Fizika · Elektr va magnetizm · 10-sinf

Moddaning magnit xossalari

Nega temir magnitga yopishadi, vismut undan qochadi, qizigan nikel esa qo‘yib yuboradi?

Vaziyat

Temir mix magnitga yopishadi, alyuminiy qoshiq esa deyarli sezmaydi — lekin kuchli elektromagnit qutblari orasiga osib qo‘yilgan vismut bo‘lagi maydondan qochadi, suv tomchisi ham. Transformator o‘zagi har sekundda 50 marta qayta magnitlanib qiziydi, doimiy magnit esa yillab magnitligicha qoladi. Nikel shaybani alangada qizdirsangiz, u magnitdan uzilib tushadi, sovigach — yana tortiladi. Moddalar magnit maydonga nega bunchalik turlicha javob beradi?

Mavzu

Moddaning magnit xossalari. Mixni magnitlash, gisterezis va qizdirilgan magnitning kuchsizlanishi

Asosiy tushunchalar

Dia-, para-, ferromagnetik
Gisterezis sirtmog‘i
Kyuri nuqtasi

Formulalar

\vec{B} = μ_{0} (\vec{H} + \vec{M}) = μ_{0} μ \vec{H}, \vec{M} = χ \vec{H}, μ = 1 + χ

Magnitlanish vektori $\vec{M}$ , maydon kuchlanganligi $\vec{H}$ va magnit singdiruvchanlik $μ$ .

F_{z} = \frac{χ V}{μ_{0}} B \frac{d B}{d z}

Notekis maydonda kuchsiz magnetikka ta’sir etuvchi kuch: $χ < 0$ — maydondan itariladi, $χ > 0$ — tortiladi.

χ_{p a r a} = \frac{C}{T}, χ = \frac{C}{T - T_{C}} (T > T_{C})

Kyuri va Kyuri–Veys qonunlari: issiqlik harakati momentlarning tartiblanishiga xalaqit beradi.

w_{g i s t} = \oint H d B

Bir qayta magnitlash siklida hajm birligida issiqlikka aylanadigan energiya — gisterezis sirtmog‘ining yuzi.

ω_{L} = \frac{e B}{2 m_{e}}

Larmor chastotasi: maydon elektron orbitalarini pretsessiyaga keltiradi — diamagnetizm sababi.

Nazariya

Uch xil javob: dia-, para- va ferromagnetiklar

Moddani maydonga qo‘ysak, u magnitlanadi: hajm birligidagi magnit momenti $\vec{M} = χ \vec{H}$ , natijaviy maydon $\vec{B} = μ_{0} (\vec{H} + \vec{M}) = μ_{0} μ \vec{H}$ . Diamagnetiklarda $χ < 0$ va juda kichik (vismut $- 1,7 \cdot 10^{- 4}$ , suv $- 9 \cdot 10^{- 6}$ , mis $- 1 \cdot 10^{- 5}$ ): ular maydonning kuchli joyidan itariladi. Paramagnetiklarda $χ > 0$ , kichik (alyuminiy $2,2 \cdot 10^{- 5}$ ): kuchsiz tortiladi. Ferromagnetiklarda (temir, nikel, kobalt) $μ$ yuzlab–yuz minglab, nochiziqli va tarixga bog‘liq. Og‘ish $tg θ = χ B B^{'} / (μ_{0} ρ g)$ — suv zichligi kichik bo‘lgani uchun misdan ko‘proq og‘adi. Maydonda moddaga bog‘liq energiya ham saqlanadi (magnit maydon energiyasi — «O‘zinduksiya» tajribasida).

Amperning molekulyar toklari va elementar nazariya

Amper har bir molekulada yopiq molekulyar tok — kichik magnit borligini taxmin qilgan. Bugungi tilda bu elektronlarning orbital harakati va spini; magnit momenti impuls momentiga proporsional: ${\vec{p}}_{m} = - \frac{e}{2 m_{e}} \vec{L}$ . Paramagnetizm: atomlarning doimiy momentlari maydon bo‘ylab qisman tartiblanadi, issiqlik harakati esa xalaqit beradi — $χ = C / T$ (Kyuri qonuni); ideal paramagnit uchun $M = n p_{m} \tanh (p_{m} B / k T)$ . Diamagnetizm hamma moddada bor: maydon elektron orbitalarini Larmor chastotasi $ω_{L} = e B / (2 m_{e})$ bilan pretsessiyaga keltiradi (Larmor teoremasi), paydo bo‘lgan qo‘shimcha tok Lens qoidasiga ko‘ra maydonga qarshi moment beradi. Metallarda o‘tkazuvchanlik elektronlari Pauli paramagnetizmi (spinlar) va Landau diamagnetizmi (orbitalar, $χ_{L} = - χ_{P} / 3$ ) ni beradi; kislorod kabi gazlar paramagnit. «Lupa»da molekulyar toklarni ko‘ring.

Magnitlanish vektori va maydon kuchlanganligi

Molekulyar toklarni makroskopik o‘rtachalasak, magnitlanish $\vec{M}$ ga ekvivalent sirt va hajm toklari ( ${\vec{j}}_{m} = rot \vec{M}$ ) hosil bo‘ladi — dielektrikning qutblanishi $\vec{P}$ ga o‘xshash. Shuning uchun moddada ikki vektor ishlatiladi: $\vec{B}$ (barcha toklar maydoni, $\oint \vec{B} \cdot d \vec{S} = 0$ ) va $\vec{H} = \vec{B} / μ_{0} - \vec{M}$ , uning sirkulyatsiyasi faqat erkin (o‘tkazuvchanlik) toklarga bog‘liq: $\oint \vec{H} \cdot d \vec{l} = \sum I_{e r k i n}$ . Halqa namunada aynan shundan $H = N_{1} I / l$ topiladi.

Ferromagnetizm: almashinuv va domenlar

Ferromagnetikda qo‘shni atomlar spinlari kvant almashinuv o‘zaro ta’siri tufayli parallel tiziladi — bu magnit dipollar ta’siridan minglab marta kuchli. Lekin butun namuna bir yo‘nalishda magnitlansa, tashqi maydon energiyasi katta bo‘lardi, shuning uchun u o‘z-o‘zidan magnitlangan sohalarga — domenlarga (mikrometr–millimetr) bo‘linadi. Maydon ortsa, avval maydon bo‘ylab yo‘nalgan domenlar devorlari siljib kattalashadi, keyin momentlar maydon tomon buriladi — to‘yinish. Agar qo‘shni spinlar qarama-qarshi tiziladigan bo‘lsa — antiferromagnetik (MnO), teng bo‘lmagan qarama-qarshi panjaralar — ferrimagnetik (ferritlar: kuchli magnitlanadi, lekin elektr tokini yomon o‘tkazadi, shuning uchun yuqori chastotali o‘zaklarda Fuko toklari kam). Past haroratda tartibning kichik to‘lqinsimon buzilishlari — spin to‘lqinlar (magnonlar) — $M$ ni kamaytiradi.

Gisterezis va uni ossillografda olish (laboratoriya)

Ferromagnetikda $B$ $H$ ortidan kechikadi — gisterezis. $H = 0$ da qolgan induksiya — qoldiq induksiya $B_{r}$ , magnitlanishni yo‘qotish uchun kerak bo‘lgan teskari maydon — koersitiv kuch $H_{c}$ . Sirtmoq yuzi $\oint H d B$ har siklda issiqlikka aylanadigan energiya. Yumshoq materiallar (transformator po‘lati, ferrit) — tor sirtmoq, $H_{c}$ o‘nlab A/m: o‘zaklar uchun. Qattiq materiallar — keng sirtmoq, $H_{c}$ o‘n minglab A/m: doimiy magnitlar uchun. Ish tartibi: halqa namunaning birlamchi g‘altagi ( $N_{1}$ ) $R_{1}$ orqali o‘zgaruvchan tokka ulanadi; $U_{x} = i R_{1} \propto H = N_{1} i / l$ ossillografning X kirishiga beriladi. Ikkilamchi g‘altak ( $N_{2}$ ) EYuK ini $R_{2} C$ integrator jamlaydi: $U_{y} = N_{2} S B / (R_{2} C) \propto B$ — Y kirishga. Ekranda sirtmoq chiziladi; shkala bo‘yicha $B_{r}$ , $H_{c}$ va $B_{m a x}$ ni toping.

Kyuri nuqtasi va magnetiklar termodinamikasi (laboratoriya)

Harorat ortgan sari issiqlik harakati spinlar tartibini buzadi va o‘z-o‘zidan magnitlanish kamayadi; Kyuri nuqtasi $T_{C}$ da u yo‘qoladi, modda paramagnetikka aylanadi: $χ = C / (T - T_{C})$ . Nikel uchun $T_{C} \approx 358$ °C, temir uchun ≈ 770 °C, gadoliniy uchun ≈ 20 °C. Ish tartibi: nikel shayba magnitga tortilgan holda alangada qizdiriladi; termopara haroratni ko‘rsatadi. Shayba uzilib tushgan lahzadagi harorat $T_{C}$ ga teng; havoda sovigach yana tortiladi — o‘lchovni bir necha marta takrorlab o‘rtachasini oling. Magnit tartib va harorat bog‘lanishi sovitishda ham ishlatiladi: paramagnit tuzni kuchli maydonda magnitlab, so‘ng adiabatik magnitsizlantirsak, u soviydi (milikelvinlar; yadro momentlari bilan — mikrokelvinlar).

Bilasizmi?

Per Kyuri 1895-yilgi doktorlik ishida moddalarning magnit xossalari haroratga bog‘liqligini o‘rgangan: paramagnetiklarning qabul qiluvchanligi absolyut haroratga teskari proporsional ekanini (Kyuri qonuni) va ferromagnetiklar ma’lum haroratdan yuqorida ferromagnetizmni yo‘qotishini ko‘rsatgan.
1997-yilda Niderlandiyaning Neymegen shahridagi kuchli maydonlar laboratoriyasida Andrey Geym tirik qurbaqani taxminan 16 Tl maydonda havoda muallaq ushlab turgan: suv va to‘qimalarning juda kichik diamagnetizmi og‘irlikni yenga olgan.

Tajribada nima bor

Tajriba hayotiy vaziyatdan boshlanadi: natijani taxmin qilasiz, boshqaruvlarni o‘zgartirib tajriba o‘tkazasiz va xulosa chiqarasiz. Ichida topshiriqlar, nazariya, test va ekskursiya bor — kamera o‘zi harakatlanib, eng muhim joylarni tushuntiradi.