Магнітні властивості речовини. Магнітна проникність

Численні досліди свідчать, що всі речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються і створюють власне магнітне поле, дія якого складається з дією зовнішнього магнітного поля:

де - магнітна індукція поля у речовині; - магнітна індукція поля у вакуумі; - магнітна індукція поля, що виникла завдяки намагнічуванню речовини.

При цьому речовина може посилювати або послаблювати магнітне поле. Вплив речовини на зовнішнє магнітне поле характеризується величиною, яка називається магнітною проникністю речовини.

Магнітна проникність- це фізична скалярна величина, що показує, скільки разів індукція магнітного поля в даній речовині відрізняється від індукції магнітного поля у вакуумі.

Речовини, що послаблюють зовнішнє магнітне поле, називають діамагнетиками(вісмут, азот, гелій, вуглекислота, вода, срібло, золото, цинк, кадмій та ін.).

Речовини, що посилюють зовнішнє магнітне поле, - парамагнетики(Алюміній, кисень, платина, мідь, кальцій, хром, марганець, солі кобальту та ін).

Для діамагнетиків >1. Але в тому й іншому випадку відмінність від 1 невелика (кілька десятитисячних або стотисячних часток одиниці). Приміром, у вісмуту = 0,9998 = 1,000.

Деякі речовини (залізо, кобальт, нікель, гадоліній та різні сплави) викликають дуже велике посилення зовнішнього поля. Їх називають феромагнетиками. Їх = 10 3 -10 5 .

Вперше пояснення причин, внаслідок яких тіла мають магнітні властивості, дав Ампер. Згідно з його гіпотезою, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми, які визначають магнітні властивості будь-якої речовини.

В даний час встановлено, що всі атоми і елементарні частинки дійсно мають магнітні властивості. Магнітні властивості атомів в основному визначаються електронами, що входять до їх складу.

Згідно з напівкласичною моделлю атома, запропонованої Е. Резерфордом і Н. Бором, електрони в атомах рухаються навколо ядра по замкнутих орбітах (у першому наближенні можна вважати, що по кругових). Рух електрона можна як елементарний круговий струм , де е - заряд електрона, v - частота обертання електрона по орбіті. Цей струм утворює магнітне поле, яке характеризується магнітним моментом, модуль визначається формулою , де S - площа орбіти.

Магнітний момент електрона, обумовлений рухом навколо ядра, називають орбітальним магнітним моментом. Орбітальний магнітний момент - це векторна величина і напрямок визначається за правилом правого гвинта. Якщо електрон рухається по ходу годинникової стрілки (рис. 1), то струми спрямовані проти ходу годинникової стрілки (у напрямку руху позитивного заряду), і вектор перпендикулярний площині орбіти.

Оскільки атомі площині орбіт різних електронів не збігаються, їх магнітні моменти спрямовані під різними кутами друг до друга. p align="justify"> Результуючий орбітальний магнітний момент багатоелектронного атома дорівнює векторній сумі орбітальних магнітних моментів окремих електронів.

Нескомпенсованим орбітальним магнітним моментом мають атоми з частково заповненими електронними оболонками. В атомах із заповненими електронними оболонками він дорівнює 0.

Крім орбітального магнітного моменту, електрон має ще власним (спиновим) магнітним моментом, що вперше встановили О. Штерн і В. Герлах в 1922 р. Існування магнітного поля у електрона було пояснено його обертанням навколо власної осі, хоча і не слід буквально уподібнювати електрон зарядженій кульці, що обертається (дзигу).

Достовірно встановлено, що магнітне поле електрона є такою самою невід'ємною властивістю, як його маса та заряд. Електрон, у дуже грубому наближенні, можна уявити як дуже маленьку кульку, оточену електричним і магнітним полями (рис. 2). Магнітні поля у всіх електронів однакові, як однакові їх маси та заряди. Спиновий магнітний момент – вектор, спрямований уздовж осі обертання. Він може орієнтуватися тільки двома способами: або по..., або проти... Якщо там, де знаходиться електрон, є зовнішнє магнітне поле, або по полю, або проти поля. Як показано в квантовій фізиці, в однаковому енергетичному стані можуть бути лише два електрони, спінові магнітні моменти яких протилежні (принцип Паулі).

У багатоелектронних атомів спінові магнітні моменти окремих електронів, як і орбітальні моменти складаються як вектори. При цьому результуючий спіновий магнітний момент атома у атомів із заповненими електронними оболонками дорівнює 0.

