Досаева Б. Т., Койшыбаев Н., Жаугашева С. А
Парамагниттік, диамагниттік және ферромагниттік заттар
жүктеу/скачать 4.06 Mb.
|
| 3.3.5. Парамагниттік, диамагниттік және ферромагниттік заттар
Магнит өрісінің әсерінен магниттелетін денелерді магнетиктер деп атайды. Бір заттар сыртқы өріс әсерінен магниттелген кезде өрісті күшейтетін болса, екінші денелер осы кезде оны әлсіретеді. Біз әуелі электрондарының ядроны айнала қозғалысының әсерінен пайда болатын меншікті магнит өрісі болатын заттарды қарастырайық. Бұл магнит өрісі дөңгелек тоқтың магнит өрісіне ұқсас. Сондықтан мұндай молекулаларды солтүстік және оңтүстік полюстері бар кішкентай магниттер деп қарастыруға болады. Егер осындай зат сыртқы магнит өрісіне тап болса, онда оның молекулаларына айналдырғыш моменттер әсер етіп, молекулалар магнит индукциясы сызықтары бойында түзіле бастайды. Осы кезде индукция сызықтары молекулаға оңтүстік полюс жағынан кіріп, солтүстік полюс жағынан шығып жатады. Демек, зат ішіндегі магнит өрісі күшейеді. Осындай заттан жасалған денелер сыртқы өріспен 3.58, а-суретте көрсетілген түрде магниттеледі. Затта пайда болған өрісті сыртқы өріске үстемелеген кезде 3.58,б-суретте көрсетілгендей қорытқы өріс пайда болады, онда көріп отырғанымыздай, индукция сызықтары дененің ішіне қарай тығылған секілді. Осындай заттан жасалған шыбық (стержень) сыртқы өрісте индукция сызықтары бойымен орналасады. Зат молекулаларының жылулық қозғалысы олардың реттеліп орналасуына кедергі жасайтын болғандықтан, температура артқан кезде магниттелгендік азаяды. Егер осындай денені сыртқы магнит өрісінен алып кетсек, онда молекулалардың хаостық қозғалысы магниттелгендікті жояды. Жоғарыда айтылғандардан мұндай магнетиттің салыстырмалық магниттік өтімділігінің бірден үлкен болатындығы шығады. (мысалға марганецте 1,0038, алюминийде 1,000023, азотта 1,000000013 болады). Магниттік өтімділігі 0-ден сәл-пәл артық болатын заттарды парамагнетиктер деп атайды. Сөйтіп, заттардың парамагнетиктік қасиеттері молекулалардың меншікті өрісін тудыратын электрондардың атом ядролары төңірегіндегі орбиталдық қозғалысымен түсіндіріледі екен. Парамагнетиктердің әлсіз магниттелетіндігін айта кетейік. Молекулаларының меншікті магнит өрісі болмайтын заттар өздерін сыртқы магнит өрісінде басқаша ұстайды. Мұндай заттан тұратын дене сыртқы магнит өрісінде өзінің ішіндегі меншікті магнит өрісі сыртқы магнит өрісіне қарсы бағытталатындай түрде магниттеледі (3.59,а-сурет). Демек, зат ішіндегі өріс сыртқы өрістен әлсізірек болады; индукция сызықтары денеден шығарылатын тәрізді (3.59, б-сурет). Мұндай магнетиктердің салыстырмалық магниттік өтімділігі бірден сәл-пәл кіші болады. (Мысалы, висмутта 0,999824, кремнийде 0,999837, суда 0,999991, сутегіде 0,999999937 болады). Магниттік өтімділігі 0 мәнінен сәл-пәл кіші болатын заттарды диамагнетиктер деп атайды. Заттардың диамагнетиктік қасиеттері парамагнетиктік қасиеттерден де гөрі әлсіз білінеді. Диамагнетиктердің тәуір үлгісі висмут болып табылады. 3.59,б-суреттен көріп отырғынымыздай, парамагнетик өрістен сыртқа қарай итеріліп шығарылуы тиіс, себебі магниттің аттас полюстері тебіледі. Заттардың диамагнетиктік қасиеттерінің себептері алда қарастырылады. Осы аталған заттармен қатар, салыстырмалық магниттік өтімділігі бірден көш үлкен болатын бірқатар заттар болады. Магниттік өтімділігі 0 мәнінен көп артық болатын заттар ферромагнетиктер деп аталады. Мұндай заттардың ең барып тұрған өкілі темір болып табылады. Ол сыртқы магнит өрісін мыңдаған есе арттыра алады. Ферромагнетиктер қатарына болат, шойын, никель, кобальт, сирек металл гадолиний және ферромагниттік металдардың қорытпалары жатады. Сыртқы өрістің индукция сызықтарын “сорып алу” эффекті ферромагнетиктерде өте күшті бақыланады (3.60-сурет). Ферромагнетиктердің құрылысын электрондық микроскоптың көмегімен зерттеулер ферромагнетиктердің мөлшерлері 0,001 мм шамалас болатын өз бетінше (спонтанды) магниттелген көптеген облыстардан тұратындығы анықтады, бұл облыстарды домендер деп атап кетті. Әрбір доменде оның барлық молекулаларының магниттік моменттері бір жаққа бағытталған. Егер ферромагнетик магниттелмеген болса, онда оның домендері қалай болса солай бағытталған (3.61,а-сурет). Ферромагнетикті сыртқы магнит өрісіне орналастырған кезде, оның домендері өздерінің магниттік моменттері сыртқы өрістің индукция сызықтарының бойымен бағытталатын түрде қайтара магниттеледі (өріс бағытында бағдарланады), осының арқасында өрісті қатты күшейтеді (3.61,б-сурет). Ферромагнетиктерге тек домендерден тұратын заттар ғана жатады. Барлық домендердің магнит өрістерінің бағыттары сыртқы өрістің бағытымен бағытталған кезде, ферромагнетик шегіне жете магниттеледі. Ферромагнетиктің мұндай күйі магниттік қанығу деп аталады. Әрбір жеке-дара доменнің шегіне жете қаныққандығын айта кетелік. Ферромагниттік қасиеттер, электрондардың ядроларды айнала орбиталдық қозғалысымен қатар өз осінен де айналатындығы, яғни олардың “спин” деп аталып кеткен (ағылшынша, “шыр-көбелек айналу”) меншікті қозғалыс моменті болатындығы белгілі болған соң ғана түсінікті болды. Электрон зарядталған болғандықтан, оның меншікті магнит моменті де болуы тиіс. Атомдағы электрондардың магнит моменттерінің тек қарама-қарсы екі бағыты ғана болуы мүмкін: параллель және антипараллель. Көп жағдайларда атомдағы электрондардың магнит моменттері қарама-қарсы қосақталған бағытта болады да, олардың магнит өрістері өтемеленген болады. Ферромагнетиктердің атомдарында магниттік моменттері өтемеленбеген бірнеше электрондардан болады, олардың бағыттары бір жаққа болады. Осы электрондар атомдар төңірегіндегі магнит өрісін күшейте түседі. Іргелес атомдар өзара әрекеттесетін болғандықтан бұл атомдардың магниттік моменттері параллель орналасады, яғни затта домендер пайда болады. Сөйтіп, ферромагнетиктердің магниттік қасиеттері олардың атомдарындағы электрондарында өтемеленбеген спиндердің болуымен және валенттік электрондармен алмасқан кезде атомдар арасында пайда болатын электрлік өзара әрекеттесумен түсіндіріледі екен. Ферромагнетиктердің магниттелуі. Электромагнит. Парамагнетиктер мен диамагнетиктерді магниттеген кезде магнит индукциясы өрістің кернеулігіне тура пропорционал өзгереді. (3.62-сурет). Ферромагнетиктің магниттелуі басқаша өтеді (3.63-сурет). Әуелі Н артқан кезде индукция өте тез артады, содан кейін баяулайды да, жеткілікті Н мәні кезінде В мәні өзгермейді деуге болады. Егер тәжірибені алдын-ала магниттелмеген ферромагнетикпен жүргізсек, онда магниттелу процесі ОА қисығы бойымен өтеді, оны алғаш магниттелу қисығы деп атайды. Графиктен көріп отырғанымыздай, азғантай Н кезінде В/Н қатынасы мардымды болмай барып, кейін тез арта бастайды да, сосын тез азаяды. Демек, ферромагнетиктің магниттік өтімділігі тұрақты емес және Н мәніне тәуелді түрде өзгереді. Графикте көрсетілген ОА қисықтың барысы былайша түсінідіріледі. Домендердің сыртқы өріс бағытында магниттелуі болып жатқан кезде индукция тез артады. Ферромагнетик қаныққанға дейін магниттелген