Најважније из лекције
Парамагнетици: Материјали који незнатно појачавају спољашње магнетно поље (\(\chi > 0\), мало). Немају домене; загревањем губе магнетизацију, а искључењем спољашњег поља магнетно дејство потпуно нестаје (нпр. \(\text{Al}\), \(\text{O}_2\), \(\text{Pt}\)).
Феромагнетици: Чврсти кристални материјали са доменском структуром (нпр. \(\text{Fe}\), \(\text{Ni}\), \(\text{Co}\)) који вишеструко појачавају магнетно поље и могу се трајно намагнетисати.
Киријева температура (\(T_c\)): Критична температура на којој феромагнетик губи домене и постаје парамагнетик (\(\text{Ni}: 358\ ^\circ\text{C}\), \(\text{Fe}: 770\ ^\circ\text{C}\)).
Поље у супстанцији: \(\vec{B} = \vec{B}_0 + \vec{B}'\), где је за парамагнетике и дијамагнетике \(\vec{B}' = \chi \vec{B}_0\).
Феромагнетици: Чврсти кристални материјали са доменском структуром (нпр. \(\text{Fe}\), \(\text{Ni}\), \(\text{Co}\)) који вишеструко појачавају магнетно поље и могу се трајно намагнетисати.
Киријева температура (\(T_c\)): Критична температура на којој феромагнетик губи домене и постаје парамагнетик (\(\text{Ni}: 358\ ^\circ\text{C}\), \(\text{Fe}: 770\ ^\circ\text{C}\)).
Поље у супстанцији: \(\vec{B} = \vec{B}_0 + \vec{B}'\), где је за парамагнетике и дијамагнетике \(\vec{B}' = \chi \vec{B}_0\).
Парамагнетици су материјали чији се магнетни моменти атома под утицајем спољашњег магнетног поља делимично оријентишу у правцу и смеру тог поља, чиме га благо појачавају.
Резултујуће магнетно поље унутар парамагнетика је мало јаче од спољашњег магнетног поља у коме се материјал налази.
У нехомогеном магнетном пољу на парамагнетик делује сила која тежи да га потисне ка подручју веће јачине поља (привлачи га јаче поље).
Повећање температуре појачава топлотно хаотично кретање честица и нарушава усмереност магнетних момената, што смањује магнећење парамагнетика. Након искључења спољашњег поља, парамагнетици услед топлотног кретања потпуно губе магнетна својства.
У парамагнетне супстанције спадају: алуминијум (\(\text{Al}\)), кисеоник (\(\text{O}_2\)), калцијум (\(\text{Ca}\)), натријум (\(\text{Na}\)), магнезијум (\(\text{Mg}\)), платина (\(\text{Pt}\)), литијум (\(\text{Li}\)), оксиди гвожђа, молибден и тантал.
Шта ће се догодити са магнетизацијом парамагнетика ако га загревамо док се налази у спољашњем магнетном пољу?
Загревањем се појачава топлотно кретање атома, што дезоријентише њихове магнетне моменте. Због тога се укупна магнетизација и јачина резултујућег магнетног поља у парамагнетику смањују.
Феромагнетици су супстанције које се у спољашњем магнетном пољу снажно магнетишу и могу се трајно намагнетисати. Резултујуће магнетно поље унутар феромагнетика је вишеструко јаче од спољашњег поља.
Магнетни домени су микроскопске области унутар кристалне решетке феромагнетика (од око \(10^{15}\) атома) у којима су магнетни моменти неспарених електрона спонтано исто оријентисани, тако да се сваки домен понаша као мали перманентни магнет.
Магнетни моменти појединих домена су хаотично усмерени у свим правцима, па се њихова дејства међусобно поништавају и материјал споља не испољава магнетно поље.
Под дејством спољашњег поља долази до обједињавања и усмеравања магнетних момената читавих домена у смеру тог поља, што доводи до огромног појачања укупне магнетне индукције.
Феромагнетни материјали су искључиво у чврстом агрегатном стању са кристалном структуром. Главни представници су: гвожђе (\(\text{Fe}\)), никл (\(\text{Ni}\)), кобалт (\(\text{Co}\)) и њихове легуре.
Зашто комад гвожђа који није претходно намагнетисан не привлачи друге металне предмете, иако садржи магнетне домене?
Иако су појединачни домени перманентно намагнетисани, њихови магнетни моменти су хаотично оријентисани у различитим правцима, па је њихов укупни векторски збир једнак нули.
Киријева температура (\(T_c\)) је критична температура на којој феромагнетик услед интензивног топлотног кретања губи своју доменску структуру и феромагнетна својства, те прелази у парамагнетик.
На температурама вишим од Киријеве температуре, материјал се понаша као обичан парамагнетик. Након хлађења испод Киријеве температуре, материјал поново добија феромагнетна својства и може се намагнетисати.
Вредност Киријеве температуре зависи од врсте материјала:
- За никл (\(\text{Ni}\)): \(T_c = 358\ ^\circ\text{C}\)
- За гвожђе (\(\text{Fe}\)): \(T_c = 770\ ^\circ\text{C}\)
Шта ће се десити са перманентним магнетом од гвожђа ако се загреје на температуру од \(800\ ^\circ\text{C}\)?
Пошто је \(800\ ^\circ\text{C}\) више од Киријеве температуре за гвожђе (\(770\ ^\circ\text{C}\)), доменска структура ће се срушити, перманентни магнет ће се потпуно размагнетисати и понашаће се као парамагнетик.
Када се тело унесе у спољашње магнетно поље индукције \(\vec{B}_0\), у њему се ствара (индукује) сопствено унутрашње магнетно поље индукције \(\vec{B}'\).
\[ \vec{B} = \vec{B}_0 + \vec{B}' \]
\(\vec{B}\) – резултујућа магнетна индукција унутар супстанције
\(\vec{B}_0\) – магнетна индукција спољашњег магнетног поља
\(\vec{B}'\) – магнетна индукција индукованог (унутрашњег) поља
Магнетна сусцептибилност (\(\chi\)) је бездимензионална константа сразмерности која описује магнетна својства супстанције и показује колико се дати материјал магнетише под утицајем спољашњег поља:
\[ \vec{B}' = \chi \cdot \vec{B}_0 \]
\(\chi\) – магнетна сусцептибилност материјала
Код парамагнетика је \(\chi > 0\) (мала позитивна вредност), па је индуковано поље истог смера као спољашње, чиме га незнатно појачава (\(B > B_0\)).
Ако је магнетна сусцептибилност неког парамагнетика \(\chi = 2 \cdot 10^{-4}\), колико износи индукција укупног поља у материјалу ако је спољашње поље \(B_0 = 1{,}5\text{ T}\)?
Индуковано поље износи:
\[ B' = \chi \cdot B_0 = 2 \cdot 10^{-4} \cdot 1{,}5\text{ T} = 3 \cdot 10^{-4}\text{ T} \]
Укупна магнетна индукција унутар материјала је:
\[ B = B_0 + B' = 1{,}5\text{ T} + 0{,}0003\text{ T} = 1{,}5003\text{ T} \]
Задаци за вежбање
Задатак 1 (лак): Која је основна структурна разлика између парамагнетика и феромагнетика која омогућава феромагнетицима да се трајно намагнетишу?
Феромагнетици поседују доменску структуру – области од око \(10^{15}\) атома са спонтано истоветно усмереним магнетним моментима. Код парамагнетика такви домени не постоје, већ су магнетни моменти појединачних атома независни и хаотично оријентисани ван поља.
Задатак 2 (средњи): Никлована шипка загрејана је на \(400\ ^\circ\text{C}\) и унета у јако магнетно поље, а затим охлађена на собну температуру (\(20\ ^\circ\text{C}\)) унутар тог поља. Шта се дешава са магнетним особинама шипке током овог процеса?
- На температури од \(400\ ^\circ\text{C}\), никл се налази изнад своје Киријеве температуре (\(T_c = 358\ ^\circ\text{C}\)), што значи да је изгубио доменску структуру и понаша се као парамагнетик (само благо појачава поље).
- Током хлађења испод \(358\ ^\circ\text{C}\) у присуству спољашњег магнетног поља, поново се формирају магнетни домени који се усмеравају дуж линија спољашњег поља.
- Након хлађења на \(20\ ^\circ\text{C}\), никл поново испољава снажна феромагнетна својства и остаје трајно намагнетисан.
Задатак 3 (тежак): Узорак супстанције налази се у хомогеном спољашњем магнетном пољу \(B_0 = 0{,}8\text{ T}\). Индуковано унутрашње магнетно поље у супстанцији износи \(B' = 1{,}6 \cdot 10^{-5}\text{ T}\) и истог је смера као спољашње поље. Одредити магнетну сусцептибилност \(\chi\) ове супстанције и закључити којој групи магнетних материјала она припада.
Полазимо од релације за сопствено магнетно поље:
\[ B' = \chi \cdot B_0 \implies \chi = \frac{B'}{B_0} \]
Заменом бројних вредности добијамо:
\[ \chi = \frac{1{,}6 \cdot 10^{-5}\text{ T}}{0{,}8\text{ T}} = 2 \cdot 10^{-5} \]
Закључак: Пошто је вредност сусцептибилности \(\chi\) позитивна и веома мала (\(\chi > 0\), реда величине \(10^{-5}\)), дата супстанција припада групи парамагнетика.