Загальний магнітний момент атома (молекули) дорівнює векторній сумі магнітних моментів (орбітальних і спинових) електронів, що входять в атом (молекулу):

Діамагнетики складаються з атомів, які без зовнішнього магнітного поля немає власних магнітних моментів, оскільки вони скомпенсовані все спінові і всі орбітальні магнітні моменти.

Зовнішнє магнітне поле діє на весь атом діамагнетика, але діє окремі електрони атома, магнітні моменти яких відмінні від нуля. Нехай на даний момент швидкість електрона становить деякий кут (рис. 3) з магнітною індукцією зовнішнього поля.

Завдяки складовій на електрон діятиме сила Лоренца (направлена до нас на рис. 3), яка викличе додатковий (крім інших рухів, у яких бере електрон за відсутності поля) рух по колу. Але цей рух є додатковим круговим струмом, який створить магнітне поле, що характеризується магнітним моментом (наведеним), спрямованим за правилом правого гвинта назустріч . Внаслідок діамагнетики послаблюють зовнішнє магнітне поле.

Парамагнетики складаються з атомів, які мають результуючий магнітний момент атома . У відсутність зовнішнього поля ці моменти орієнтовані хаотично і речовина загалом створює навколо себе магнітного поля. При поміщенні парамагнетиків у магнітне поле відбувається переважнаорієнтація векторів по полю (цьому перешкоджає тепловий рух частинок). Таким чином, парамагнетик намагнічується, створюючи власне магнітне поле, що збігається у напрямку із зовнішнім полем і посилює його. Цей ефект називається парамагнітним. При ослабленні зовнішнього магнітного поля до нуля орієнтація магнітних моментів унаслідок теплового руху порушується та парамагнетик розмагнічується. У парамагнетиках спостерігається і діамагнітний ефект, але він значно слабший за парамагнітний.

Всі речовини, поміщені в магнітне поле, набувають магнітні властивості, тобто намагнічуються, і тому певною мірою змінюють зовнішнє (первинне) поле. Магнетикаминазивають всі речовини під час розгляду їх магнітних властивостей. При цьому виявляється, що одні речовини послаблюють зовнішнє поле, інші - посилюють його; перші називаються діамагнітними, другі - парамагнітними речовинами, або, коротше, діамагнетиками та парамагнетиками. Феромагнетикаминазивають речовини, що викликають дуже велике зусилля зовнішнього поля (кристалічне залізо, нікель, кобальт, гадоліній та дисирозій, а також деякі сплави та окисли цих металів та деякі сплави марганцю та хрому).

Переважна більшість речовин належить до діамагнетиків. Діамагнетикамиє такі елементи як фосфор, сірка, сурма, вуглець, багато металів (вісмут, ртуть, золото, срібло, мідь та ін.), більшість хімічних сполук (вода, майже всі органічні сполуки). До парамагнетиків відносяться деякі гази (кисень, азот) та метали (алюміній, вольфрам, платина, лужні та лужноземельні метали).

У діамагнітних речовин сумарний магнітний момент атома (молекули) дорівнює нулю, тому що наявні в атомі орбітальні, спінові та ядерні магнітні моменти взаємно компенсуються. Однак під впливом зовнішнього магнітного поля у цих атомів виникає (індукується) магнітний момент, спрямований завжди протилежно до зовнішнього поля. В результаті діамагнітне середовище намагнічується і створює власне магнітне поле, спрямоване протилежно до зовнішнього поля і тому послаблює його (малюнок).

Індуковані магнітні моменти атомів діамагнетика зберігається до тих пір, поки існує зовнішнє поле. При ліквідації зовнішнього поля індуковані магнітні моменти атомів зникають та діамагнетик рамагнічується.

У атома (молекули) парамагнітних речовин орбітальні, спінові та ядерні магнітні моменти не компенсують один одного. Тому атоми парамагнетика завжди мають магнітний момент, будучи як би елементарними магнітами. Однак атомні магнітні моменти розташовані безладно і тому парамагнітне середовище загалом не виявляє магнітних властивостей. Зовнішнє магнітне поле повертає атоми парамагнетика отже їх магнітні моменти встановлюються переважно у напрямі поля; повної орієнтації перешкоджає теплове рух атомів. В результаті парамагнетик намагнічується і створює власне магнітне поле, що завжди збігається у напрямку із зовнішнім полем і тому посилює його (малюнок).

