МАГНЕТИЗМ (грекше «магнетис – магнит») – 1) электр токтары арасындағы, электр тогы мен магниттер (магниттік моменті болатын денелер) және магниттер мен магниттер арасындағы өзараәсерлесудің ерекше түрі; 2) физиканың
о сы өзара Магнит темір ұнтақтарын әсерлесулерін тартады
ж ә н е о с ы
қасиеттер білінетін заттарды (магнетиктерді)
Компас тілі арқылы магнит полюс- зерттейтін саласы. Магнетизмді жалпылама терін анықтау түрде электрлік зарядты қозғалмалы бөлшектер арасында пайда болатын материалдық
өзараәсерлесулердің ерекше түрі ретінде қарастыруға болады. Кеңістіктік-бөлінген денелер арасындағы байланысты іске асыратын магниттік өзараәсерлесудің берілуі магниттік өріс арқылы жүзеге асырылады. Осы өріс электр өрісімен қатар материя қозғалыстарының электрмагниттік түрінің білінуінің біреуі болып табылады. Магниттік және электрлік өрістер арасында толық симметрия жоқ. Электр өрістерінің көздері электр зарядтары болып табылады, бірақ табиғаттан осыған ұқсас магниттік зарядтар әзірше байқалған жоқ, солай бола тұрса да ондай зарядтың болатыны туралы
|
болжалдар айтылған-ды. Магниттік өрістің көзі – қозғалыстағы электр заряды, яғни электр тогы. Электрондар |
Болат жолақты магниттеу. а – болат жолақтың үстінен магнитті жанастырып өту керек; б – болат жолақты ток өтіп тұрған катушканың ішінде біраз уақыт ұстау шарт |
мен нуклондар (протондар, нейтрондар) үшін екі типті микроскопиялық токтар – орбиталық (осы бөлшектердің атомдардағы ауырлық орталықтарының ауы- суына байланысты) және спиндік (әлгілердің ішкері қозғалыстарына байланысты) токтар болады.
Магнитті бөліп жаңа екі магнит жасау
Домендер магниттік бүкіл көлемінде болатындықтан, кез келген магнитті бірнеше бөлікке бөлгенде, осы бөліктердің әрқайсысы «тұтас» магнит болып шығады.
Бөлшектер магнетизмнің мөлшерлік сипаттамасы – олардың орбиталық және спиндік магниттік моменттер болып табылады. Заттардың бүкіл микроқұрылымдық бөліктері – электрондар, протондар және нейтрондар – магниттік моменттерге ие, сол себепті олардың кез келген комбинациясы – атомдардың ядролары және электрондық қабықшалары, сондай-ақ олардың комбинацияларының комбинациялары, яғни атомдар, молекулалар және макроскопиялық денелер магнетизмнің көздері бола алады. Сондықтан барлық заттардың магниттік қасиеттері болады.
Қарапайым магнетиктер туралы болжамдарды көрнекі түсіндіру моделі. Магнитті суретте көрсетілгендей өте ұсақ «қарапайым магнетиктерден» құралған деп елестетуге болады. Магниттік шеткі екі жағындағы магнетиктердің полюстерінен көршілес магнетиктердің полюстері бір-бірін өзара бейтараптандырады. Сол себепті магниттің екі полюсі болады
Сыртқы магнит өрісінің заттарға әсер етуші екі негізгі эффектісі белгілі. Біріншіден, Фарадейдің электрмагниттік индукциясына сәйкес сыртқы магнит өрісі әрқашан бастапқы өріске қарсы бағытталған индукциялық ток тудырады.
Сондықтан заттардың сыртқы
Магниттелген зат өріс тудырады. Оның күш
сызықтары бірлік солтүстік магнит полюсі өріс тудыратын магниттік моменті қозғалатын жол іздерін белгілейтін болады. Екі әрқашан сыртқы өріске қарамамагниттің арасындағы қағаз параққа себілген темір
ұнтақтар магниттердің тартылысы кезіндегі (А) қарсы бағытталады. Екіншіден, егер және тебілуі кезіндегі (Б) күш сызықтарын бай- атомның нөлден өзге магниттік өрісі қатады. Күш сызықтардың бойымен
орналастырылған кішкентай компастардың болатын болса (спиндік, орбиталық солтүстік полюстері өрістің бағытын (В) немесе және басқа), онда сыртқа көрсетеді. өріс оны өзінің бағыты бойынша
бағдарлауға әрекеттенеді. Осының нәтижесінде өріске параллел парамагниттік деп аталған магниттік момент пайда болады.
