คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสาร การซึมผ่านของแม่เหล็ก

การทดลองจำนวนมากบ่งชี้ว่าสสารทั้งหมดที่อยู่ในสนามแม่เหล็กนั้นถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาเอง ซึ่งการกระทำดังกล่าวจะถูกเพิ่มเข้าไปในการกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก:

การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสารอยู่ที่ไหน - การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามในสุญญากาศ - การเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามที่เกิดขึ้นเนื่องจากการดึงดูดของสาร

ในกรณีนี้ สารสามารถเสริมกำลังหรือทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลงได้ อิทธิพลของสารที่มีต่อสนามแม่เหล็กภายนอกนั้นมีลักษณะเฉพาะด้วยค่าที่เรียกว่าความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของสาร

การซึมผ่านของแม่เหล็กเป็นปริมาณสเกลาร์ทางกายภาพที่แสดงจำนวนครั้งที่การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสารที่กำหนดแตกต่างจากการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสุญญากาศ

เรียกว่าสารที่ทำให้สนามแม่เหล็กภายนอกอ่อนลง วัสดุแม่เหล็ก(บิสมัท ไนโตรเจน ฮีเลียม คาร์บอนไดออกไซด์ น้ำ เงิน ทอง สังกะสี แคดเมียม ฯลฯ)

สารที่เสริมสนามแม่เหล็กภายนอก - พาราแมกเนติก(อะลูมิเนียม ออกซิเจน แพลทินัม ทองแดง แคลเซียม โครเมียม แมงกานีส เกลือโคบอลต์ ฯลฯ)

สำหรับวัสดุไดแม่เหล็ก >1 แต่ในทั้งสองกรณี ความแตกต่างจาก 1 มีน้อย (หลักหมื่นหรือหลักแสนหน่วย) ตัวอย่างเช่น สำหรับบิสมัท = 0.9998 = 1.000

สารบางชนิด (เหล็ก โคบอลต์ นิกเกิล แกโดลิเนียม และโลหะผสมต่างๆ) ทำให้เกิดการเพิ่มประสิทธิภาพของสนามแม่เหล็กภายนอกอย่างมาก พวกเขาถูกเรียกว่า แม่เหล็กเฟอร์ริก- สำหรับพวกเขา = 10 3 -10 5.

แอมแปร์เป็นคนแรกที่อธิบายเหตุผลว่าทำไมวัตถุจึงมีคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ตามสมมติฐานของเขา กระแสไฟฟ้าเบื้องต้นไหลเวียนภายในโมเลกุลและอะตอม ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารใดๆ

ขณะนี้เป็นที่ยอมรับแล้วว่าอะตอมและอนุภาคมูลฐานทั้งหมดมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กจริงๆ คุณสมบัติทางแม่เหล็กของอะตอมนั้นถูกกำหนดโดยอิเล็กตรอนที่มีอยู่เป็นหลัก

ตามแบบจำลองกึ่งคลาสสิกของอะตอมที่เสนอโดย E. Rutherford และ N. Bohr อิเล็กตรอนในอะตอมเคลื่อนที่ไปรอบนิวเคลียสในวงโคจรปิด (ในการประมาณครั้งแรก เราสามารถสันนิษฐานได้ว่าเป็นวงกลม) การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนสามารถแสดงเป็นกระแสวงกลมเบื้องต้น โดยที่ e คือประจุของอิเล็กตรอน v คือความถี่ของการหมุนของอิเล็กตรอนในวงโคจรของมัน กระแสนี้ก่อให้เกิดสนามแม่เหล็กซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กเป็นลักษณะเฉพาะ โดยที่โมดูลัสของมันจะถูกกำหนดโดยสูตร โดยที่ S คือพื้นที่วงโคจร

โมเมนต์แม่เหล็กของอิเล็กตรอนเนื่องจากการเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสเรียกว่า โมเมนต์แม่เหล็กของวงโคจร- โมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรเป็นปริมาณเวกเตอร์ และทิศทางถูกกำหนดโดยกฎสกรูด้านขวา หากอิเล็กตรอนเคลื่อนที่ตามเข็มนาฬิกา (รูปที่ 1) กระแสจะถูกทิศทางทวนเข็มนาฬิกา (ในทิศทางการเคลื่อนที่ของประจุบวก) และเวกเตอร์จะตั้งฉากกับระนาบการโคจร

เนื่องจากระนาบการโคจรของอิเล็กตรอนต่างกันในอะตอมไม่ตรงกัน โมเมนต์แม่เหล็กของพวกมันจึงมีทิศทางที่มุมต่างกันซึ่งกันและกัน โมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรที่เกิดขึ้นของอะตอมหลายอิเล็กตรอนจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของโมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรของอิเล็กตรอนแต่ละตัว

อะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนเต็มบางส่วนจะมีโมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรที่ไม่มีการชดเชย ในอะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนเต็ม จะมีค่าเท่ากับ 0

นอกจากโมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรแล้ว อิเล็กตรอนยังมีอีกด้วย โมเมนต์แม่เหล็กภายใน (หมุน)ซึ่งก่อตั้งครั้งแรกโดยโอ. สเติร์น และดับบลิว. เกอร์ลัคในปี พ.ศ. 2465 การมีอยู่ของสนามแม่เหล็กในอิเล็กตรอนอธิบายได้จากการหมุนรอบแกนของมันเอง แม้ว่าจะไม่ควรเปรียบอิเล็กตรอนกับลูกบอลที่มีประจุที่กำลังหมุนอยู่ก็ตาม (บนสุด ).

เป็นที่ยอมรับอย่างน่าเชื่อถือว่าสนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนเป็นสมบัติอินทิกรัลเช่นเดียวกับมวลและประจุ อิเล็กตรอนหากประมาณคร่าวๆ ก็สามารถจินตนาการได้ว่าเป็นลูกบอลขนาดเล็กมากที่ล้อมรอบด้วยสนามไฟฟ้าและแม่เหล็ก (รูปที่ 2) สนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนทุกตัวจะเท่ากัน เช่นเดียวกับมวลและประจุของพวกมัน โมเมนต์แม่เหล็กหมุนเป็นเวกเตอร์ที่พุ่งไปตามแกนการหมุน สามารถกำหนดทิศทางได้เพียงสองวิธีเท่านั้น: ตามแนว... หรือแนวต้าน... หากในสถานที่ที่อิเล็กตรอนตั้งอยู่มีสนามแม่เหล็กภายนอก ให้เคลื่อนไปตามสนามหรือต้านสนาม ดังที่แสดงในฟิสิกส์ควอนตัม มีเพียงอิเล็กตรอนสองตัวเท่านั้นที่มีโมเมนต์แม่เหล็กหมุนตรงกันข้ามสามารถอยู่ในสถานะพลังงานเดียวกันได้ (หลักการของพอลลี)

ในอะตอมที่มีหลายอิเล็กตรอน โมเมนต์แม่เหล็กหมุนของอิเล็กตรอนแต่ละตัว เช่น โมเมนต์การโคจร จะรวมกันเป็นเวกเตอร์ ในกรณีนี้ โมเมนต์แม่เหล็กหมุนของอะตอมสำหรับอะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนเต็มจะเท่ากับ 0

โมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของอะตอม (โมเลกุล) เท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของโมเมนต์แม่เหล็ก (วงโคจรและการหมุน) ของอิเล็กตรอนที่เข้าสู่อะตอม (โมเลกุล):

ไดอะแมกเน็ตประกอบด้วยอะตอมที่ไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กของตัวเองหากไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก เนื่องจากพวกมันจะชดเชยการหมุนและโมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรทั้งหมด