При ліквідації зовнішнього поля тепловий рух відразу ж руйнує орієнтацію атомних магнітних моментів та парамагнетик розмагнічується.

У феромагнетиків є безліч порівняно великих мимовільно намагнічених до насичення областей, званих доменами. Лінійні розміри домену мають порядок 10 -2 см. Домен об'єднує багато мільярдів атомів; в межах одного домену магнітні моменти всіх атомів орієнтовані однаково (спинові магнітні моменти електронів всіх атомів точніше). Проте орієнтація самих доменів різноманітна. Тому відсутність зовнішнього магнітного поля феромагнетик загалом виявляється ненамагніченим.

З появою зовнішнього поля домени, орієнтовані своїм магнітним моментом у бік цього поля, починають збільшуватися обсягом з допомогою сусідніх доменів, мають інші орієнтації магнітного моменту; феромагнетик намагнічується. При досить сильному полі всі домени повністю повертаються в напрямку поля і феромагнетик швидко намагнічується до насичення.

При ліквідації зовнішнього поля феромагнетики повністю не розмагнічуються, а зберігають залишкову магнітну індукцію, оскільки тепловий рух не в змозі швидко дезорієнтувати такі великі сукупності атомів, як домени.

Тканини організму значною мірою діамагнітні, подібно до води. Однак в організмі є і парамагнітні речовини, молекули та іони. Феромагнітних частинок в організмі немає.

Первинними фізичними або фізико-хімічними процесами при дії магнітного поля на біологічні системи можуть бути: орієнтація молекул, зміна концентрації молекул або іонів у нерідному магнітному полі, силовий вплив (сила Лоренца) на іони, що переміщаються разом з біологічною рідиною, ефект Холла, що виникає в магнітному полі при розповсюдженні електричного імпульсу збудження та ін.

Ефект Холла – виникнення у провіднику, поміщеному в магнітне поле, електричного поля (поля Холла), спрямованого перпендикулярно Ні j(Щільність струму).

Нині фізична природа впливу магнітного поля на біологічні об'єкти ще встановлено.

Магнітотерапія- метод фізіотерапії, в основі якого лежить дія на організм низькочастотного змінного або постійного магнітного поля.

Магнітні поля за напрямом силових ліній можуть бути постійними і змінними і генеруватися в безперервному або переривчастому (імпульсному) режимах з частотою, формою і тривалістю імпульсів. Магнітне поле, що виникає між північним та південним полюсами магніту, може бути однорідним та неоднорідним.

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

де (~\vec B\) - магнітна індукція поля в речовині; \(~\vec B_0\) - магнітна індукція поля у вакуумі, \(~\vec B_1\) - магнітна індукція поля, що виникла завдяки намагнічуванню речовини. При цьому речовина може посилювати або послаблювати магнітне поле. Вплив речовини на зовнішнє магнітне поле характеризується величиною μ, яка називається магнітною проникністю речовини

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

Магнітна проникність- це фізична скалярна величина, що показує, скільки разів індукція магнітного поля в даній речовині відрізняється від індукції магнітного поля у вакуумі.

Діа-і пара-магнетики

Усі речовини мають певні магнітні властивості, тобто є магнетиками. p align="justify"> Для більшості речовин магнітна проникність μ близька до одиниці і не залежить від величини магнітного поля. Речовини, для яких магнітна проникність трохи менше одиниці (μ< 1), называются діамагнетиками, трохи більше одиниці (μ > 1) - парамагнетиками. Речовини, магнітна проникність яких залежить від величини зовнішнього поля та може значно перевищувати одиницю (μ » 1), називаються феромагнетиками.

Прикладами діамагнетиків є свинець, цинк, вісмут (μ = 0,9998); парамагнетиків – натрій, кисень, алюміній (μ = 1,00023); феромагнетиків - кобальт, нікель, залізо (μ досягає значення 8⋅10 3).

Вперше пояснення причин, внаслідок яких тіла мають магнітні властивості, дав Анрі Ампер (1820 р.). Згідно з його гіпотезою, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми, які визначають магнітні властивості будь-якої речовини.

Візьмемо деяку тверду речовину. Його намагніченість пов'язана з магнітними властивостями частинок (молекул та атомів), з яких він складається. Розглянемо які контури зі струмом можливі на мікрорівні. Магнетизм атомів обумовлений двома основними причинами:

1) рухом електронів навколо ядра по замкнутим орбітам ( орбітальний магнітний момент) (рис. 1);

2) власним обертанням (спином) електронів ( спіновий магнітний момент) (рис. 2).

