещества

Диамагнетизм это универсальное явление, оно свойственно и парамагнетикам. Однако в последних внешнее магнитное поле вызывает одновременно также и другой эффект, называемый парамагнетизмом.

При этом ориентировка микротоков, в результате которой в атомах парамагнетиков создается собственное элементарное магнитное поле, изменяется так, что эти поля принимают направление, согласное с внешним полем.

Суммируясь, они образуют собственное магнитное поле вещества, которое направлено согласно с внешним полем и его усиливает (рис. 274, в). Этот эффект называется парамагнетизмом, причем у парамагнитных веществ он значительно сильнее диамагнитного эффекта, в связи с чем внешне только он и проявляется.

Если диамагнитное вещество поместить во внешнее магнитное поле, то на микротоки в его атомах со стороны поля будут действовать силы Лоренца, которые вызовут изменение пространственной ориентировки орбит электронов. В связи с этим (подробно этот вопрос здесь рассматривать не будем) у атомов появятся наведенные элементарные магнитные поля, направление которых обратно внешнему полю (правило Ленца).

В результате сложения этих элементарных полей образуется собственное магнитное поле вещества, направленное навстречу внешнего поля и его ослабляющее (рис. 247, г). На рисунке силовые линии обозначены: для внешнего поля — сплошным и для собственного поля вещества — пунктиром. Этот эффект называется диамагнетизмом и у диамагнетиков является единственным результатом действия внешнего поля.

Диамагнитные вещества

Если диамагнитное тело поднести к полюсам магнита, оно отталкивается (рис. 248, а), а будучи свободно подвешено, устанавливается перпендикулярно силовым линиям поля магнита. К диамагнитным телам относятся: вода, большая часть органических соединений (например, углеводы и белки), а также некоторые металлы (висмут, серебро, цинк и др.).

Если парамагнитное тело поднести к полюсам магнита, оно притягивается (рис. 248,б), а будучи свободно подвешено, устанавливается вдоль силовых линий поля магнита. К парамагнитным телам относятся газы, щелочные и щелочноземельные металлы и др.

Образование под действием внешнего поля собственного поля в ве ществе называется его намагничиванием. При намагничивании у большей части веществ собственное поле прямо пропорционально напряженности намагничивающего поля, а при прекращении его действия вещество воз вращается в исходное немагнитное состояние (см. рис. 247, а и б). Способ ность к намагничиванию у различных веществ отличается, однако у боль шинства как диамагнитных, так и парамагнитных тел она настолько мала, что практического значения не имеет.

Ферромагнетики

Особую группу составляют ферромагнетики (рис. 249, а). Они намагничиваются в сотни и тысячи раз сильнее парамагнетиков (рис. 249,б) и сохраняют собственное магнитное поле и после прекращения действия намагничивающего поля (рис. 249, в). Это явление называется остаточным намагничиванием и лежит в основе образования естественных или искусственных магнитов (в частности, и магнитных стрелок).

Кроме того, для них характерно явление магнитного насыщения, которое заключается в том, что при их намагничивании и постепенном увеличении напряженности внешнего поля собственное поле вещества сначала нарастает пропорционально внешнему, затем эта пропорциональность нарушается и, наконец, нарастание собственного поля прекращается: вещество находится в состоянии магнитного насыщения.

Свойства ферромагнетиков связаны с наличием в их природной структуре групп атомов, называемых доменами, которые уже имеют согласную ориентировку элементарных магнитных полей. Происходящая при намагничивании ориентировка полей самих доменов создает собственное поле вещества значительно более сильное, чем у прочих парамагнетиков, в которых происходит только частичная ориентировка элементарных полей атомов вещества. Ориентировка полей доменов в значительной мере сохраняется и после прекращения действия внешнего поля.

Такова природа остаточного намагничивания. Однако интенсивное тепловое движение может разрушить эту ориентировку, поэтому при высокой температуре ферромагнитные вещества теряют свои магнитные свойства. Состояние магнитного насыщения соответствует, по-видимому, наиболее полной возможной ориентировке полей доменов. К ферромагнетикам относятся железо, сталь, никель, кобальт и различные специальные сплавы.

Расчеты магнитных свойств веществ

Таким образом, магнитное поле, образующееся в веществе, представляет собой результат сложения двух полей: внешнего поля, создаваемого намагничивающим током (такое же поле образуется этим током и в вакууме), и собственного поля вещества, возникающего в результате намагничивания. Тогда магнитную индукцию В поля в веществе можно выразить как алгебраическую сумму индукции В_н намагничивающего поля (или индукции В_с поля, образуемого намагничивающим током в вакууме) и индукции В_с собственного поля вещества:

где μ = В/В₀, есть величина, показывающая, в каком соотношении находится индукция поля, образованного в данном веществе с индукцией поля, возникающего в аналогичных условиях в вакууме. Эта величина называется относительной магнитной проницаемостью вещества и характеризует его способность к намагничиванию.

Принимая во внимание приведенное выше соотношение между магнитной индукцией В₀ и напряженность поля Н₀ в вакууме, можно указать аналогичное соотношение между магнитной индукцией В поля в веществе и напряженностью Н₀ намагничивающего поля.

В = μ Н ₀

Относительная магнитная проницаемость μ, как это следует из выше изложенного, у диамагнетиков меньше единицы, хотя и близка к ней μ_д ≤1, у парамагнетиков — больше единицы μ_п ≥ 1 и у ферромагнетиков значительно больше единицы(может доходить до десятков тысяч, причем в связи с явлением магнитного насыщения величина ее зависит от напря женности поля, вызывающего намагничивание)

Относительная магнитная проницаемость для некоторых веществ (для ферромагнитных — в области, далекой от насыщения) приведена в таблице.