สนามแม่เหล็กภายนอกไม่ได้กระทำกับอะตอมทั้งหมดของวัสดุไดแม่เหล็ก แต่จะกระทำกับอิเล็กตรอนแต่ละตัวของอะตอมซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กแตกต่างจากศูนย์ ปล่อยให้ความเร็วของอิเล็กตรอน ณ เวลาที่กำหนดสร้างมุมหนึ่ง (รูปที่ 3) ด้วยการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามภายนอก

ต้องขอบคุณส่วนประกอบนี้ อิเล็กตรอนจะถูกกระทำโดยแรงลอเรนซ์ (มุ่งตรงมาหาเราในรูปที่ 3) ซึ่งจะทำให้เกิดการเคลื่อนไหวเพิ่มเติม (นอกเหนือจากการเคลื่อนไหวอื่น ๆ ที่อิเล็กตรอนมีส่วนร่วมในกรณีที่ไม่มีสนาม) การเคลื่อนไหวใน วงกลม. แต่การเคลื่อนไหวนี้แสดงถึงกระแสวงกลมเพิ่มเติม ซึ่งจะสร้างสนามแม่เหล็กที่มีโมเมนต์แม่เหล็ก (เหนี่ยวนำ) ซึ่งกำกับตามกฎของสกรูขวาไปทาง เป็นผลให้วัสดุไดอะแมกเนติกทำให้สนามแม่เหล็กภายนอกอ่อนลง

พาราแมกเนติกประกอบด้วยอะตอมซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กสุทธิของอะตอมเป็น ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก โมเมนต์เหล่านี้จะถูกกำหนดทิศทางแบบสุ่ม และสสารโดยรวมจะไม่สร้างสนามแม่เหล็กรอบๆ ตัวมันเอง เมื่อวางวัสดุพาราแมกเนติกในสนามแม่เหล็ก สิทธิพิเศษการวางแนวของเวกเตอร์ตามแนวสนาม (สิ่งนี้ถูกป้องกันโดยการเคลื่อนที่ทางความร้อนของอนุภาค) ดังนั้นวัสดุพาราแมกเนติกจึงถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก ทำให้เกิดสนามแม่เหล็กของตัวเอง ซึ่งเกิดขึ้นพร้อมกันในทิศทางเดียวกับสนามแม่เหล็กภายนอกและปรับปรุงให้ดีขึ้น ผลกระทบนี้เรียกว่าพาราแมกเนติก เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกอ่อนลงจนเหลือศูนย์ การวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะหยุดชะงัก และพาราแมกเนติกจะถูกล้างอำนาจแม่เหล็ก ในวัสดุพาราแมกเนติกจะสังเกตเห็นเอฟเฟกต์ไดอะแมกเนติกด้วย แต่จะอ่อนกว่าเอฟเฟกต์พาราแมกเนติกมาก

สารทั้งหมดที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กจะได้รับคุณสมบัติทางแม่เหล็กนั่นคือพวกมันกลายเป็นแม่เหล็กและดังนั้นสนามภายนอก (เริ่มต้น) จึงเปลี่ยนแปลงไปในระดับหนึ่ง แม่เหล็กตั้งชื่อสารทั้งหมดเมื่อพิจารณาคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ปรากฎว่าสารบางชนิดทำให้สนามแม่เหล็กภายนอกอ่อนแอลง ในขณะที่สารบางชนิดทำให้สนามแม่เหล็กแข็งแรงขึ้น อดีตเรียกว่าไดอะแมกเนติกส่วนหลัง - สารพาราแมกเนติกหรือเรียกสั้น ๆ ว่าไดอะแมกเนติกและพาราแมกเนติก เฟอร์โรแมกเนติกส์เรียกว่าสารที่ทำให้เกิดแรงสนามแม่เหล็กภายนอกที่สูงมาก (เหล็กผลึก นิกเกิล โคบอลต์ แกโดลิเนียม และไดซีโรเซียม รวมถึงโลหะผสมและออกไซด์บางชนิดของโลหะเหล่านี้ และโลหะผสมของแมงกานีสและโครเมียมบางชนิด)

สารส่วนใหญ่เป็นสารแม่เหล็ก ไดอะแมกเนติกส์เป็นธาตุต่างๆ เช่น ฟอสฟอรัส ซัลเฟอร์ พลวง คาร์บอน โลหะหลายชนิด (บิสมัท ปรอท ทอง เงิน ทองแดง ฯลฯ) สารประกอบเคมีส่วนใหญ่ (น้ำ สารประกอบอินทรีย์เกือบทั้งหมด) วัสดุพาราแมกเนติกประกอบด้วยก๊าซบางชนิด (ออกซิเจน ไนโตรเจน) และโลหะ (อะลูมิเนียม ทังสเตน แพลทินัม โลหะอัลคาไล และโลหะอัลคาไลน์เอิร์ธ)

สำหรับสารไดแม่เหล็ก โมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมดของอะตอม (โมเลกุล) จะเท่ากับศูนย์ เนื่องจากโมเมนต์แม่เหล็กของวงโคจร การหมุน และนิวเคลียร์ที่มีอยู่ในอะตอมจะได้รับการชดเชยร่วมกัน อย่างไรก็ตาม ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กภายนอก อะตอมเหล่านี้จะพัฒนา (เหนี่ยวนำ) โมเมนต์แม่เหล็ก ซึ่งจะพุ่งตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กภายนอกเสมอ เป็นผลให้ตัวกลางไดอะแมกเนติกกลายเป็นแม่เหล็กและสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเอง ตรงข้ามกับสนามแม่เหล็กภายนอก และทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลง (รูป)

โมเมนต์แม่เหล็กเหนี่ยวนำของอะตอมไดอะแมกเนติกจะคงอยู่ตราบเท่าที่มีสนามแม่เหล็กภายนอกอยู่ เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกถูกกำจัด โมเมนต์แม่เหล็กเหนี่ยวนำของอะตอมจะหายไป และวัสดุไดแม่เหล็กจะกลายเป็นแม่เหล็ก

ในอะตอม (โมเลกุล) ของสารพาราแมกเนติก โมเมนต์การโคจร การหมุน และแม่เหล็กนิวเคลียร์ไม่สามารถชดเชยซึ่งกันและกันได้ ดังนั้นอะตอมพาราแมกเนติกจึงมีโมเมนต์แม่เหล็กอยู่เสมอ โดยที่เป็นแม่เหล็กพื้นฐาน อย่างไรก็ตาม โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมจะถูกจัดเรียงแบบสุ่ม ดังนั้นตัวกลางพาราแมกเนติกโดยรวมจึงไม่แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กภายนอกจะหมุนอะตอมพาราแมกเนติกเพื่อให้โมเมนต์แม่เหล็กของพวกมันถูกสร้างขึ้นในทิศทางของสนามเป็นส่วนใหญ่ การวางแนวที่สมบูรณ์ถูกป้องกันโดยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอะตอม เป็นผลให้พาราแมกเน็ตกลายเป็นแม่เหล็กและสร้างสนามแม่เหล็กของตัวเองซึ่งจะไปในทิศทางเดียวกับสนามแม่เหล็กภายนอกเสมอดังนั้นจึงเสริมกำลัง (รูป)

เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกถูกกำจัดออกไป การเคลื่อนที่ด้วยความร้อนจะทำลายการวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมทันที และพาราแมกเนติกจะถูกล้างอำนาจแม่เหล็ก

เฟอร์โรแมกเนติกมีพื้นที่ค่อนข้างใหญ่หลายแห่ง ซึ่งถูกดึงดูดให้อิ่มตัวตามธรรมชาติ เรียกว่าโดเมน ขนาดเชิงเส้นของโดเมนอยู่ในลำดับ 10 -2 ซม. โดเมนรวมอะตอมหลายพันล้านอะตอมเข้าด้วยกัน ภายในโดเมนเดียว โมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมทั้งหมดจะมีทิศทางในลักษณะเดียวกัน (โมเมนต์แม่เหล็กหมุนของอิเล็กตรอนของอะตอมทั้งหมดมีความแม่นยำมากกว่า) อย่างไรก็ตาม การวางแนวของโดเมนนั้นแตกต่างกันไป ดังนั้นในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก เฟอร์โรแม่เหล็กโดยรวมจึงกลายเป็นแม่เหล็กไม่ได้

