Magnete und Magnetismus, das Magnetfeld
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Einführung
Die alten Griechen wussten, dass eine Art von Gestein mit magnetischen Eigenschaften wie Magnetit oder Magnetit bekannt Eisen angezogen. Der Kompass, eine wichtige Einrichtung für die Navigation, hat einen aufgehängten Magneten, die von der Erde, und als Folge Punkte an den Nordpol der Kompass wurde dokumentiert bereits 1040. Die Ching Yao Tsung beschreibt, wie Eisen hergestellt parallel zum Magnetfeld ausgerichtet sind können werden magnetisierte durch Erhitzen und Abschrecken in Wasser. Es ist bekannt, dass die Wikinger Lodestone zu navigieren. Bis zum Ende des zwölften Jahrhunderts, wurden mit den Europäern dieses einfachen Kompass-Navigation zu unterstützen. Einer Stahlnadel mit einem solchen „lodestone“ strich wurde „magnetisch“ als auch.
Im Jahr 1600 William Gilbert (auch als Gilberd bekannt) von Colchester eine Erklärung in seinem Werk De Magnet für den Betrieb des Kompasses vorgeschlagen und dass die Erde selbst war ein riesigen Magneten mit seinen Magnetpol in einiger Entfernung von den geografischen Einsen (dh in der Nähe der Punkte zu definieren, die die Achse, um die sich die Erde dreht). Er machte ein experimentelles Modell der Erde durch eine Lodestone Sphäre zu schaffen.
Eigenschaften von Magneten
William Gilbert experimentierte auch auf Stabmagneten und fand die folgenden Eigenschaften:
Ein Magnet wird immer zwei Pole, die wir willkürlich Nord und Süd nennen. I ist der Magnet in zwei Teile gebrochen Dies erzeugt zwei neue Magneten mit Nord- (N) und Süd (S) Pole. Wenn ein Stabmagnet in zwei Teilen gebrochen wird, an dem Bruch neuer Nord- und Südpol an der Bruchstelle gebildet.
Eigenschaften von Magneten
- Gleiche Pole stoßen einander ab. Wenn ein N-Pol nahe dem N-Pol eines zweiten Magneten eine abstoßende Kraft wird gefühlt gebracht wird. Ebenso, wenn ein S-Pol nahe dem S-Pol des anderen Magneten gebracht wird, werden die beiden Magneten einander abstoßen.
- Anders als Pole ziehen und zusammenkleben.
- Magnete anziehen eisenreiche Materialien und wie Polen und die Abstoßung zwischen gleichen Polen kann reduziert werden, wenn ein Streifen von Eisen zwischen ihnen angeordnet ist.
Die Domain Theory of Magnetism
Wie können wir diese faszinierenden Eigenschaften erklären? Die Domäne Theorie besagt, dass in einem Magneten gibt es kleine Bereiche, in denen die magnetische Richtung aller Atome in die gleichen Richtungen ausgerichtet sind. Diese Regionen werden als Domänen bekannt.
Warum Formular Magnetic Domains?
Betrachten wir einen Stabmagneten, die derart magnetisiert worden ist, dass der gesamte Magnet eine einzige magnetische Domäne bildet. Oberflächenladungen werden an beiden Enden des Kristalls erscheinen. Im Zusammenhang mit den Oberflächenladungen ist ein sekundäres Magnetfeld des Entmagnetisierungsfeld genannt, die das Magnetfeld zu verringern, wirkt. Die Energie der Oberflächenladungen die magnetostatische Energie.
Domänbildung in einem Magneten
Natürlich könnte man sich fragen, ob die magnetostatische Energie durch die Bildung von Domänen reduziert wird, kann sie tragen auf unbestimmte Zeit auf Bildung? Welchem ist die Antwort nein. Der Grund dafür ist, dass Energie erforderlich, um den Bereich des Übergangs von einer Domäne zu einer anderen, die Domänenwand zu erzeugen und aufrechtzuerhalten. Equilibrium wird erreicht, wenn die magnetostatische Energie gleich der Energie ist erforderlich, um die Domänenwände zu halten. Jedoch Domänen sind viel größer als die einzelnen Moleküle innerhalb des Magneten.
Es gibt nur 4 ferromagnetische Elemente bei Raumtemperatur. Von diesen sind Eisen (Fe), Nickel (Ni) und Kobalt (Co) sind oben gezeigt. Der vierte ist Gadolinium (Gd).
Die Bilder unten zeigen die Formation mit der Verwendung von magnetischen kolloidalen Suspensionen sichtbar gemacht, die entlang der Domänengrenzen konzentrieren. Die Domänengrenzen können durch polarisiertes Licht, und auch mit der Verwendung von Elektronenbeugung abgebildet werden. Die Beobachtung der Domänengrenze Bewegung unter dem Einfluss des angelegten Magnetfelder in der Entwicklung der theoretischen Behandlungen unterstützt. Es wurde gezeigt, dass die Bildung von Domänen des magnetischen Beitrag zu der freien Energie minimiert.