Заттардың магниттік қасиеттеріне микробөлшектер мен магниттік моментті тасушылар арасындағы ішкі өзара әсерлесулерде (электрлік және магниттік табиғатты) айтарлықтай ықпал ете алады. Атомдық магниттік моменттері бірінебірі параллел бағдарланған заттар ферромагнетиктер деп, сәйкес түрде көрші атомдық моменттері антипараллел орналасқан заттар антиферромагнетиктер деп аталған. Осындай коллинеарлық ферро- және антиферромагнетиктерден өзгедей атомдық құрылымдар және коллинеарлық емес (винттік, үшбұрышты т.б.) құрылымдар да байқалады.
Көптеген атомдардан құралған заттардың атомдық құрылымдарының күрделілігі бұлардың магниттік қасиеттерінің іс жүзінде шексіз көптігіне әкеп соқтырады. Заттардың магниттік қасиеттерін қарастырған кезде олар үшін жалпылама «магнетиктер» деген атау қолданылған. Заттардың магниттік қасиеттері мен олардың магниттік емес қасиеттерінің (электрлік, механикалық, оптикалық т.б.) өзара байланысын микробөлшектер мен макроскопиялық өлшемді денелердің ішкі құрылымдары туралы ақпараттар көзі ретінде пайдалануға мүмкіндік береді. Қарапайым бөлшектердің магнетизмінен бастап ғарыштық денелердің (Жердің, Күннің және жұлдыздардың) магнетизміне дейін созылып жатқан магниттік құбылыстардың диапазондары магнетизмге өзгедей көптеген ғылымдардың (физиканың, астрофизиканың, химияның, биологияның т.б.) тарапынан және оның техникада кең қолдау табуы жан-жақты қызығушылық тудыруда.
Заттардың магниттік қасиеттерінің макроскопиялық сипаттамасы әдетте өрістің электрмагниттік теориясында (мысалы, Максвелл теңдеулерінде) тұжырымдалған.
Классикалық статистикалық физиканың жалпылама ережелерінен электрондық жүйенің термодинамикалық тұрақты магниттік моменті болмақ емес, бұл жайт тәжірибелерге қайшы келеді. Атомның орнықтылығын түсіндірген кванттық м еха н и ка атомдар мен макроскопиялық денелердің магнетизміне де түсініктеме тұжырымдады. Атомдар мен молекулалардың магнетизмі бұлардың электрондарының спиндік магниттік моменттеріне және электрондардың атомдар мен молекулалардың атомдық қабықшаларындағы (орбиталық магнетизм деп аталған) қозғалыстарына, ядро нуклондарының спиндік және орбиталық магнетизмдеріне тәуелді пайда болған. Инертті газдардың (гелий, аргон, неон т.б.) атомдарының электрондық қабықшалары магниттік бейтарап (олардың магниттік моментерінің қосындысы нөлге тең). Инертті газдар сыртқы магнит өрісінде диамагниттік қасиетке ие. Сілтілік металдардың (литий, натрий, калий т.б.) электрондық қабықшалары тек валенттік электронның спиндік магниттік моментіне ие, бұл атомдардың орбиталық магниттік моменттері нөлге тең. Осының нәтижесінде сілтілік металдардың атомдары парамагнитті болады.