ด้วยการปรากฏตัวของสนามแม่เหล็กภายนอก โดเมนที่มุ่งเน้นไปที่โมเมนต์แม่เหล็กในทิศทางของสนามนี้จะเริ่มมีปริมาตรเพิ่มขึ้นเนื่องจากโดเมนข้างเคียงมีทิศทางของโมเมนต์แม่เหล็กที่แตกต่างกัน แม่เหล็กเฟอร์โรแมกเน็ตถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก.. ด้วยสนามแม่เหล็กที่แข็งแกร่งเพียงพอ โดเมนทั้งหมดจะหันไปในทิศทางของสนามแม่เหล็กโดยสิ้นเชิง และเฟอร์โรแมกเนติกก็จะกลายเป็นแม่เหล็กอย่างรวดเร็วจนอิ่มตัว

เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกถูกกำจัดออกไป เฟอร์โรแมกเนติกจะไม่ล้างอำนาจแม่เหล็กอย่างสมบูรณ์ แต่ยังคงการเหนี่ยวนำแม่เหล็กที่ตกค้างอยู่ เนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนไม่สามารถทำให้อะตอมที่รวมตัวกันเป็นโดเมนขนาดใหญ่สับสนได้อย่างรวดเร็ว

เนื้อเยื่อของร่างกายส่วนใหญ่เป็นแม่เหล็กเหมือนกับน้ำ อย่างไรก็ตาม ร่างกายยังมีสารพาราแมกเนติก โมเลกุล และไอออนอยู่ด้วย ไม่มีอนุภาคเฟอร์โรแมกเนติกในร่างกาย

กระบวนการทางกายภาพหรือเคมีฟิสิกส์ปฐมภูมิภายใต้การกระทำของสนามแม่เหล็กต่อระบบชีวภาพอาจเป็น: การวางแนวของโมเลกุล, การเปลี่ยนแปลงความเข้มข้นของโมเลกุลหรือไอออนในสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ, แรงกระทำ (แรงลอเรนซ์) บนไอออนที่เคลื่อนที่ไปพร้อมกับ ของเหลวชีวภาพ, ฮอลล์เอฟเฟกต์ที่เกิดขึ้นในสนามแม่เหล็กระหว่างการแพร่กระจายของพัลส์กระตุ้นไฟฟ้า ฯลฯ

เอฟเฟกต์ฮอลล์ - การปรากฏตัวในตัวนำที่วางอยู่ในสนามแม่เหล็กของสนามไฟฟ้า (สนามฮอลล์) กำกับในแนวตั้งฉาก เอ็นและ เจ(ความหนาแน่นกระแส)

ปัจจุบันยังไม่ได้กำหนดลักษณะทางกายภาพของผลกระทบของสนามแม่เหล็กต่อวัตถุทางชีวภาพ

การบำบัดด้วยแม่เหล็ก- วิธีการกายภาพบำบัดซึ่งขึ้นอยู่กับผลกระทบต่อร่างกายของสนามแม่เหล็กสลับหรือคงที่ความถี่ต่ำ

สนามแม่เหล็กในทิศทางของเส้นสนามสามารถคงที่หรือแปรผันได้ และสร้างขึ้นในโหมดต่อเนื่องหรือเป็นระยะ (พัลส์) โดยมีความถี่ รูปร่าง และระยะเวลาของพัลส์ต่างกัน สนามแม่เหล็กที่เกิดขึ้นระหว่างขั้วเหนือและขั้วใต้ของแม่เหล็กสามารถสม่ำเสมอหรือไม่เป็นเนื้อเดียวกันได้

การทดลองจำนวนมากบ่งชี้ว่าสสารทั้งหมดที่อยู่ในสนามแม่เหล็กนั้นถูกทำให้เป็นแม่เหล็กและสร้างสนามแม่เหล็กขึ้นมาเอง ซึ่งการกระทำดังกล่าวจะถูกเพิ่มเข้าไปในการกระทำของสนามแม่เหล็กภายนอก:

\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)

โดยที่ \(~\vec B\) คือการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสาร \(~\vec B_0\) คือการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กในสุญญากาศ \(~\vec B_1\) คือการเหนี่ยวนำแม่เหล็กของสนามแม่เหล็กที่เกิดจากการดึงดูดของสาร ในกรณีนี้ สารสามารถเสริมกำลังหรือทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลงได้ อิทธิพลของสารต่อสนามแม่เหล็กภายนอกนั้นมีค่า μ ซึ่งเรียกว่าการซึมผ่านของแม่เหล็กของสาร

\(~\mu = \dfrac B(B_0).\)

• การซึมผ่านของแม่เหล็กเป็นปริมาณสเกลาร์ทางกายภาพที่แสดงจำนวนครั้งที่การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสารที่กำหนดแตกต่างจากการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสุญญากาศ

Dia- และพาราแม่เหล็ก

สารทั้งหมดมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กบางอย่างนั่นคือ แม่เหล็ก- สำหรับสารส่วนใหญ่ ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็ก μ นั้นใกล้เคียงกับเอกภาพและไม่ขึ้นอยู่กับความแรงของสนามแม่เหล็ก สารที่ความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กน้อยกว่าเอกภาพเล็กน้อย (μ< 1), называются วัสดุแม่เหล็กมากกว่าความสามัคคีเล็กน้อย (μ > 1) - พาราแมกเนติก- สารที่มีการซึมผ่านของแม่เหล็กขึ้นอยู่กับความแรงของสนามภายนอกและสามารถเกินเอกภาพได้อย่างมีนัยสำคัญ (μ » 1) เรียกว่า แม่เหล็กเฟอร์ริก.

ตัวอย่างของวัสดุไดแมกเนติก ได้แก่ ตะกั่ว สังกะสี บิสมัท (μ = 0.9998) สารพาราแมกเนติก - โซเดียม, ออกซิเจน, อลูมิเนียม (μ = 1.00023) เฟอร์แม่เหล็ก - โคบอลต์, นิกเกิล, เหล็ก (μถึงค่า8⋅10 3)

คำอธิบายแรกเกี่ยวกับสาเหตุที่วัตถุมีคุณสมบัติทางแม่เหล็กให้ไว้โดย Henri Ampère (1820) ตามสมมติฐานของเขา กระแสไฟฟ้าเบื้องต้นไหลเวียนภายในโมเลกุลและอะตอม ซึ่งเป็นตัวกำหนดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารใดๆ

เรามาเอาสารที่เป็นของแข็งกันดีกว่า การดึงดูดของมันเกี่ยวข้องกับคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอนุภาค (โมเลกุลและอะตอม) ที่ประกอบด้วยมัน ลองพิจารณาว่าวงจรกระแสใดที่เป็นไปได้ในระดับไมโคร แม่เหล็กของอะตอมเกิดจากสาเหตุหลักสองประการ:

1) การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสในวงโคจรปิด ( โมเมนต์แม่เหล็กของวงโคจร) (รูปที่ 1);

2) การหมุนภายใน (หมุน) ของอิเล็กตรอน ( หมุนช่วงเวลาแม่เหล็ก) (รูปที่ 2)

สำหรับผู้ที่อยากรู้อยากเห็น- โมเมนต์แม่เหล็กของวงจรเท่ากับผลคูณของกระแสในวงจรและพื้นที่ที่วงจรครอบคลุม ทิศทางของมันเกิดขึ้นพร้อมกับทิศทางของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่อยู่ตรงกลางของวงจรที่กระแสไหลผ่าน

