Магнетизъм

Магнетизъм (от грц. magnit —
магнитен камък).

Магнетизмът в най-обобщен вид се определя като особена форма на материалните взаимодействия, които възникват между движещите се електрично натоварени частици. Отделът от физиката, който го изучава, се нарича също магнетизъм.

Още в древността хората се
запознават с магнита, който
поради необикновените си качества
е наречен „мъдър камък“,
„обичащ камък“, „царски камък“
и т. н. Античните представи за
магнита днес изглеждат куриозни.
Римският автор Плиний Стари пише:
„Отличителната особеност на
магнитите е техният пол. Този
сорт магнит, който е намерен в
Троя, има черен цвят и е от
женски пол и следователно е лишен
от притегляща сила“. През
средновековието на магнитите
продължават да се приписват
чудновати свойства — например
магнитът не понася чесън; ако той
бъде натрит с чеснови ядки, губи
силата си на привличане. По това
време се смята, че магнитът се
ориентира по Полярната звезда —
това едва не проваля колумбовата
експедиция, по време на която е
открита Америка.

Предаването на магнитното взаимодействие между пространствено разделени тела се осъществява от магнитно поле. Терминът магнитно поле е въведен още през 1845 г. от английския физик Майкъл Фарадей. Източник на магнитното поле са движещите се електрични товари — електричният ток. Връзката между електричното и магнитното поле е открита през 1820 г. от датския професор по физика Ханс Кристиан Оерстед.

Между двете полета обаче няма пълна аналогия: докато електричното поле се дължи на съществуването на противоположно натоварени електрични частици, магнитните им аналози (частици с един полюс), т. нар. магнитни монополи, още не са открити. През 1982 г. се появява съобщение за наблюдаването на подобна частица, но то още не е научно потвърдено. Хипотезата за възможността за съществуване на монополите е изказана за първи път през 1931 г. от английския физик Пол Дирак (монополи на Дирак).

Вектор на магнитният момент
Направлението на вектора на магнитния момент↑(µ) съвпада с направлението на движението на десен винт, завъртян по посока на протичащия ток

В атомен мащаб — с електрони, протони и неутрони, е свързано съществуването на два вида микроскопични токове: орбитални (обусловени от относителното движение на частиците по дадена орбита) и спинови (свързани с вътрешното им движение).

Количествената характеристика на магнетизма на тези частици е магнитният им момент (свързан с орбиталния и спиновия магнитен момент), който е векторна величина. При елементарен затворен контур, по който тече ток, произведението на големината на тока по площта на контура дава големината на вектора на магнитния момент, а посоката на момента се определя по правилотo на десния винт. Магнитният момент на свободния атом се дължи на следните три причини: наличност на спин при всички електрони; всички електрони имат орбитален момент на количеството на движение, свързан с движението им около ядрото; изменение на орбиталния момент при прилагане на външно магнитно поле. Първите две обстоятелства водят до парамагнитната съставляваща на намагнитеността, а третото — до диамагнитната.

диамагнитни газове
Пламъкът на свещта се отблъсква от магнитното поле — газовете, които го поддържат, са диамагнитни

Тъй като всички микроструктурни частици притежават магнитни моменти, то и техните комбинации — атомни ядра и електронни обвивки, както и комбинациите на комбинациите им (атоми, молекули и т. н. до макроскопичните тела), също притежават магнитни свойства. Оттук следва, че магнетизмът е присъщ на всички вещества — има универсален характер.

Домен (от фр. domaine — вдадение,
област, сфера). Домените са с размери
между 10-3и10-2 cm. Появата на
домените се обяснява по следния
начин: ако целият феромагнетик е
намагнитен до насищане в едно
направление, на повърхността му ще
се появят магнитни полюси, а в
заобикалящото го пространство ще
се създаде магнитно поле. Затова
обаче ще се изразходва повече
енергия, отколкото при образуването
на домените. При постоянна
температура и обем във феромагнетика
ще се реализират само тези доменни
структури, за които е необходима
минимална свободна енергия.