Для допитливих. Магнітний момент контуру дорівнює добутку сили струму в контурі на площу, що охоплюється контуром. Його напрямок збігається з напрямом вектора індукції магнітного поля всередині контуру зі струмом.

Так як в атомі площини орбіт різних електронів не збігаються, то вектори індукцій магнітних полів, створені ними (орбітальні та спінові магнітні моменти), спрямовані під різними кутами один до одного. p align="justify"> Результуючий вектор індукції багатоелектронного атома дорівнює векторній сумі векторів індукцій полів, створюваних окремими електронами. Не скомпенсовані поля мають атоми з частково заповненими електронними оболонками. В атомах із заповненими електронними оболонками результуючий вектор індукції дорівнює 0.

У всіх випадках зміна магнітного поля обумовлена появою струмів намагніченості (спостерігається явище електромагнітної індукції). Іншими словами принцип суперпозиції для магнітного поля залишається справедливим: поле всередині магнетика є суперпозицією зовнішнього поля \(~\vec B_0\) і поля \(~\vec B"\) струмів намагнічування i′, що виникають під впливом зовнішнього поля. Якщо поле струмів намагніченості спрямоване так само, як і зовнішнє поле, то індукція сумарного поля буде більшою від зовнішнього поля (Рис. 3, а) – у цьому випадку ми говоримо, що речовина посилює поле; якщо ж поле струмів намагніченості спрямоване протилежно до зовнішнього поля, то сумарне поле буде менше зовнішнього поля (Рис. 3, б) – саме в цьому сенсі ми говоримо, що речовина послаблює магнітне поле.

Мал. 3

У діамагнетикахмолекули не мають власного магнітного поля. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах і молекулах поле струмів намагніченості спрямовано протилежно зовнішньому полю, тому модуль вектора магнітної індукції \(~\vec B\) результуючого поля буде меншим за модуль вектора магнітної індукції \(~\vec B_0\) зовнішнього поля.

У парамагнетикахмолекули мають власне магнітне поле. У відсутності зовнішнього магнітного поля через тепловий рух вектора індукцій магнітних полів атомів і молекул орієнтовані хаотично, тому їхня середня намагніченість дорівнює нулю (рис. 4, а). При накладенні зовнішнього магнітного поля на атоми і молекули починає діяти момент сил, що прагне повернути їх так, щоб поля були орієнтовані паралельно зовнішньому полю. Орієнтація молекул парамагнетика призводить до того, що речовина намагнічується (рис. 4, б).

Мал. 4

Повна орієнтація молекул у магнітному полі перешкоджає їх тепловий рух, тому магнітна проникність парамагнетиків залежить від температури. Очевидно, що зі зростанням температури магнітна проникність парамагнетиків зменшується.

Феромагнетики

Сама назва цього класу магнітних матеріалів походить від латинського імені заліза – Ferrum. Головна особливість цих речовин полягає у здатності зберігати намагніченість без зовнішнього магнітного поля, всі постійні магніти відносяться до класу феромагнетикам. Крім заліза феромагнітні властивості мають його «сусіди» за таблицею Менделєєва - кобальт і нікель. Феромагнетики знаходять широке практичне застосування в науці та техніці, тому розроблено значну кількість сплавів, що мають різні феромагнітні властивості.

Всі наведені приклади феромагнетиків відносяться до металів перехідної групи, електронна оболонка яких містить кілька не спарених електронів, що і призводить до того, що ці атоми мають значне власне магнітне поле. У кристалічному стані завдяки взаємодії між атомами в кристалах виникають області мимовільної (спонтанної) намагніченості - домени. Розміри цих доменів становлять десяті та соті частки міліметра (10 -4 - 10 -5 м), що значно перевищує розміри окремого атома (10 -9 м). У межах одного домену магнітні поля атомів орієнтовані строго паралельно, орієнтація магнітних полів інших доменів за відсутності зовнішнього магнітного поля змінюється довільно (рис. 5).

Таким чином, і в не намагніченому стані всередині феромагнетика існують сильні магнітні поля, орієнтація яких при переході від одного домену до іншого змінюється випадковим хаотичним чином. Якщо розміри тіла значно перевищують розміри окремих доменів, то середнє магнітне поле, яке створюється доменами цього тіла, практично відсутнє.