เนื่องจากระนาบการโคจรของอิเล็กตรอนต่างกันในอะตอมไม่ตรงกัน เวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้น (โมเมนต์แม่เหล็กในวงโคจรและการหมุน) จึงมีทิศทางที่มุมต่างกันซึ่งกันและกัน เวกเตอร์การเหนี่ยวนำผลลัพธ์ของอะตอมหลายอิเล็กตรอนจะเท่ากับผลรวมเวกเตอร์ของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำสนามที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนแต่ละตัว อะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนเต็มบางส่วนจะมีสนามที่ไม่มีการชดเชย ในอะตอมที่มีเปลือกอิเล็กตรอนเต็ม เวกเตอร์การเหนี่ยวนำที่ได้จะเป็น 0

ในทุกกรณี การเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็กเกิดจากการปรากฏของกระแสแม่เหล็ก (สังเกตปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) กล่าวอีกนัยหนึ่ง หลักการซ้อนทับของสนามแม่เหล็กยังคงใช้ได้: สนามภายในแม่เหล็กคือการซ้อนทับของสนามแม่เหล็กภายนอก \(~\vec B_0\) และสนาม \(~\vec B"\) ของกระแสแม่เหล็ก ฉัน'ซึ่งเกิดขึ้นภายใต้อิทธิพลของสนามภายนอก หากสนามแม่เหล็กมีทิศทางเดียวกับสนามภายนอก การเหนี่ยวนำของสนามรวมจะมากกว่าสนามแม่เหล็กภายนอก (รูปที่ 3, a) - ในกรณีนี้เราบอกว่าสารขยายสนาม ; หากสนามแม่เหล็กกระแสแม่เหล็กตรงข้ามกับสนามภายนอก สนามรวมจะน้อยกว่าสนามแม่เหล็กภายนอก (รูปที่ 3, b) - ในแง่นี้เราบอกว่าสารนั้นทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลง

ข้าว. 3

ใน วัสดุแม่เหล็กโมเลกุลไม่มีสนามแม่เหล็กของตัวเอง ภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กภายนอกในอะตอมและโมเลกุล สนามของกระแสแม่เหล็กจะพุ่งตรงตรงข้ามกับสนามภายนอก ดังนั้นขนาดของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก \(~\vec B\) ของสนามผลลัพธ์จะน้อยกว่า ขนาดของเวกเตอร์การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก \(~\vec B_0\) ของสนามภายนอก

ใน พาราแมกเนติกโมเลกุลมีสนามแม่เหล็กของตัวเอง ในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก เนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน เวกเตอร์การเหนี่ยวนำของสนามแม่เหล็กของอะตอมและโมเลกุลจะถูกวางแบบสุ่ม ดังนั้นการดึงดูดโดยเฉลี่ยจึงเป็นศูนย์ (รูปที่ 4, a) เมื่อสนามแม่เหล็กภายนอกถูกนำไปใช้กับอะตอมและโมเลกุล โมเมนต์ของแรงจะเริ่มกระทำ โดยมีแนวโน้มที่จะหมุนพวกมันเพื่อให้สนามของพวกมันวางตัวขนานกับสนามภายนอก การวางแนวของโมเลกุลพาราแมกเนติกนำไปสู่ความจริงที่ว่าสารนั้นถูกทำให้เป็นแม่เหล็ก (รูปที่ 4, b)

ข้าว. 4

การวางแนวของโมเลกุลในสนามแม่เหล็กโดยสมบูรณ์นั้นถูกขัดขวางโดยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ดังนั้นการซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุพาราแมกเนติกจึงขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ เห็นได้ชัดว่าเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น การซึมผ่านของแม่เหล็กของวัสดุพาราแมกเนติกจะลดลง

เฟอร์โรแมกเนติกส์

ชื่อของวัสดุแม่เหล็กประเภทนี้มาจากชื่อภาษาละตินของเหล็ก - Ferrum คุณสมบัติหลักของสารเหล่านี้คือความสามารถในการรักษาความเป็นแม่เหล็กในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอก แม่เหล็กถาวรทั้งหมดอยู่ในกลุ่มเฟอร์ริกแม่เหล็ก นอกจากเหล็กแล้ว "เพื่อนบ้าน" บนตารางธาตุ - โคบอลต์และนิกเกิล - ยังมีคุณสมบัติเป็นแม่เหล็กไฟฟ้า วัสดุเฟอร์โรแมกเนติกมีการใช้งานจริงอย่างกว้างขวางในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี จึงมีการพัฒนาโลหะผสมจำนวนมากที่มีคุณสมบัติเฟอร์โรแมกเนติกต่างๆ

ตัวอย่างเฟอร์โรแม่เหล็กที่ให้มาทั้งหมดอ้างถึงโลหะกลุ่มทรานซิชัน ซึ่งเปลือกอิเล็กตรอนประกอบด้วยอิเล็กตรอนที่ไม่จับคู่หลายตัว ซึ่งนำไปสู่ความจริงที่ว่าอะตอมเหล่านี้มีสนามแม่เหล็กที่สำคัญในตัวเอง ในสถานะผลึกเนื่องจากปฏิสัมพันธ์ระหว่างอะตอมในผลึกทำให้เกิดพื้นที่ของการดึงดูดโดยธรรมชาติ - โดเมน - เกิดขึ้น ขนาดของโดเมนเหล่านี้คือหนึ่งในสิบและหนึ่งในร้อยของมิลลิเมตร (10 -4 − 10 -5 ม.) ซึ่งเกินขนาดของแต่ละอะตอมอย่างมาก (10 -9 ม.) ภายในโดเมนเดียว สนามแม่เหล็กของอะตอมจะวางขนานกันอย่างเคร่งครัด การวางแนวของสนามแม่เหล็กของโดเมนอื่นในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กภายนอกจะเปลี่ยนไปตามอำเภอใจ (รูปที่ 5)

ดังนั้น แม้ในสถานะที่ไม่ใช่แม่เหล็ก สนามแม่เหล็กแรงสูงก็ยังอยู่ภายในเฟอร์โรแมกเนติก ซึ่งทิศทางของสนามจะเปลี่ยนไปอย่างสุ่มและวุ่นวายระหว่างการเปลี่ยนจากโดเมนหนึ่งไปยังอีกโดเมนหนึ่ง หากขนาดของร่างกายเกินขนาดของแต่ละโดเมนอย่างมีนัยสำคัญสนามแม่เหล็กเฉลี่ยที่สร้างโดยโดเมนของร่างกายนี้จะหายไปในทางปฏิบัติ

หากคุณวางเฟอร์โรแมกเนติกไว้ในสนามแม่เหล็กภายนอก ใน 0 จากนั้นโมเมนต์แม่เหล็กของโดเมนจะเริ่มจัดเรียงใหม่ อย่างไรก็ตาม การหมุนเชิงพื้นที่เชิงกลของส่วนต่างๆ ของสารจะไม่เกิดขึ้น กระบวนการกลับตัวของสนามแม่เหล็กนั้นเกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน แต่ไม่เกี่ยวข้องกับการเปลี่ยนแปลงตำแหน่งของอะตอมในโหนดของโครงตาข่ายคริสตัล โดเมนที่มีการวางแนวที่เหมาะสมที่สุดสัมพันธ์กับทิศทางของฟิลด์จะเพิ่มขนาดของโดเมนโดยที่โดเมนที่อยู่ติดกัน "วางแนวไม่ถูกต้อง" จะดูดซับโดเมนเหล่านั้น ในกรณีนี้สนามในสารจะเพิ่มขึ้นค่อนข้างมาก

คุณสมบัติของเฟอร์โรแมกเนติก

1) คุณสมบัติทางแม่เหล็กไฟฟ้าของสารจะปรากฏขึ้นเฉพาะเมื่อมีสารที่เกี่ยวข้องอยู่เท่านั้น ในสถานะผลึก;