Една от характеристиките на магнитното състояние на макроскопичните тела е тяхната намагнитеност (J), която се определя от сумарния магнитен момент, отнесен към единица обем на магнитното тяло. Намагнитеността е векторна величина и зависи от интензивността на магнитното поле (Н). Графичната зависимост между J и Н се изобразява чрез криви на намагнитване, формата на които зависи от типа на магнитното тяло. Величината, която характеризира връзката между намагнитеността на веществото и магнитното поле в него, се нарича магнитна възприемчивост (χ). Тя може да бъде отрицателна и положителна. Веществата с отрицателна магнитна възприемчивост (χ<0) се наричат диамагнитни, а тези с положителна (χ>0) парамагнитни. В парамагнитните вещества може да бъде обособена групата на феромагнетиците — при тях магнитната възприемчивост зависи особено силно и сложно от магнитното поле. Ето защо се въвежда понятието диференциална магнитна възприемчивост, което характеризира тази зависимост във всяка точка на кривата на намагнитване. Сложната зависимост от магнитното поле се определя от това, че феромагнитното тяло се състои от голям брой области — т. нар. домени, всяка от които е намагнитена до насищане. В отсъствието на магнитно поле векторите на намагнитеността на домените са ориентирани така, че резултантната намагнитеност на феромагнита като цяло е равна на нула. Намагнитването на феромагнитното тяло се състои в преориентацията на векторите на намагнитеност на домените по посока на приложеното магнитно поле. Друга важна характеристика на магнитното поле е магнитната индукция (В), която е средното значение на сумарната интензивност на микроскопичните магнитни полета, създавани от отделните елементарни частици. Магнитната индукция е свързана с вектора на интензивността на магнитното поле и вектора на намагнитеността. ността на магнитното поле и вектора на намагнитеността. В СИ тази връзка се записва така: B=µ0(H+J) където величината µ0 се нарича магнитна постоянна (магнитна проницаемост на вакуума).

магнитни домени
Магнитни домени в метален къс при различни стадии на намагнитване:
1 — магнитно поле отсъства:
2 — приложено е магнитно поле: 3 — магнитното поле е силно (посоката му е показана със стрелки: с ⊗ — когато тя е към плоскостта на фигурата и с ⊙ — когато е към нас)

В групата на феромагнитните
вещества влизат: желязо,
никел, кобалт, гадолиний и
диспрозий. Освен тези
елементи тук може да се
причислят и някои сплави,
например от манган, мед и
алуминий.

Магнитокалоричен ефект —
изменение на температурата
на магнитно тяло при
адиабатно изменение на
интензивността на магнитното
поле, в което се намира
тялото.

Адиабатен процес — процес,
при който физичната система
не получава топлина отвън и
не отдава топлина в
околното пространство.

Магниторезистивен ефект —
изменение на
електросъпротивлението на
твърдите проводници под
влияние на външно магнитно
поле: различават се:
напречен (електричният ток
тече перпендикулярно на
полето) и надлъжен (токът
е успореден) ефект.

Магнитострикция — свиване
или разтягаме на тялото
при намагнитването му
(открита е от Дж. Джаул
през 1842 г.). Обратният
ефект е свързан с
изменение на
намагнитването на
феромагнитните тела при
деформация и се нарича
магнитоеластичен ефект,
или ефект на Уилари.

С магнитната индукция е тясно свързана магнитната проницаемост (µ), която представлява зависимост между изменението на магнитната индукция при въздействието на магнитното поле. При диамагнетиците χ<0 и µ<0 , докато при пара- и феромагнетиците χ>0 и µ>0. В зависимост от това, дали магнитната проницаемост се определя в статични или в променливи магнитни полета, тя се нарича съответно статична или динамична. В магнетизма се изучават различни свойства и ефекти в магнитните тела. Едни от тях — например магнитокалоричният ефект, магниторезистивният ефект, магнитната симетрия, магнитострикцията, се отнасят до големи групи вещества, докато други — например магнитното последействие, имат по-ограничен обсег — засягат главно феромагнетиците. Интерес при магнитното последействие представлява продължителността му — от 10-9.s до минути или дори часове. С феромагнитните тела е свързано и магнитното стареене — изменение на магнитните им свойства при стайна (работна) температура в продължение на времето. Това явление може да има две причини: изменение на доменната структура на феромагнетика (обратимо остаряване) или изменение на кристалната решетка (необратимо). Друг ефект е магнитоеластичният ефект.

Един от многото примери за приложението на магнетизма, особено там, където другите методи не дават резултат, е методът за получаване на свръхниски температури (под 1 К) с помощта на адиабатно размагнитване на парамагнитни вещества. Този метод е предложен през 1926 г. едновременно и независимо от двама учени — холандския физик и химик Петер Дебай и американския физик и химик Уилям Джиок, и е реализиран през 1933 г. Магнетизмът е свързан не само със света на микрочастиците, той има отношение и към проблемите, свързани с Космоса — произхода на магнитните полета на Земята, на Слънцето, на планетите и звездите, на извънгалактичните радиоизточници и др.

В СИ магнитната индукция
се измерва в тесли (TI).

Днес магнитните свойства на веществата намират приложение в електротехниката и радиотехниката, в приборостроенето и изчислителната техника, в навигацията, автоматиката и телемеханиката, в биологията и т. н.