Якщо помістити феромагнетик у зовнішнє магнітне поле У 0 то магнітні моменти доменів починають перебудовуватися. Проте механічного просторового обертання ділянок речовини немає. Процес перемагнічування пов'язані з зміною руху електронів, але з зміною становища атомів у вузлах кристалічної решітки. Домени, які мають найбільш вигідну орієнтацію щодо напряму поля, збільшують свої розміри за рахунок сусідніх «неправильно орієнтованих» доменів, поглинаючи їх. При цьому поле в речовині зростає дуже суттєво.

Властивості феромагнетиків

1) феромагнітні властивості речовини виявляються лише тоді, коли відповідна речовина знаходиться у кристалічному стані;

2) магнітні властивості феромагнетиків сильно залежать від температури, оскільки орієнтації магнітних полів доменів перешкоджають тепловому руху. Для кожного феромагнетика існує певна температура, при якому доменна структура повністю руйнується, і феромагнетик перетворюється на парамагнетик. Це значення температури називається точкою Кюрі. Так для чистого заліза значення температури Кюрі приблизно дорівнює 900 ° C;

3) феромагнетики намагнічуються до насиченняу слабких магнітних полях. На малюнку 6 показано, як змінюється модуль індукції магнітного поля Bу сталі зі зміною зовнішнього поля B 0 ;

4) магнітна проникність феромагнетика залежить від зовнішнього магнітного поля (рис. 7).

Це тим, що спочатку зі збільшенням B 0 магнітна індукція Bзростає сильніше, а, отже, буде збільшуватися. Потім при значенні магнітної індукції B´ 0 настає насичення (μ в цей момент максимальна) і при подальшому збільшенні B 0 магнітна індукція B 1 у речовині перестає змінюватися, а магнітна проникність зменшується (прагне 1):

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

5) у феромагнетиків спостерігається залишкова намагніченість. Якщо, наприклад, феромагнітний стрижень помістити в соленоїд, яким проходить струм, і намагнітити до насичення (точка А) (рис. 8), а потім зменшувати струм у соленоїді, а разом з ним і B 0 то можна помітити, що індукція поля в стрижні в процесі його розмагнічування залишається весь час більшою, ніж у процесі намагнічування. Коли B 0 = 0 (струм у соленоїді вимкнений), індукція дорівнюватиме B r(залишкова індукція). Стрижень можна вийняти з соленоїда та використовувати як постійний магніт. Щоб остаточно розмагнітити стрижень, необхідно пропустити по соленоїду струм протилежного напрями, тобто. додати зовнішнє магнітне поле з протилежним напрямом вектора індукції. Збільшуючи тепер за модулем індукцію цього поля до B oc, розмагнічують стрижень ( B = 0).).

Таким чином, при намагнічуванні та розмагнічуванні феромагнетика індукція Bвідстає від B 0 . Це відставання називається явищем гістерезису. Зображена на малюнку 8 крива називається петлею гістерезису.

Гістерезис(грец. ὑστέρησις - «відстає») - властивість систем, які не відразу йдуть за прикладеними силами.

Вид кривої намагнічування (петлі гістерези) істотно відрізняється для різних феромагнітних матеріалів, які знайшли дуже широке застосування в наукових і технічних додатках. Деякі магнітні матеріали мають широку петлю з високими значеннями залишкової намагніченості та коерцитивної сили, вони називаються магнітно-жорсткимита використовуються для виготовлення постійних магнітів. Для інших феромагнітних сплавів характерні малі значення коерцитивної сили, такі матеріали легко намагнічуються та перемагнічуються навіть у слабких полях. Такі матеріали називаються магнітно-м'якимита використовуються у різних електротехнічних приладах - реле, трансформаторах, магнітопроводах та ін.

Література

Аксенович Л. А. Фізика у середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C.330-335.
Жилко, В. В. Фізика: навч. посібник для 11-го кл. загальноосвіт. шк. з рос. яз. навчання / В. В. Жилко, О.В. Лавріненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. – С. 291-297.

Є мікроскопічні кругові струми ( молекулярні струми). Ця ідея надалі, після відкриття електрона та будови атома, підтвердилася: ці струми створюються рухом електронів навколо ядра і, оскільки орієнтовані однаково, у сумі утворюють поле всередині та навколо магніту.

На малюнку аплощини, в яких розміщені елементарні електричні струми, орієнтовані безладно через хаотичний тепловий рух атомів, і речовина не проявляє магнітних властивостей. У намагніченому стані (під дією, наприклад, зовнішнього магнітного поля) (рисунок б) ці площини орієнтовані однаково, та його дії сумуються.