2) คุณสมบัติทางแม่เหล็กของเฟอร์ริกแม่เหล็กขึ้นอยู่กับอุณหภูมิอย่างมากเนื่องจากการเคลื่อนที่ของความร้อนป้องกันการวางแนวของสนามแม่เหล็กของโดเมน สำหรับเฟอร์โรแมกเนติกแต่ละตัว จะมีอุณหภูมิที่แน่นอนซึ่งโครงสร้างโดเมนจะถูกทำลายโดยสิ้นเชิง และเฟอร์โรแมกเนติกจะกลายเป็นพาราแมกเน็ต ค่าอุณหภูมินี้เรียกว่า จุดคูรี- ดังนั้นสำหรับเหล็กบริสุทธิ์ อุณหภูมิของกูรีจะอยู่ที่ประมาณ 900°C;

3) แม่เหล็กเฟอร์ริกเป็นแม่เหล็ก จนกระทั่งอิ่มในสนามแม่เหล็กอ่อน รูปที่ 6 แสดงให้เห็นว่าโมดูลัสการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กเปลี่ยนแปลงไปอย่างไร บีในเหล็กโดยมีการเปลี่ยนแปลงสนามภายนอก บี 0 ;

4) การซึมผ่านของแม่เหล็กของเฟอร์โรแม่เหล็กขึ้นอยู่กับสนามแม่เหล็กภายนอก (รูปที่ 7)

นี่คือคำอธิบายโดยข้อเท็จจริงที่ว่าในขั้นต้นมีการเพิ่มขึ้น บี 0 การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บีเติบโตอย่างแข็งแกร่งมากขึ้น ดังนั้น μ จะเพิ่มขึ้น จากนั้นตามค่าการเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บี´ 0 ความอิ่มตัวเกิดขึ้น (μ ในขณะนี้คือสูงสุด) และเพิ่มขึ้นอีก บี 0 การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก บี 1 ในสารหยุดการเปลี่ยนแปลงและการซึมผ่านของแม่เหล็กลดลง (มีแนวโน้มเป็น 1):

\(~\mu = \dfrac B(B_0) = \dfrac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \dfrac (B_1)(B_0);\)

5) แม่เหล็กเฟอร์โรแมกเนติกแสดงแรงดึงดูดที่เหลือ ตัวอย่างเช่น หากวางแท่งเฟอร์โรแมกเนติกไว้ในโซลินอยด์ซึ่งกระแสไหลผ่านและทำให้เกิดแม่เหล็กจนกระทั่งอิ่มตัว (จุด ก) (รูปที่ 8) แล้วจึงลดกระแสในโซลินอยด์อีกด้วยค่ะ บี 0 จึงสามารถสังเกตได้ว่าการเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในแท่งในระหว่างการล้างอำนาจแม่เหล็กจะยังคงมากกว่าในระหว่างกระบวนการทำให้เป็นแม่เหล็กเสมอ เมื่อไร บี 0 = 0 (กระแสในโซลินอยด์ปิดอยู่) การเหนี่ยวนำจะเท่ากับ บีอาร์(การเหนี่ยวนำสารตกค้าง) ก้านสามารถถอดออกจากโซลินอยด์และใช้เป็นแม่เหล็กถาวรได้ ในการล้างอำนาจแม่เหล็กของแท่งในที่สุดคุณต้องส่งกระแสในทิศทางตรงกันข้ามผ่านโซลินอยด์เช่น ใช้สนามแม่เหล็กภายนอกที่มีทิศทางตรงกันข้ามกับเวกเตอร์การเหนี่ยวนำ ตอนนี้เพิ่มโมดูลัสของการเหนี่ยวนำของสนามนี้เป็น บค, ล้างอำนาจแม่เหล็กของแท่ง ( บี = 0).).

ดังนั้นเมื่อทำการดึงดูดและล้างอำนาจแม่เหล็กของเฟอร์โรแมกเนติกการเหนี่ยวนำ บีล้าหลัง บี 0 . ความล่าช้านี้เรียกว่า ปรากฏการณ์ฮิสเทรีซีส- เส้นโค้งที่แสดงในรูปที่ 8 เรียกว่า ห่วงฮิสเทรีซีส.

ฮิสเทรีซีส(กรีก ὑστέρησις - "ล้าหลัง") - คุณสมบัติของระบบที่ไม่ปฏิบัติตามแรงที่ใช้ทันที

รูปร่างของเส้นโค้งการทำให้เป็นแม่เหล็ก (ลูปฮิสเทรีซิส) จะแตกต่างกันไปอย่างมีนัยสำคัญสำหรับวัสดุเฟอร์โรแมกเนติกต่างๆ ซึ่งพบว่ามีการใช้กันอย่างแพร่หลายในงานทางวิทยาศาสตร์และทางเทคนิค วัสดุแม่เหล็กบางชนิดมีวงกว้างโดยมีค่าการคงอยู่และการบังคับสูงซึ่งเรียกว่า แข็งด้วยแม่เหล็กและใช้ทำแม่เหล็กถาวร โลหะผสมเฟอร์โรแมกเนติกอื่นๆ มีลักษณะเฉพาะด้วยค่าแรงบีบบังคับต่ำ วัสดุดังกล่าวสามารถดึงดูดและทำให้เป็นแม่เหล็กได้ง่ายแม้ในสนามที่อ่อนแอ วัสดุดังกล่าวเรียกว่า นุ่มนวลด้วยแม่เหล็กและนำไปใช้ในอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ เช่น รีเลย์ หม้อแปลง วงจรแม่เหล็ก เป็นต้น

วรรณกรรม

1. Aksenovich L. A. ฟิสิกส์ในโรงเรียนมัธยม: ทฤษฎี งาน การทดสอบ: หนังสือเรียน เบี้ยเลี้ยงสำหรับสถาบันการศึกษาทั่วไป สิ่งแวดล้อม การศึกษา / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; เอ็ด เค.เอส. ฟาริโน. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - หน้า 330-335.
2. Zhilko, V.V. ฟิสิกส์: หนังสือเรียน เบี้ยเลี้ยงสำหรับเกรด 11 การศึกษาทั่วไป โรงเรียน จากรัสเซีย ภาษา การฝึกอบรม / V.V. Zhilko, A.V. ลาฟริเนนโก, แอล.จี. มาร์โควิช. - ม.: น. แอสเวตา, 2002. - หน้า 291-297.

มีกระแสวงกลมขนาดเล็กมาก ( กระแสโมเลกุล- แนวคิดนี้ได้รับการยืนยันในภายหลังหลังจากการค้นพบอิเล็กตรอนและโครงสร้างของอะตอม: กระแสเหล่านี้ถูกสร้างขึ้นโดยการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียสและเนื่องจากพวกมันมีทิศทางในลักษณะเดียวกัน โดยรวมแล้วพวกมันจึงก่อตัวเป็นสนามภายในและ รอบแม่เหล็ก

บนภาพ กระนาบซึ่งมีกระแสไฟฟ้าเบื้องต้นอยู่นั้นจะถูกวางทิศทางแบบสุ่มเนื่องจากการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายของอะตอม และสารนั้นไม่แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็ก ในสถานะแม่เหล็ก (ภายใต้อิทธิพล เช่น จากสนามแม่เหล็กภายนอก) (รูปที่ ข) ระนาบเหล่านี้มีทิศทางเหมือนกัน และการกระทำของพวกมันจะถูกสรุป

การซึมผ่านของแม่เหล็ก

ปฏิกิริยาของตัวกลางต่ออิทธิพลของสนามแม่เหล็กภายนอกที่มีการเหนี่ยวนำ B0 (สนามในสุญญากาศ) ถูกกำหนดโดยความไวต่อแม่เหล็ก μ :

ที่ไหน ใน— การเหนี่ยวนำสนามแม่เหล็กในสาร การซึมผ่านของแม่เหล็กมีความคล้ายคลึงกับค่าคงที่ไดอิเล็กทริก ɛ .

ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของแม่เหล็ก สารจะถูกแบ่งออกเป็น วัสดุแม่เหล็ก, พาราแมกเนติกและ เฟอร์โรแมกเน็ต- สำหรับวัสดุไดแมกเนติกคือค่าสัมประสิทธิ์ μ ซึ่งแสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กของตัวกลางนั้นมีค่าน้อยกว่าความสามัคคี (ตัวอย่างเช่นสำหรับบิสมัท μ = 0.999824); ในวัสดุพาราแมกเนติก μ > 1 (สำหรับแพลทินัม μ - 1.00036); ในเฟอร์โรแมกเนติก μ ≫ 1 (เหล็ก, นิกเกิล, โคบอลต์)

ไดอะแมกเน็ตถูกแม่เหล็กผลัก วัสดุพาราแมกเนติกจะถูกดึงดูดเข้าไป ด้วยคุณสมบัติเหล่านี้จึงสามารถแยกแยะออกจากกันได้ สำหรับสารหลายชนิด การซึมผ่านของแม่เหล็กเกือบจะเหมือนกับความสามัคคี แต่สำหรับเฟอร์ริกแม่เหล็กนั้นมีค่ามากกว่านั้นอย่างมาก โดยสูงถึงหลายหมื่นหน่วย

เฟอร์โรแมกเนติกส์

เฟอร์โรแมกเนติกส์แสดงคุณสมบัติทางแม่เหล็กที่แข็งแกร่งที่สุด สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยเฟอร์ริกแม่เหล็กนั้นแข็งแกร่งกว่าสนามแม่เหล็กภายนอกมาก จริงอยู่ที่สนามแม่เหล็กของเฟอร์ริกแม่เหล็กไม่ได้ถูกสร้างขึ้นอันเป็นผลมาจากการหมุนของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส - โมเมนต์แม่เหล็กของวงโคจรและเนื่องจากการหมุนของอิเล็กตรอนเองจึงเรียกว่าโมเมนต์แม่เหล็กของมันเอง หมุน.

อุณหภูมิกูรี ( ตกับ) คืออุณหภูมิที่วัสดุแม่เหล็กไฟฟ้าสูญเสียคุณสมบัติทางแม่เหล็กไป มันแตกต่างกันสำหรับเฟอร์โรแมกเนติกแต่ละอัน ตัวอย่างเช่นสำหรับเหล็ก ทีส= 753 °C สำหรับนิกเกิล ทีส= 365 °C สำหรับโคบอลต์ ทีส= 1,000 องศาเซลเซียส มีโลหะผสมเฟอร์โรแมกเนติกอยู่ด้วย ทีส < 100 °С.

การศึกษารายละเอียดครั้งแรกเกี่ยวกับคุณสมบัติแม่เหล็กของเฟอร์ริกแม่เหล็กดำเนินการโดยนักฟิสิกส์ชาวรัสเซียผู้มีชื่อเสียง A. G. Stoletov (1839-1896)

เฟอร์โรแม่เหล็กถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลาย: เป็นแม่เหล็กถาวร (ในเครื่องมือวัดทางไฟฟ้า, ลำโพง, โทรศัพท์ ฯลฯ), แกนเหล็กในหม้อแปลงไฟฟ้า, เครื่องกำเนิดไฟฟ้า, มอเตอร์ไฟฟ้า (เพื่อเพิ่มสนามแม่เหล็กและประหยัดพลังงานไฟฟ้า) เทปแม่เหล็กซึ่งทำจากวัสดุเฟอร์โรแมกเนติก บันทึกเสียงและภาพสำหรับเครื่องบันทึกเทปและเครื่องบันทึกวิดีโอ ข้อมูลจะถูกบันทึกลงบนแผ่นฟิล์มแม่เหล็กบางๆ สำหรับอุปกรณ์จัดเก็บข้อมูลในคอมพิวเตอร์อิเล็กทรอนิกส์

คุณสมบัติทางแม่เหล็กและโครงสร้างของสาร

Magnetochemistry เป็นสาขาหนึ่งของเคมีที่ศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารตลอดจนความสัมพันธ์กับโครงสร้างของโมเลกุล การก่อตัวเป็นวิทยาศาสตร์สามารถย้อนกลับไปได้ในช่วงต้นศตวรรษที่ 20 เมื่อมีการค้นพบกฎพื้นฐานของแม่เหล็ก

คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสาร

แม่เหล็กเป็นคุณสมบัติพื้นฐานของสสาร ความสามารถของแม่เหล็กถาวรในการดึงดูดวัตถุเหล็กเป็นที่รู้จักกันมาตั้งแต่สมัยโบราณ การพัฒนาแม่เหล็กไฟฟ้าทำให้สามารถสร้างแม่เหล็กไฟฟ้าได้แรงกว่าแม่เหล็กถาวรที่มีอยู่ในธรรมชาติ โดยทั่วไปแล้ว เครื่องมือและอุปกรณ์ต่างๆ ที่ใช้ปรากฏการณ์แม่เหล็กไฟฟ้าแพร่หลายมากจนตอนนี้เป็นไปไม่ได้เลยที่จะจินตนาการถึงชีวิตโดยปราศจากสิ่งเหล่านี้

อย่างไรก็ตาม แม่เหล็กถาวรไม่เพียงมีปฏิกิริยากับสนามแม่เหล็กเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสสารอื่นๆ ทั้งหมดด้วย สนามแม่เหล็กที่ทำปฏิกิริยากับสสารจะเปลี่ยนค่าของมันเมื่อเปรียบเทียบกับสุญญากาศ (ต่อไปนี้จะเขียนสูตรทั้งหมดในระบบ SI):

โดยที่ µ 0 คือค่าคงที่แม่เหล็กเท่ากับ 4p 10 -7 H/m, µ คือความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กของสาร, B คือความเหนี่ยวนำแม่เหล็ก (ในหน่วย T), H คือความแรงของสนามแม่เหล็ก (ในหน่วย A/m) สำหรับสารส่วนใหญ่ m นั้นอยู่ใกล้กับเอกภาพมาก ดังนั้นในแมกนีโตเคมีซึ่งวัตถุหลักคือโมเลกุล จะสะดวกกว่าที่จะใช้ค่า c ซึ่งเรียกว่าความไวต่อแม่เหล็ก สามารถจัดเป็นหน่วยปริมาตร มวล หรือปริมาณของสารได้ จึงเรียกว่าปริมาตร (ไร้มิติ) ตามลำดับ ประวัติย่อ, เฉพาะเจาะจง ซีดี(เป็น cm3/g) หรือฟันกราม ซม(หน่วยเป็น cm3/mol) ความไวต่อสนามแม่เหล็ก

สารสามารถแบ่งออกเป็นสองประเภท: สารที่ทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลง (ค< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0) – พาราแมกเนติก เราสามารถจินตนาการได้ว่าในสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ แรงกระทำต่อวัสดุไดแม่เหล็กที่ดันมันออกจากสนาม ในขณะที่แรงกระทำต่อวัสดุพาราแมกเนติก ในทางกลับกัน เป็นการดึงมันเข้ามา วิธีการที่กล่าวถึงด้านล่างในการวัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารจะขึ้นอยู่กับสิ่งนี้ ไดอะแมกเน็ต (และนี่คือสารประกอบอินทรีย์และโมเลกุลสูงส่วนใหญ่) และพาราแมกเนติกส่วนใหญ่เป็นวัตถุในการศึกษาวิชาแมกนีโตเคมี