кезде В индукцияның одан арғы артуы тек Н мәнінің артуы есесінен ғана болады. Егер осыдан кейін кернеулікті бірте-бірте төмендетсе, онда магниттелсіздену АС қисығы бойынша өтетін болады да, Н кезінде ферромагнетик әлі де болса, магниттелген болып қалады, оның ішіндегі индукцияның мәні осы кезде ОС кесіндіге тең болады. Сөйтіп, ферромагнетиктегі В индукцияның мәні тек Н мәніне ғана емес, сонымен қатар ферромагнетик алдын-ала магниттелген бе, магниттелмеген бе, осыған да тәуелді болады екен. 3.63-суреттен көріп отырғанымыздай, ферромагнетикті магниттелсіздендіру кезінде индукция магниттеу кезіне қарағанда баяу түседі. Бұл құбылыс магниттік гистерезис (қалыс қалу) деп аталады. Ферромагнетикті айнымалы магнит өрісімен периодты түрде қайталай магниттеген кезде индукция қисығы гистерезис тұзағы деп аталатын тұйық қисық құрайды (3.64-сурет). Гистерезис тұзағының ауданы ферромагнетикті қайтара магниттеуге кеткен энергияға пропорционал болады екен. Бұл энергия ферромагнетиктің ішкі энергиясына айналады. Демек, ферромагнетикті периодты түрде қайтара магниттеген кезде ол қызуы тиіс. Гистерезис тұзағының ауданы үлкен болатын ферромагнетик қатқыл, ал ауданы кіші болатын ферромагнетик жұмсақ деп аталады. (3.64 а, б-суреттер). Тұрақты магниттерді қатқыл ферромагнетиктерден жасайды. Гистерезис тұзағының ауданы өте кішкентай болатын материалдар ферриттер деп аталады. Оларды қолдану қайтара магниттелу кезіндегі энергия шығынын азайтуға мүмкіндік береді. Тәжірибе көрсеткендей, ферромагнетиктердің магниттік қасиеттері температураға тәуелді болады. Қыздырған кезде ферромагнетиктердің магниттік өтімділігі төмендейді, ал жеткілікті жоғары температура кезінде оларда домендердің қирауы басталады. Осы кезде ферромагнетик парамагнетикке айналады. Осындай түрлену өтетін температураны Кюри нүктесі деп атайды (темірде Кюри нүктесі 7700С, ал никелде 3600С болады). Осы затты қайтадан салқындатқан кезде ол ферромагнетикке айналады. Индукция сызықтарын ферромагнетиктің “сорып алу” құбылысы магниттік қорғаныс үшін пайдаланылады. Егер ферромагнетиктен қаптау жасалса, онда сыртқы өрістің индукциясының сызықтары қаптаудың қабырғалары арқылы өтіп, оның ішіндегі өріс жоғалып кетеді (3.65-сурет). Осы тәсілмен аса сезімтал аспаптарды сыртқы магнит өрістерінің әсерінен, мәселен, Жердің магнит өрісінің әсерінен сақтайды. Магнит өрісінің ферромагнетиктермен күшейтілуі техникада кең пайдаланылады. Мысалы, соленоидтың магнит өрісін ферромагнетиктің көмегімен күшейтілуі электромагниттерді жасау үшін пайдаланылады. Соленоидтың ішіне салынатын стержень өзекше деп аталады. Жұмсақ болаттан жасалған өзегі бар соленоидты электромагнит деп атайды, ал соленоидтың өзі жасалған сым – электромагниттің орамы деп аталады. Көбіне электромагнитті таға түрінде жасайды. Мұндай электромагниттің сызбасы 3.66-суретте көрсетілген. Орамдағы тоқты қосу және ағыту арқылы электромагнитті магниттеуге және магнитсіздеуге болады. Электромагниттің осы қасиеті көптеген автоматтық қондырғыларда орын алады, мысалы электромагниттік реледе қолданылады. Электромагниттерді көтергіш крандарда, телефонда, электродвигателдерде, телеграфта, генераторларда, өлшеуіш аспаптарда және т.б. жерлерде кең пайдаланады. Ферромагниттердің тағы бір маңызды қасиеті оның қайтара магниттелген кездерде өзінің көлемін өзгертетіндігі. Ферромагниттердің бұл қасиеті магнитстрикция деп аталады. Оны ультрадыбыстарды алу үшін пайдаланады. жүктеу/скачать 4.06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|