Магнітна проникність.

Реакція середовища на вплив зовнішнього магнітного поля з індукцією В0 (поле у вакуумі) визначається магнітною сприйнятливістю μ :

де У- Індукція магнітного поля в речовині. Магнітна проникність аналогічна діелектричній проникності ɛ .

За своїми магнітними властивостями речовини поділяються на діамагнетики, парамагнетикиі ферромагнетики. У діамагнетиків коефіцієнт μ , який характеризує магнітні властивості середовища, менше одиниці (наприклад, у вісмуту μ = 0,999824); у парамагнетиків μ > 1 (у платини μ - 1,00036); у феромагнетиків μ ≫ 1 (залізо, нікель, кобальт).

Діамагнетики відштовхуються від магніту, парамагнетики притягуються до нього. За цими ознаками їх можна відрізнити один від одного. У багатьох речовин магнітна проникність майже відрізняється від одиниці, але в феромагнетиків сильно перевершує її, досягаючи кількох десятків тисяч одиниць.

Феромагнетики.

Найсильніші магнітні властивості виявляють феромагнетики. Магнітні поля, які створюються феромагнетиками, набагато сильніше зовнішнього намагнічуючого поля. Щоправда, магнітні поля феромагнетиків створюються не внаслідок обігу електронів навколо ядер. орбітального магнітного моменту, а внаслідок власного обертання електрона - власного магнітного моменту спином.

Температура Кюрі ( Тз) - Це температура, вище якої феромагнітні матеріали втрачають свої магнітні властивості. Для кожного феромагнетика вона своя. Наприклад, для заліза Т с= 753 °С, для нікелю Т с= 365 ° С, для кобальту Т с= 1000 °С. Існують феромагнітні сплави, у яких Т с < 100 °С.

Перші детальні дослідження магнітних властивостей феромагнетиків були виконані видатним російським фізиком А. Г. Столетовим (1839–1896).

Феромагнетики застосовуються досить широко: як постійні магніти (в електровимірювальні прилади, гучномовці, телефони і так далі), сталеві сердечники в транс-форматорах, генераторах, електродвигунах (для посилення магнітного поля та економії електроенергії). На магнітних стрічках, які виготовлені з феромагнетиків, здійснюється запис звуку та зображення для магнітофонів та відеомагнітофонів. На тонкі магнітні плівки проводиться запис інформації для запам'ятовуючих пристроїв в електронно-обчислювальних машинах.

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ І БУДОВА РЕЧОВИН

Магнетохімія - розділ хімії, що вивчає магнітні властивості речовин, а також їх зв'язок із будовою молекул. Становлення її як науки можна віднести до початку XX століття, коли було відкрито основні закони магнетизму.

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИН

Магнетизм - фундаментальна властивість матерії. З давніх давен відомо властивість постійних магнітів притягувати залізні предмети. Розвиток електромагнетизму дозволило створити електромагніти сильніші, ніж постійні. Взагалі різні прилади та пристрої, засновані на використанні електромагнітних явищ, поширені настільки широко, що без них не можна вже уявити життя.

Проте з магнітним полем взаємодіють як постійні магніти, а й інші речовини. Магнітне поле, взаємодіючи з речовиною, змінює свою величину в порівнянні з вакуумом (тут і далі всі формули записані в системі СІ):

де µ 0 – магнітна постійна, рівна 4p 10 -7 Гн/м, µ – магнітна проникність речовини, B – магнітна індукція (Тл), H – напруженість магнітного поля (в А/м). Для більшості речовин m дуже близька до одиниці, тому в магнетохімії, де основним об'єктом є молекула, зручніше використовувати величину c, яка називається магнітною сприйнятливістю. Її можна віднести до одиниці об'єму, маси чи кількості речовини, тоді вона називається відповідно об'ємною (безрозмірною) cv, питомої cd(у см3/г) або молярної см(в см3/моль) магнітною сприйнятливістю.

Речовини можна розділити на дві категорії: ті, що послаблюють магнітне поле (c< 0), называются диамагнетиками, те, которые усиливают (c >0), – парамагнетиками. Можна уявити, що в неоднорідному магнітному полі на діамагнетик діє сила, що виштовхує його з поля, на парамагнетик, навпаки, – втягує. На цьому ґрунтуються розглянуті нижче методи вимірювання магнітних властивостей речовин. Діамагнетики (а це переважна більшість органічних та високомолекулярних сполук) і головним чином парамагнетики є об'єктами вивчення магнетохімії.