ไดอะแมกเนติซึมเป็นคุณสมบัติที่สำคัญที่สุดของสสาร เนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่าภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก อิเล็กตรอนในเปลือกอิเล็กตรอนที่ถูกเติมเต็ม (ซึ่งถือได้ว่าเป็นตัวนำขนาดเล็ก) จะเริ่มเคลื่อนตัวเข้ามา และดังที่ทราบกันดีว่าการเคลื่อนไหวใดๆ ของ ประจุไฟฟ้าทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ซึ่งตามกฎของเลนซ์ จะมีการกำกับเช่นนี้เพื่อลดผลกระทบจากสนามแม่เหล็กภายนอก ในกรณีนี้ กระแสนำหน้าทางอิเล็กทรอนิกส์ถือได้ว่าเป็นกระแสวงกลม ไดอะแมกเนติซึมเป็นคุณลักษณะของสสารทุกชนิด ยกเว้นอะตอมไฮโดรเจน เนื่องจากสสารทั้งหมดมีอิเล็กตรอนที่จับคู่กันและมีเปลือกอิเล็กตรอนเต็มอยู่

พาราแมกเนติซึมเกิดจากอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ ซึ่งเรียกเช่นนี้เนื่องจากโมเมนต์แม่เหล็ก (การหมุน) ของพวกมันเองไม่สมดุลในทางใดทางหนึ่ง (ด้วยเหตุนี้ การหมุนของอิเล็กตรอนที่จับคู่กันจึงมีทิศทางตรงกันข้ามและหักล้างกัน) ในสนามแม่เหล็ก การหมุนมีแนวโน้มที่จะเรียงตัวกันในทิศทางของสนาม ซึ่งจะทำให้สนามแข็งแกร่งขึ้น แม้ว่าลำดับนี้จะถูกรบกวนด้วยการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนที่วุ่นวายก็ตาม ดังนั้นจึงชัดเจนว่าความไวต่อพาราแมกเนติกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ ยิ่งอุณหภูมิต่ำ ค่าความไวก็จะยิ่งสูงขึ้น

ความไวต่อสนามแม่เหล็กประเภทนี้เรียกอีกอย่างว่าพาราแมกเนติกแบบตะวันออก เนื่องจากสาเหตุของมันคือการวางแนวของโมเมนต์แม่เหล็กเบื้องต้นในสนามแม่เหล็กภายนอก

สมบัติทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอนในอะตอมสามารถอธิบายได้สองวิธี ในวิธีแรก เชื่อกันว่าโมเมนต์แม่เหล็ก (หมุน) ของอิเล็กตรอนเองไม่ส่งผลกระทบต่อโมเมนต์การโคจร (เนื่องจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนรอบนิวเคลียส) หรือในทางกลับกัน แม่นยำยิ่งขึ้น อิทธิพลซึ่งกันและกันดังกล่าวมีอยู่ตลอดเวลา (ปฏิสัมพันธ์ระหว่างการหมุนและวงโคจร) แต่สำหรับไอออน 3 มิตินั้นมีขนาดเล็ก และคุณสมบัติทางแม่เหล็กสามารถอธิบายได้อย่างแม่นยำเพียงพอด้วยตัวเลขควอนตัมสองตัว L (วงโคจร) และ S (หมุน) สำหรับอะตอมที่หนักกว่า การประมาณดังกล่าวไม่สามารถยอมรับได้และมีการแนะนำจำนวนควอนตัมอื่นของโมเมนต์แม่เหล็กทั้งหมด J ซึ่งสามารถรับค่าจาก | แอล+ส | ก่อน | แอล–ส |

ควรให้ความสนใจกับพลังงานปฏิกิริยาแม่เหล็กที่มีขนาดเล็ก (สำหรับอุณหภูมิห้องและสนามแม่เหล็กทั่วไปในห้องปฏิบัติการ พลังงานของปฏิกิริยาแม่เหล็กจะมีขนาดน้อยกว่าพลังงานการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของโมเลกุลสามถึงสี่ลำดับ)

มีสารไม่กี่ชนิดที่เมื่ออุณหภูมิลดลง อันดับแรกจะทำตัวเป็นพาราแมกเนติก จากนั้นเมื่อถึงอุณหภูมิที่กำหนด ก็จะเปลี่ยนคุณสมบัติทางแม่เหล็กอย่างรวดเร็ว ตัวอย่างที่มีชื่อเสียงที่สุดคือเฟอร์โรแม่เหล็กและสสารที่เป็นที่มาของชื่อเหล็ก นั่นคือเหล็ก ซึ่งมีโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมต่ำกว่าอุณหภูมิกูรีเรียงกันในทิศทางเดียว ทำให้เกิดการดึงดูดแม่เหล็กได้เอง อย่างไรก็ตาม การทำให้เป็นสนามแม่เหล็กด้วยกล้องจุลทรรศน์จะไม่เกิดขึ้นหากไม่มีสนามแม่เหล็ก เนื่องจากตัวอย่างจะถูกแบ่งออกเป็นบริเวณที่มีขนาดประมาณ 1 μm ตามธรรมชาติ เรียกว่าโดเมน ซึ่งภายในนั้นโมเมนต์แม่เหล็กเบื้องต้นจะถูกมุ่งไปในลักษณะเดียวกัน แต่การดึงดูดของสนามแม่เหล็กที่แตกต่างกันนั้น โดเมนต่างๆ ได้รับการกำหนดทิศทางแบบสุ่ม และโดยเฉลี่ยแล้วจะชดเชยซึ่งกันและกัน แรงที่ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงของเฟอร์โรแมกเนติกสามารถอธิบายได้โดยใช้กฎของกลศาสตร์ควอนตัมเท่านั้น

แอนติเฟอร์โรแมกเนติกมีลักษณะเฉพาะคือโมเมนต์แม่เหล็กหมุนที่อุณหภูมิของการเปลี่ยนผ่านของแอนติเฟอร์โรแมกเนติก (อุณหภูมิ Néel TN) ได้รับการจัดลำดับในลักษณะที่หักล้างกัน

หากการชดเชยโมเมนต์แม่เหล็กไม่สมบูรณ์ สารดังกล่าวจะเรียกว่าเฟอร์ริแมกเนติก เช่น Fe2O3 และ FeCr2O4 สารประกอบสามประเภทสุดท้ายเป็นของแข็งและได้รับการศึกษาโดยนักฟิสิกส์เป็นหลัก ในช่วงหลายทศวรรษที่ผ่านมา นักฟิสิกส์และนักเคมีได้สร้างวัสดุแม่เหล็กชนิดใหม่

ในโมเลกุลที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ อิเล็กตรอนที่เหลือ (จับคู่) จะทำให้สนามแม่เหล็กอ่อนลง แต่การมีส่วนร่วมของอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะมีขนาดน้อยกว่าสองถึงสามลำดับ อย่างไรก็ตาม หากเราต้องการวัดคุณสมบัติทางแม่เหล็กของอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่อย่างแม่นยำ เราต้องแนะนำสิ่งที่เรียกว่าการแก้ไขไดแมกเนติก โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับโมเลกุลอินทรีย์ขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถเข้าถึงได้ถึงสิบเปอร์เซ็นต์ ความไวต่อสนามแม่เหล็กของอะตอมในโมเลกุลจะเพิ่มซึ่งกันและกันตามกฎของการบวกของ Pascal-Langevin ในการทำเช่นนี้ ความไวต่อไดแมกเนติกของอะตอมแต่ละประเภทจะถูกคูณด้วยจำนวนอะตอมดังกล่าวในโมเลกุล จากนั้นจึงมีการแนะนำการแก้ไขเชิงโครงสร้างสำหรับคุณสมบัติทางโครงสร้าง (พันธะคู่และสาม วงแหวนอะโรมาติก ฯลฯ) มาดูต่อไปว่าจะศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสสารด้วยวิธีทดลองอย่างไร

การทดลองการวัดความสงสัยทางแม่เหล็ก

วิธีการทดลองหลักในการพิจารณาความไวต่อสนามแม่เหล็กถูกสร้างขึ้นในศตวรรษที่ผ่านมา ตามวิธีของ Gouy จะวัดการเปลี่ยนแปลงน้ำหนักของตัวอย่างในสนามแม่เหล็กเมื่อเทียบกับการไม่มีอยู่