Wenn ein magnetisches Feld an den Kristall angelegt wird, wird die Domänen, die mit dem Feld ausrichten magentic als Lasten der Domänen wachsen, die in anderen Richtungen zeigen.
Atomtheorie von Magnetism
Wir sind vertraut mit dem Modell des Atoms mit einem Kern, der die Protonen und Neutronen und Elektronen umkreisen enthält der Kern. Im Atom verhalten sich die Elektronen, als ob sie Magnete sind. Elektronen, Protonen und Neutronen haben alle ein magnetisches Dipolmoment jedoch das magnetische Moment eines Elektrons das bedeutendste ist. Tatsächlich ist es zweckmäßig eine Einheit genannt Bohr Magneton zugeordnet, die auf das magnetische Dipolmoment eines Elektrons gleich ist. (UB = m / 2e = 9,274 x 10 -24 J T -1)
Zusätzlich zu dem magnetischen Dipolmoment der Elektronen, die Tatsache, daß die Elektronen um den Kern umlaufen führen zu einem zweiten Magnetfeld, das durch die bewegte Ladung erzeugte um den Kern.
Das Magnetfeld
Eigenschaften von Magneten
Magnetfeldstärke wird das Symbol H mit der Einheit gegeben Tesla
Magnetflussdichte wird das Symbol B gegeben und hat die Einheit (W m -2)
Um das Magnetfeld durch einen Strom durch die Biot Savart Gesetz verursacht zu messen wird verwendet,
Das Magnetfeld ist ein Vektorfeld, was bedeutet, dass sie eine Größe und Richtung für jeden Punkt im Raum hat. Die Stärke und Richtung des magnetischen Feldes an einer beliebigen Stelle in Bezug auf die Kraft, die auf einem sich bewegenden geladenen Teilchen, wie beispielsweise ein Elektron definiert. Die Kraft, erzeugt das Magnetfeld von der Lorentz-Gleichung, ohne das elektrische Feld kommt. durch die Kraft, die auf eine Einheitstestladung zu messen. Die magnetude und Richtung kommen aus der Lorentz-Kraft-Gleichung.
Da wir mit einem Kreuzprodukt handelt, wird die Richtung der Kraft ist eine Richtung senkrecht zur Ebene des V und B und dem Betrag der Kraft ist, dann F = q v B sin θ
wobei theta der Winkel zwischen v und B
Ein Magnetfeld wird die Kraftlinien durch eine magnetische erzeugt. Da ein magnetischer Monopol nie gefunden wurde, macht es keinen Sinn, über eine Magnetpunktladung zu sprechen. Stattdessen Magnetfeldlinien bilden geschlossene Schleifen entlang Linie gleicher Magnetkraft. Die Stärke des Magnetfeldes wird durch die Anzahl der Feldlinien Hindurchleiten eines Einheitsfläche bestimmt. Je mehr Feldlinien desto stärker ist das Magnetfeld. Eine Einheit der Magnetfeldstärke ist bekannt als die Gauss als eine Magnetfeldlinie pro Quadratzentimeter definiert. Die Richtung der Feldlinie könnte durch die Verwendung einer Kompaßnadel bestimmt werden. Seine Richtung erzeugt eine Tangentiallinie zu dem Magnetfeld an diesem Punkt.
Vereinbarungsgemäß weist die Pfeilspitze auf Magnetfeldlinien in Richtung Süden Magnetpol und weg von dem magnetischen Nordpol. Die Magnetpol auftreten alway paarweise, niemand hat jemals ein magnetisches Monopol gefunden, obwohl es die Erforschung die posible existance ist.
Das Bild zeigt die Feldlinien von einem Stabmagneten erzeugt. Eisenfüllungen sind auf einem Stück Papier sprinked und der bar-Magnet ist unter dem Papier platziert. Die Eisenfüllungen in einer Reihe aufstellen und zeigen die Intensität des Magnetfeldes.
Magnitude von B (T)
Arten von Magnetism
Bevor die verschiedenen Arten von Magnetismus diskutieren müssen wir einige Definitionen klären, die verwendet werden, um die Arten von Magnetismus zu kategorisieren.