Діамагнетизм - найважливіша властивість матерії, обумовлене тим, що під дією магнітного поля електрони в заповнених електронних оболонках (які можна уявити як маленькі провідники) починають прецесувати, а, як відомо, будь-який рух електричного заряду викликає магнітне поле, яке за правилом Ленца буде спрямоване так , щоб зменшити вплив зовнішнього поля. Електронну прецесію у своїй можна як кругові струми. Діамагнетизм властивий усім речовинам, крім атомарного водню, тому що всі речовини мають спарені електрони і заповнені електронні оболонки.

Парамагнетизм обумовлений неспареними електронами, які називаються тому, що їх власний магнітний момент (спин) нічим не врівноважений (відповідно спини спарених електронів спрямовані в протилежні сторони і компенсують один одного). У магнітному полі спини прагнуть вишикуватися у напрямку поля, посилюючи його, хоча цей порядок і порушується хаотичним тепловим рухом. Тому зрозуміло, що парамагнітна сприйнятливість залежить від температури – що нижча температура, то вище значення сприйнятливість.

Цей вид магнітної сприйнятливості називають орієнтаційним парамагнетизмом, оскільки його причина – орієнтація елементарних магнітних моментів у зовнішньому магнітному полі.

Магнітні властивості електронів у атомі можна описувати двома способами. У першому способі вважається, що власний (спиновий) магнітний момент електрона не впливає на орбітальний (зумовлений рухом електронів навколо ядра) момент чи навпаки. Точніше, такий взаємний вплив є завжди (спін-орбітальна взаємодія), але для 3d-іонів воно мало, і магнітні властивості можна з достатньою точністю описувати двома квантовими числами L (орбітальне) та S (спінове). Для більш важких атомів таке наближення стає неприйнятним і вводиться ще одне квантове число повного магнітного моменту J, яке може набувати значення від | L+S | до | L - S |

Слід звернути увагу на трохи величини енергії магнітної взаємодії (для кімнатних температур та магнітних полів, звичайних у лабораторії, енергія магнітних взаємодій на три-чотири порядки менша, ніж енергія теплового руху молекул).

Існує досить багато речовин, які при зниженні температури поводяться спочатку як парамагнетики, а потім при досягненні певної температури різко змінюють свої магнітні властивості. Найвідоміший приклад – феромагнетики та речовина, за якою вони отримали свою назву – залізо, атомні магнітні моменти якого нижче температури Кюрі вишиковуються в одному напрямку, викликаючи спонтанну намагніченість. Проте макроскопічної намагніченості за відсутності поля немає, оскільки зразок мимоволі розділяється області розміром близько 1 мкм, звані доменами, у яких елементарні магнітні моменти спрямовані однаково, але намагніченості різних доменів орієнтовані випадково й у середньому компенсують друг друга. Сили, що викликають феромагнітний перехід, можна пояснити лише законами квантової механіки.

Антиферомагнетики характеризуються тим, що спінові магнітні моменти при температурі антиферомагнітного переходу (температура Нееля TN) упорядковуються так, що взаємно компенсують один одного.

Якщо компенсація магнітних моментів неповна, такі речовини називаються ферримагнетиками, наприклад Fe2O3 і FeCr2O4 . Останні три класи сполук є твердими тілами та вивчаються переважно фізиками. За останні десятиліття фізики та хіміки створили нові магнітні матеріали.

У молекулі, що містить неспарений електрон, інші (спарені) електрони послаблюють магнітне поле, але вклад кожного з них на два-три порядки менший. Однак якщо ми хочемо дуже точно виміряти магнітні властивості неспарених електронів, то повинні вводити так звані діамагнітні поправки, особливо великих органічних молекул, де вони можуть досягати десятків відсотків. Діамагнітні сприйнятливості атомів у молекулі складаються один з одним згідно з правилом адитивності Паскаля-Ланжевена. Для цього діамагнітні сприйнятливості атомів кожного сорту множать на кількість таких атомів у молекулі, а потім вводять конститутивні поправки на особливості будови (подвійні та потрійні зв'язки, ароматичні кільця тощо). Перейдемо до розгляду того, як експериментально вивчають магнітні властивості речовин.

ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ВИМІР МАГНІТНОЇ СХОДЖИВОСТІ

Основні експериментальні методи визначення магнітної сприйнятливості було створено ще минулому столітті. Згідно з методом Гуї, вимірюється зміна ваги зразка в магнітному полі порівняно з його відсутністю.

За методом Фарадея вимірюється сила, що діє на зразок у неоднорідному магнітному полі.

Основна відмінність методу Гуї від методу Фарадея полягає в тому, що в першому випадку підтримується неоднорідність за (протяжним) зразком, а в другому - магнітним полем.

Метод Квінке застосовується лише для рідин та розчинів. У ньому вимірюється зміна висоти стовпчика рідини у капілярі під дією магнітного поля

При цьому для діамагнітних рідин висота стовпчика знижується, для парамагнітних підвищується.

За методом віскозиметра вимірюється час закінчення рідини через малий отвір при включеному (tH) та вимкненому (t0) магнітному полі. Час закінчення парамагнітних рідин у магнітному полі помітно менше, ніж за відсутності поля, для діамагнітних – навпаки.

Магнітну сприйнятливість можна виміряти за допомогою ЯМР-спектрометра. Зазначимо: величина хімічного зсуву сигналу ЯМР у випадку визначається як константою екранування, яка є мірою електронної щільності на досліджуваному ядрі, а й магнітної сприйнятливістю зразка.

Отримане значення магнітної сприйнятливості для парамагнетиків визначається кількістю неспарених електронів (для одного неспареного електрона)

Магнетохімічні дослідження дозволяють встановити електронну конфігурацію сполук перехідних металів, які становлять основу хімії координаційних (комплексних) сполук.

Вимірюючи магнітну сприйнятливість, можна легко судити про ступінь окислення та геометрію першої координаційної сфери в комплексі.

Відомо, що більшість важливих на практиці хімічних реакцій протікають у розчинах, до них відносяться також реакції комплексоутворення, тому в наступному розділі розглянемо магнітні властивості розчинів, в яких з'єднання перехідних металів реалізуються у вигляді комплексів.

МАГНІТНА СХІДНІСТЬ РОЗЧИН

При переході від твердого тіла до розчину слід враховувати магнітні сприйнятливості розчинника та всіх розчинених речовин. При цьому найпростішим способом такого обліку буде підсумовування вкладів всіх компонентів розчину за правилом адитивності. Принцип адитивності – одне із основних принципів у обробці експериментальних даних. Будь-які відхилення від нього частіше пов'язують з тим, що принцип адитивності виконується, а компоненти розчину змінюють свої властивості. Тому приймається, що магнітна сприйнятливість розчину дорівнює сумі магнітних сприйнятливостей окремих компонентів з урахуванням концентрації

З дослідження магнітних властивостей однієї й тієї ж речовини у різних розчинниках видно, що можуть помітно залежати від природи розчинника. Це можна пояснити входженням молекул розчинника в першу координаційну сферу та зміною відповідно електронної будови комплексу, енергій d-орбіталей (D) та інших властивостей сольватокомплексу. Таким чином, магнетохімія дозволяє вивчати і сольватацію, тобто взаємодія розчиняється з розчинником.

Якщо магнітне поле впливає властивості розчину, а численні експериментальні факти (вимірювання щільності, в'язкості, електропровідності, концентрації протонів, магнітної сприйнятливості) свідчать, що це так, слід визнати, що енергія взаємодій окремих компонентів розчину і ансамблю молекул води досить висока, то є порівнянна або перевищує енергію теплового руху частинок у розчині, що усереднює будь-який вплив на розчин. Нагадаємо, що енергія магнітної взаємодії однієї частки (молекули) мала порівняно з енергією теплового руху. Така взаємодія можлива, якщо прийняти, що у воді та водних розчинах за рахунок кооперативного характеру водневих зв'язків реалізуються великі льодоподібні структурні ансамблі молекул води, які можуть зміцнюватися або руйнуватися під впливом розчинених речовин. енергією теплового руху та під магнітним впливом розчин може запам'ятати його та придбати нові властивості, але броунівський рух або підвищення температури ліквідує цю "пам'ять" протягом деякого часу.

Точно підбираючи концентрації парамагнітних речовин у діамагнітному розчиннику, можна створити немагнітну рідину, тобто таку, середня магнітна сприйнятливість якої дорівнює нулю або в якій магнітні поля поширюються так само, як і у вакуумі. Ця цікава властивість поки не знайшла застосування у техніці.