Заттардың магниттік қасиеттері атомдық магнетизмнің тасушыларының табиғатымен және олардың өзараәсерлерінің сипатымен анықталады. Тіптен бір химиялық құрам сыртқы жағдайларға тәуелді түрде кристалдық немесе фазалық құрылымды (мысалы, қорытпалардағы атомдардың реттілігінің дәрежесі) бола тұра әртүрлі магниттік қасиетке ие болады. Мысалы, кристалдық күйдегі Fе, Со және Nі белгілі бір температурадан төменгі (Кюри нүктесінен)температурада ферромагнетик қасиетке ие, Кюрий нүктесінен жоғары температурада олар парамагнетиктік қасиетті болады. Осындай қасиет антиферромагнетиктерде де байқалады, бұлардың кризистік температурасы Неель нүктесі деп аталған. Кейбір сирек металдарда ферро- және парамагнетиктік температуралы аймақтарда антиферромагнетиктік аймақ болады.
Кванттық механика бойынша зарядты бөлшектердің кулондық электрстатикалық өзараәсерлесуімен қатар электрондардың магниттік моменттерінің өзара бағдарлануына тәуелді болатын таза кванттық электр- статикалық өзараәсерлесу алмасулары болады. Өзінің табиғаты бойынша электрстатикалық өзараәсерлесудің осы бөлігі электрондық жүйелердің магниттік күйлеріне едәуір ықпал етеді. Дербес жағдайда осы өзараәсерлесу магнетизмнің атомдық тасушыларынының реттелген бағдарлануына оң әсерін тигізеді. Заттардың магниттік қасиеттерін мынадай топтастыруларға ажыратуға болады.
І. Әлсіз өзараәс ерле суші бөлшектердің магнетизмі. Бұл топта диамагнетизм басым болады. Бұларға бүкіл инертті газдар; полярлық емес байланысты органикалық қосылыстар; сұйық және кристалдық заттар (Zn, Аu, Hg т.б.), химиялық қосылыстардың ерітінділер (галогендер), ерітінділер, қорытпалар жатады.
ІІ. Металдардағы және жартылайөткізгіштердегі э л е к т р о н д ы қ өткізгіштіктердің магнетизмі. Бұл топқа электрондық өткізгіштіктердің парамагнетизмі, металдардағы электрондық өткізгіштіктің диамагнетизмі, жартылай өткізгіштердің пара- және диамагнетизмі, асқын өткізгіштіктің магнетизмі байқалады.
ІІІ. Атомдық магниттік реттілікті заттар магнетизмі. Оң алмасу энергиялы ферромагнетизм,теріс алмасу энергиялы антиферромагнетизм байқалады.
Тарихи анықтама. Магнетизм туралы алғашқы жазба деректер Қытайда біздің заманымыздан бұрынғы (б.з.б.) кездері кездескен. Ол деректерде табиғи магниттің к о м п а с т а қолданылғаны туралы айтылған. Б.з.б. І ғасыр шегінде римдік ақын
Болат жолақтағы “қарапайым магнетиктер”
әрі философ Тит Лукреций «Заттар табиғаты туралы» деген поэмасында, ежелгі грек ғалымдарының ғылыми еңбектерінде магниттердің тартуы және тебуі және темір ұнтақтарының магниттелуі туралы мәліметтер кездескен. Орта ғасырлық Еуропалық елдерде ХІІ ғасырдан бастап магниттік компастар қолданылған. Француз ғылымы 1269 жылы Пьер де Марикур әртүрлі пішінді магниттің қасиеттерін зерттеген. Қайта өркендеу дәуірінде 1600 жылы ағылшын физигі Уильям Гильберттің (1544–1603) «Магнит, магниттік денелер және үлкен магнит – Жер туралы» деген еңбегінде Жердің магниттік дипол екені және магниттің әраттас полюстерін бірінен-бірі ажыратып бөлуге мүмкін еместігін дәлеледеген. Одан кейінгі кездері француз философы әрі математигі Рене Декарттың (1596–1650), магнетизм туралы метафизикалық теориясы шыққан. 1759 жылы орыс физигі Франц Эпинус (1724–1802) «Электр және магнетизм теорияларының тәжірибесі» деген трактатында магнитік құбылыстардың математикалық теориясын тұжырымдаған. Француз физигі Шарль Кулон (1736– 1806) магнетизм туралы болжал ұсынған. Ол болжалда
Темір жолақтың магниттелу кезеңдері магнетизм магниттік сұйық арқылы түсіндірілген. 1820
жылы дат физигі Ханс Эрстед (1777–1851) электр тогының магниттік өрісін ашқан. Сол жылы француз физигі Андре Ампер (1775–1836) токтардың магниттік өзараәсерлесу заңын тұжырымдаған, дөңгелек токтың магниттік қасиеті мен жұқа жазық магниттің эквивалентті екенін анықтаған; ол молекулалық токтың болатынын түсіндірген. ХІХ ғасырдың 30-жылдары неміс математигі Карл Гаусс (1777–1855) және оның отандасы физик Вильгельм Вебер (1804 – 1891) геомагнетизмнің математикалық теориясын дамытқан және магниттік өлшеулер әдістерін ұсынған.
Магнетизмді зерттеудің жаңа кезеңі ағылшын физигі Майкл Фарадейдің (1791–1867) магнетизм құбылысын электрмагниттік өрістің нақтылығы туралы түсініктері негізінде түсініктемелерінің маңызы зор болды. Электрмагнетизм саласындағы бірқатар маңызды жаңалықтар [1831 жылғы Фарадейдің ашқан электрмагниттік индукциясы; 1833 жылғы орыс физигі Эмилий Ленцтің (1804–1865) ашқан Ленц ережесі; 1872 жылғы ағылшын физигі Джеймс Максвеллдің (1831–1879) ашқан электрмагниттік құбылыстарды жалпылау туралы ғылыми еңбегі; 1872 жылғы орыс физигі Александр Столетовтың (1839–1896) ф е р р о м а г н е т и к т е р д і ң қасиеттерін зерттеулері; 1895 жылғы француз физигі Пьер Кюридің (1859–1906) парамагнетиктер туралы зерттеулері] осы заманғы магнетизмнің макроскопиялық теориясының негізін қалады.
Магнетизмді микроскопиялық деңгейде зерттеу атомдардың электрондықядролық құрылымдары ашылған соң мүмкін болды. Голланд физигі Хендрик Лоренцтің (1853–1928) классикалық электрондық теориясы негізінде 1905 жылы француз физигі Поль Ланжеван (1872–1946) д и а м а г н е т и з м теориясын тұжырымдады. 1892 жылы кеңес (орыс) ғалымы Борис Розинг (1869–1933) және француз физигі Пьер Вейс (1865–1940) молекулалық ішкі өрістің болатынын болжаған.Электрон спинінің және оның магнетизмнің ашылуы [1925 жылы американ фзиктері Сэмюэл Гаудсмит (1902–1979), Джордж Уленбек (1900–?)], кванттық механиканың тұжырымдалуы диа-, пара- және ферромагнетизмнің кванттық теориясының дамытылуына әкелді. Кванттық-механикалық түсініктердің негізінде (кеңістіктік кванттау) 1926 жылы француз физигі Леон Бриллюэн (1889–1969) парамагнетиктердің сыртқы магниттік өріс пен температураға тәуелдігін ашқан. ХІХ ғасырдың 30-жылдары еркін электрондардың магниттік қасиеттерінің кванттық-механикалық теориясы тұжырымдалды (1927 жылы – Паулидің парамагнетизмі; 1930 жылы – Ландау диамагнетизмі). Кеңес физиктері: 1923 жылы Яков Дорфман (1898–1974) алдын ала болжаған, 1944 жылы Евгений Завойский (1907–1976) ашқан электрондық парамагниттік резонанстық парамагнетизмнің әрі қарай дамытылуына қосылған елеулі үлес болды. 1926 жылы неміс физигі Вернер Гейзенберг (1901 – 1976) гелий атомының кванттықмеханикалық есеп-қисабын жасаған.
Ядролық магниттік резонансқа [1946 жылы – американ физиктері: Эдуард Парселл (1912–?), оған тәуелсіз Феликс Блох (1905–?)] және 1958 жылы ашылған Мёссбауэр эффектісіне негізделген зерттеулердің физикалық әдістері заттардағы спиндік тығыздықтың таралуы туралы ілімдерді едәуір тереңдете түсті. Магниттік құбылыстардың табиғатын зерттеу саласындағы жетістіктер болашағы бар магниттік материалдарды синтездеуді жүзеге асыруға мүмкіндік жасады.