Wie das Magnetfeld erhöht, erhöht sich der magnetische Fluß. Wir bezeichnen magnetische Feldstärke von H und den magnetischen Fluss, der durch B die Proportionalitätskonstante ist μ0 dies als die magnetische Permitivität bekannt ist
Im Vakuum hat μ0 einen Wert von 4π · 10 -7 m -1 H in SI-Einheiten
Bei anderen Materialien ist diese Proportionalität mit der relativen Permittivität, & mgr; r ausgedrückt
Die Suszeptibilität χ wird im Hinblick auf die relative Permittivität definiert. χ = (& mgr; r - 1)
ferromagnetism
Dies ist, wenn ein großer Anteil des einzelnen atomaren magnetischen momements ausrichten und erzeugt ein starkes Magnetfeld. Eisen ein stark Ferromagneten. Ein externer Magnetics Feld kann die atomaren magnetischen momements auszurichten verwendet werden. Wenn das externe Magnetfeld entfernt wird, bleiben die magnetischen Momente in der gleichen Richtung, vorausgesetzt, sie erhalten keinen Schlag oder oberhalb der Currie Temperatur erwärmt, bei der die thermische Bewegung der magnetische Ausrichtung randomisieren kann.
Anti Ferromagnetism
ferrimagnetism
Para-
Paramagnetische Materialien, wie flüssiger Sauerstoff und Aluminium zeigen eine schwache magnetische Anziehungskraft, wenn in der Nähe eines Magneten angeordnet. Einige Atome oder Ionen in dem Material einen Gesamtstromfluß magentic Moment aufgrund ungepaarten Elektronen in Orbitalen teilweise gefüllt. In Gegenwart eines Feldes, es ist eine teilweise Ausrichtung der atomaren magnetischen Momente in der Richtung des Feldes in einer positiven Nettomagnetisierung und positive Suszeptibilität resultieren.
In einem starken Magnetfeld, paramagnetische Materialien werden magentic und bleiben magnetisch, während das Feld vorhanden ist. Wenn das starke Magnetfeld das magnetische Nettoausrichtung entfernt wird, verloren geht und die magnetischen Dipole in eine zufällige Bewegung entspannen.
diamagnetism
Diamagnetische Materialien bestehen aus Atomen, die keine Netto-magnetische Momente haben. Wenn es jedoch zu einem Feld ausgesetzt, um eine schwache negative Magnetisierung erzeugt wird, die bewirkt, dass Abstoßung statt der Anziehung. Diamagnetische Materialien haben negative susceptibilty mit magnetitude von etwa -10 bis -10 -4
Viele gängige Materialien sind diamagnetisch und daher in Gegenwart von sehr starken magentic Felder die Abstoßung von Diamagnetismus verursacht wird, kann Objekte verursachen sogar Frösche schweben zu lassen.
Magnetische Eigenschaften der Elemente im Periodensystem
Quantum Theory of Magnetism
All dies ist sehr gut, aber es ist ein wenig seltsam, warum nur wenige Elemente magnetisch sind, aber andere nicht. Um zu erklären, warum Informationen über die atomare Struktur der Elemente erfordert und wie sie interagieren. Wir brauchen Quantenphysik zu erklären.
Der magnetische Moment besteht aus zwei verschiedenen Quellen. Das Elektron ist ein Teilchen, das seine eigene Spin hat, die auf Werte von ± 1/2 nehmen # X0127 ;. Der Kern auch Protonen und Neutronen hat, die auch ihre eigenen intrinsischen Spins haben jedoch der magnetische Moment ist umgekehrt proportional zu der Masse so im Vergleich mit den Elektronen des magnetische Moment des Kerns minimal ist.
Die Bohr-Magneton ist die Einheit, auf die magnetischen Dipolmoment Elektronen gegeben:
In SI-Einheiten diese uB = 9,274 x 10 -24 m 2 A
Es gibt auch einen Beitrag zum magnetischen Moment durch das um den Kern bewegte Elektron erzeugt wird, kann als eine Stromschleife handeln betrachtet werden. Die Größe des magnetischen Moments ist im Zusammenhang mit dem Drehimpuls des Elektrons um den Kern fährt.
Wir können den Beitrag zum magnetischen Moment des Elektrons berechnen. Betrachten wir ein Elektron von mas m und der Ladung e in einer festen, kreisförmigen Umlaufbahn umkreisen einem Abstand R von der Mitte. Das Elektron bewegt sich mit konstanter Geschwindigkeit v
Der Drehimpuls des Elektrons, ist dann
Der Strom durch die Elektronen Umkreise erzeugt wird von der Definition des Strom eines Ladungsstrom pro Zeiteinheit gegeben oder
Wobei T die Periode der Elektronenbahn.
Wir können das magnetische Moment in Bezug auf J als γJ umschreiben (wenn wir γ = lassen - e / (2me))
Wir nennen γ das gyromagnetische Verhältnis
Rerefences
- Magnetism Anmerkungen - Universität von Birmingham.
- Magnet Man kühle Experimente mit Magneten
- Cambridge University Lehrstuhl für Ingenieur
- University of Delaware - Magnetismus
- Kittel Festkörperphysik
- Die Solid State - von Supraleitern zu Superlegierungen