วิธีฟาราเดย์จะวัดแรงที่กระทำต่อตัวอย่างในสนามแม่เหล็กที่ไม่สม่ำเสมอ

ความแตกต่างที่สำคัญระหว่างวิธี Gouy และวิธีฟาราเดย์คือในกรณีแรกความไม่เป็นเนื้อเดียวกันจะถูกรักษาไว้ตามรูปแบบ (ขยาย) และในกรณีที่สอง - ตามแนวสนามแม่เหล็ก

วิธี Quincke ใช้สำหรับของเหลวและสารละลายเท่านั้น โดยจะวัดการเปลี่ยนแปลงความสูงของคอลัมน์ของเหลวในเส้นเลือดฝอยภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็ก

ในกรณีนี้ สำหรับของเหลวไดแม่เหล็ก ความสูงของคอลัมน์จะลดลง สำหรับของเหลวพาราแมกเนติกจะเพิ่มขึ้น

วิธีวัดความหนืดจะวัดเวลาของการไหลของของเหลวผ่านรูเล็กๆ โดยเปิดสนามแม่เหล็ก (tH) และปิด (t0) เวลาการไหลของของเหลวพาราแมกเนติกในสนามแม่เหล็กนั้นสั้นกว่าในกรณีที่ไม่มีสนามแม่เหล็กอย่างเห็นได้ชัด สำหรับของเหลวไดอะแมกเนติกจะตรงกันข้าม

ความไวต่อสนามแม่เหล็กสามารถวัดได้โดยใช้สเปกโตรมิเตอร์ NMR หมายเหตุ: ขนาดของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีของสัญญาณ NMR ในกรณีทั่วไปนั้น ไม่เพียงแต่กำหนดโดยค่าคงที่ของการคัดกรอง ซึ่งเป็นการวัดความหนาแน่นของอิเล็กตรอนบนนิวเคลียสที่กำลังศึกษาอยู่เท่านั้น แต่ยังพิจารณาจากความไวต่อสนามแม่เหล็กของตัวอย่างด้วย

ค่าความไวต่อแม่เหล็กที่ได้รับสำหรับวัสดุพาราแมกเนติกจะถูกกำหนดโดยจำนวนอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่ (สำหรับอิเล็กตรอนที่ไม่มีการจับคู่หนึ่งตัว)

การศึกษาแมกนีโตเคมีช่วยให้สามารถสร้างโครงร่างทางอิเล็กทรอนิกส์ของสารประกอบโลหะทรานซิชัน ซึ่งเป็นพื้นฐานของเคมีของสารประกอบโคออร์ดิเนต (เชิงซ้อน)

ด้วยการวัดความไวต่อสนามแม่เหล็ก เราสามารถตัดสินระดับของการเกิดออกซิเดชันและเรขาคณิตของทรงกลมโคออร์ดิเนตแรกในคอมเพล็กซ์ได้อย่างง่ายดาย

เป็นที่ทราบกันว่าปฏิกิริยาเคมีส่วนใหญ่ที่มีความสำคัญในทางปฏิบัติเกิดขึ้นในสารละลาย รวมถึงปฏิกิริยาการก่อตัวที่ซับซ้อน ดังนั้นในหัวข้อถัดไป เราจะพิจารณาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารละลายซึ่งสารประกอบโลหะทรานซิชันถูกรับรู้ในรูปแบบของสารเชิงซ้อน

ความสงสัยทางแม่เหล็กของสารละลาย

เมื่อย้ายจากของแข็งไปเป็นสารละลาย ต้องคำนึงถึงความไวต่อสนามแม่เหล็กของตัวทำละลายและตัวถูกละลายทั้งหมดด้วย ในกรณีนี้ วิธีที่ง่ายที่สุดในการคำนึงถึงเรื่องนี้คือการสรุปผลรวมของส่วนประกอบทั้งหมดของสารละลายตามกฎการบวก หลักการของการบวกเป็นหนึ่งในหลักการพื้นฐานในการประมวลผลข้อมูลการทดลอง การเบี่ยงเบนใด ๆ จากสิ่งนี้มักเกี่ยวข้องกับความจริงที่ว่าหลักการของการเพิ่มนั้นได้บรรลุผลแล้วและส่วนประกอบของสารละลายก็เปลี่ยนคุณสมบัติของมัน ดังนั้นจึงสันนิษฐานว่าความไวต่อสนามแม่เหล็กของสารละลายเท่ากับผลรวมของความไวต่อสนามแม่เหล็กของส่วนประกอบแต่ละชิ้นโดยคำนึงถึงความเข้มข้น

จากการศึกษาคุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารชนิดเดียวกันในตัวทำละลายต่างๆ พบว่าสามารถขึ้นอยู่กับลักษณะของตัวทำละลายได้อย่างมีนัยสำคัญ สิ่งนี้สามารถอธิบายได้โดยการป้อนโมเลกุลของตัวทำละลายเข้าไปในทรงกลมโคออร์ดิเนชันแรกและการเปลี่ยนแปลงที่สอดคล้องกันในโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของสารเชิงซ้อน พลังงานของ d-orbitals (D) และคุณสมบัติอื่นๆ ของสารเชิงซ้อนโซลเวต ดังนั้นแมกนีโตเคมียังทำให้สามารถศึกษาการละลายได้ ซึ่งก็คือปฏิกิริยาระหว่างตัวถูกละลายกับตัวทำละลาย

หากสนามแม่เหล็กส่งผลกระทบต่อคุณสมบัติของสารละลาย และข้อเท็จจริงจากการทดลองมากมาย (การวัดความหนาแน่น ความหนืด การนำไฟฟ้า ความเข้มข้นของโปรตอน ความไวต่อแม่เหล็ก) บ่งชี้ว่าเป็นเช่นนั้น ก็ควรรับรู้ว่าพลังงานของการมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างบุคคล ส่วนประกอบของสารละลายและมวลโมเลกุลของน้ำค่อนข้างสูง จึงสามารถเทียบเคียงหรือเกินกว่าพลังงานการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนของอนุภาคในสารละลาย ซึ่งเป็นค่าเฉลี่ยของผลกระทบใดๆ ต่อสารละลาย ขอให้เราระลึกว่าพลังงานของอันตรกิริยาทางแม่เหล็กของอนุภาค (โมเลกุล) หนึ่งอนุภาคมีขนาดเล็กเมื่อเทียบกับพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ปฏิกิริยาดังกล่าวเป็นไปได้หากเรายอมรับว่าในน้ำและสารละลายเนื่องจากธรรมชาติของพันธะไฮโดรเจน จึงมีการสร้างโมเลกุลน้ำที่มีโครงสร้างคล้ายน้ำแข็งขนาดใหญ่ ซึ่งสามารถเสริมกำลังหรือทำลายได้ภายใต้อิทธิพลของสารที่ละลาย พลังงานของการก่อตัวของ "ส่วนประกอบ" ดังกล่าวเห็นได้ชัดว่าเทียบได้กับพลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนและภายใต้อิทธิพลของแม่เหล็ก สารละลายสามารถจดจำและรับคุณสมบัติใหม่ได้ แต่การเคลื่อนที่แบบบราวเนียนหรือการเพิ่มขึ้นของอุณหภูมิจะกำจัด "หน่วยความจำ" นี้ในช่วงเวลาหนึ่ง

ด้วยการเลือกความเข้มข้นของสารพาราแมกเนติกในตัวทำละลายไดอะแมกเนติกอย่างแม่นยำ จึงเป็นไปได้ที่จะสร้างของเหลวที่ไม่ใช่แม่เหล็ก ซึ่งก็คือของเหลวที่ความไวต่อแม่เหล็กโดยเฉลี่ยเป็นศูนย์หรือที่สนามแม่เหล็กแพร่กระจายในลักษณะเดียวกับในสุญญากาศ คุณสมบัติที่น่าสนใจนี้ยังไม่พบการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี