Кіріспе

Физикалық құбылыстар класы Магнетизм – магнит өрісі арқылы туындайтын физикалық қасиеттердің класы, ол заттардың бір-біріне тартылуына немесе итерлуіне мүмкіндік береді. Электр тогы мен элементар бөлшектердің магниттік моменттері магнит өрісін тудыратындықтан, магнетизм электромагнетизмнің екі негізгі аспектісінің бірі болып табылады. Ең көп таралған әсерлер ферромагниттік материалдарда байқалады, олар магнит өрісіне күшті тартылады және тұрақты магниттерге айналу үшін магниттелуі мүмкін, соның салдарынан өздері магнит өрісін жасайды. Магнитті демагнетизациялау да мүмкін. Ферромагниттік заттардың саны шешікті, ең көп таралғандары – темір, кобальт, никель және олардың қорытпалары. Барлық заттар белгілі бір деңгейде магнетизмді көрсетеді. Магниттік материалдар олардың көлемдік сезімталдығына сәйкес жіктеледі. Ферромагнетизм күнделікті өмірде кездесетін магнетизмнің көп бөлігіне жауапты, бірақ магнетизмнің бірнеше түрі бар. Парамагниттік заттар, мысалы, алюминий мен оттегі, қолданылған магнит өрісіне әлсіз тартылады; диамагниттік заттар, мысалы, мыс және көміртек, әлсіз итеріледі; ал антиферромагниттік материалдар, мысалы, хром, магнит өрісімен күрделі байланысқа ие. Магниттің парамагниттік, диамагниттік және антиферромагниттік материалдарға әсері көбінесе сезінуге тым әлсіз болады және оны зертханалық құралдармен ғана анықтауға болады, сондықтан күнделікті өмірде олар көбінесе магниттік емес деп сипатталады. Магнит өрісінің күші магнит көзінен қашықтық артқан сайын әрқашан төмендейді, бірақ күш пен қашықтық арасындағы нақты математикалық байланыс өзгереді. Объектінің магнит өрісіне әсер ететін көптеген факторлар бар, оларға материалдың магниттік моменті, объектінің физикалық пішіні, объектідегі кез келген электр тогының шамасы мен бағыты және объектінің температурасы жатады.

Диамагнетизм

Диамагнетизм барлық материалдарда кездеседі және материалдың сыртқы магнит өрісіне қарсы тұру қабілеті болып табылады, сондықтан магнит өрісінен итеріледі. Дегенмен, парамагниттік қасиеттері бар материалда (яғни, сыртқы магнит өрісін күшейтуге бейім), парамагниттік мінез-құлық басымдық танытады. Осылайша, оның кең таралғандығына қарамастан, диамагниттік мінез-құлық тек таза диамагниттік материалдарда ғана байқалады. Диамагниттік материалдарда жұпталмаған электрондар болмайды, сондықтан электрондардың ішкі магниттік моменттері ешқандай макроскопикалық әсер тудырмайды. Мұндай жағдайларда, магниттелу электрондардың орбиталық қозғалысынан пайда болады, оны классикалық тұрғыдан былай түсіндіруге болады:

Материалды магнит өрісіне салғанда, ядроның айналысында қозғалатын электрондар, ядроға тарту күшінен (Кулондық тартылыс) өзге, магнит өрісінен Лоренц күшін сезінеді. Электронның орбита бағытына байланысты, бұл күш электрондарға түсетін центростремитік күшті арттырып, оларды ядроға қарай тартады немесе күшті азайтып, ядродан алыстатады. Бұл әсер жүйелі түрде өріске қарама-қарсы бағытталған орбиталық магниттік моменттерді күшейтеді және өріспен параллель бағытталғандарды әлсіздетеді (Ленц заңына сәйкес). Нәтижесінде, қолданған өріске қарама-қарсы бағытталған шағын магниттік момент пайда болады. Бұл сипаттама тек эвристикалық мақсатта ғана берілген; Бор-Ван Лиувен теоремасы классикалық физика бойынша диамагнетизмнің мүмкін еместігін көрсетеді және оны дұрыс түсіну үшін кванттық-механикалық сипаттама қажеттігін анықтайды. Барлық материалдар осы орбиталық жауапқа ұшырайды. Алайда, парамагниттік және ферромагниттік заттарда диамагниттік әсер жұпталмаған электрондардың тудырған әлдеқайда күшті әсерлерімен басылады.

Парамагнетизм

Парамагниттік материалдарда жұпталмаған электрондар болады; яғни, атомдық немесе молекулалық орбитальдардың әрқайсысында дәл бір электрон орналасқан. Паулидің тыйым салу принципіне сәйкес, жұпталған электрондардың ішкі ('спин') магниттік моменттері қарама-қарсы бағытталған болуы керек, бұл олардың магниттік өрістерін өшіреді. Ал жұпталмаған электрон өзінің магниттік моментін кез келген бағытта бағыттай алады. Сыртқы магнит өрісі қолданылғанда, бұл магниттік моменттер қолданылған өріс бағытында бағытталуға ұмтылады, осылайша оны күшейтеді.

Ферромагнетизм

Ферромагнит, парамагниттік заттар сияқты, жұпталмаған электрондарға ие. Дегенмен, электрондардың ішкі магниттік моментінің сыртқы өріске параллель болуға бейімділігіне қоса, осы материалдарда энергияны төмендету үшін магниттік моменттердің бір-біріне параллель бағытталуға ұмтылысы да бар. Сондықтан, тіпті сыртқы өріс болмаған жағдайда да, материалдағы электрондардың магниттік моменттері өздігінен бір-біріне параллель тізіледі. Әрбір ферромагниттік заттың өзіне тән температурасы болады, ол Кюри температурасы немесе Кюри нүктесі деп аталады, және осы температурадан жоғары ол ферромагниттік қасиеттерін жоғалтады. Бұл себебі термиялық бұзылуға бейімділік, ферромагниттік реттенуден туындайтын энергияның төмендеуінен басым түседі. Ферромагнетизм тек бірнеше заттарда ғана кездеседі; олардың ішінде темір, никель, кобальт, олардың қорытпалары және сирек кездесетін металдардың кейбір қорытпалары бар.

Магниттік домендер

Атомдардың магниттік моменттері ферромагниттік материалда оларды кішкентай тұрақты магниттердей қылықтануға себеп болады. Олар бірігіп, магниттік домендер немесе Вейс домендері деп аталатын, көбінесе біркелкі бағытталған шағын аймақтарды құрайды. Магниттік домендерді магниттік күш микроскопы арқылы байқауға болады, осылайша суреттегі ақ сызықтарға ұқсас магниттік домен шекараларын көруге болады. Магниттік өрістерді физикалық түрде көрсетуге болатын көптеген ғылыми тәжірибелер бар. Егер доменде тым көп молекула болса, ол тұрақсыз болып, қарама-қарсы бағытта бағытталған екі доменге бөлінеді, осылайша олар бір-біріне сенімдірек жабысады. Магниттік өріс әсер еткенде, домен шекаралары жылжиды, нәтижесінде магниттік өріспен сәйкес домендер өсіп, құрылымға басымдық танытады (суреттегі сары нүктелі аймақ), сол жақта көрсетілгендей. Магниттеу өрісі алынған кезде, домендер магнетизделмеген күйге қайта оралуы мүмкін емес. Бұл ферромагниттік материалдың магниттелуіне алып келеді, осылайша тұрақты магнит пайда болады. Егер материал жеткілікті күшпен магниттелгенде, басым домен басқа барлық домендерді басып өтіп, тек бір доменге айналса, материал магниттік қанығуға жетеді. Магниттелген ферромагниттік материалды Кюри температурасына дейін қыздырғанда, молекулалар соншалық қозғалысқа келеді, магниттік домендер ұйымдасқандығын жоғалтады және олардың тудырған магниттік қасиеттері жойылады. Материал салқындағанда, бұл домендік бағытталу құрылымы өздігінен қайта жаңартылады, бұл сұйықтың кристалдық қатты денеге қалай мұздануына ұқсас.

Антиферромагнетизм

Антиферромагнитте, ферромагниттен өзгеше, көршілес валентті электрондардың ішкі магниттік моменттері қарама-қарсы бағытта теңдесуге бейім. Егер заттағы барлық атомдар осылай орналасса, әрбір көршісі антипараллель болып, зат антиферромагниттік болады. Антиферромагниттерде жалпы магниттік моменті нөлге тең болады, себебі жанындағы қарама-қарсы моменттер бір-бірін жояды, яғни олар магниттік өріс тудырмайды. Антиферромагниттер басқа түрлеріне қарағанда сирек кездеседі және көбінесе төмен температурада байқалады. Температура өзгергенде, антиферромагниттер диамагниттік және ферромагниттік қасиеттерді көрсете алады. Кейбір материалдарда көршілес электрондар қарама-қарсы бағытта бағытталуға ұмтылады, бірақ көршілердің әр жұбы антипараллель орналасқан геометриялық құрылымы болмайды. Бұл бұрышталған антиферромагнит немесе спин мұзы деп аталады және геометриялық кедергінің мысалы болып табылады.

Ферримагнетизм

Ферромагнетизм сияқты, ферромагниттер де сыртқы өріс болмағанда магниттелуін сақтайды. Бірақ, антиферромагниттер сияқты, жақын орналасқан электрон спиндерінің жұптары қарама-қарсы бағыттарға бұрылуға бейім. Бұл екі қасиет бір-біріне қайшы емес, себебі ең тиімді геометриялық орналасуда, бір бағытта бағытталған электронның субторлықтарынан, кері бағыттағы субторлықтан гөрі күшті магниттік момент пайда болады. Көптеген ферриттер ферромагниттік қасиетке ие. Алғаш ашылған магниттік зат, магнетит – феррит болып табылады және бастапқыда ферромагнит деп есептелген; алайда, Луи Нель ферромагнетизмді ашқаннан кейін, бұл дұрыс емес екенін дәлелдеді.

Суперпарамагнетизм

Ферромагнит немесе ферримагнит жеткілікті кішкентай болғанда, ол Браун қозғалысына ұшырайтын жалғыз магниттік спин сияқты қызмет етеді. Оның магниттік өріске жауабы парамагниттің жауабына сапалық тұрғыдан ұқсас, бірақ әлдеқайда күшті.

Нагаока магнитшілігі

Жапон физигі Йосуке Нагаока екі өлшемді тордың әр түйіні бір электронды болатын квадратты магнит түрін ойластырды. Егер белгілі бір жағдайларда бір электрон алынып тасталса, тордың энергиясы барлық электрондардың спиндері параллель болғанда ғана ең төменгі мәнге ие болар еді. Бұл идея молибден диселениді мен вольфрам дисульфидінің моноқабаттарынан құралған үшбұрышты моир торында атомдарды орналастыру арқылы тәжірибе жүзінде іске асырылды. Әлсіз магниттік өріс пен кернеу қолданғанда, тор түйіндерінен 100-150% артық электрон болғанда ферромагниттік қасиеттер байқалды. Артық электрондар кеңістікке таралып, тор электрондарымен жұптасып, дублонды құрады. Егер тор электрондарының спиндері бірізге келмесе, кеңістікке таралу мүмкін болды. Осылайша, дублондар локальді ферромагниттік аймақтарды қалыптастырды. Бұл құбылыс 140 милликельвин температурада жүзеге асты.

Электромагнит

Электромагнит – электр тогы арқылы магниттік өріс тудыратын магнит түрі. Ток тоқтатылғанда магниттік өріс жоғалады. Электромагниттер әдетте магниттік өрісті құрайтын, тығыз оралған көптеген сым орамдарынан тұрады. Сым орамдары көбінесе темір сияқты ферромагниттік немесе ферримагниттік материалдан жасалған магниттік өзекке оралады; магниттік өзек магниттік ағынды шоғырландырып, күшті магнитті жасауға мүмкіндік береді. Электромагниттің тұрақты магнитке қарағандағы басты артықшылығы – магниттік өрісті орамадағы электр тогының мөлшерін реттеу арқылы жылдам өзгертуге болады. Дегенмен, тұрақты магнитке қуат қажет болмаса, электромагнитке магниттік өрісті сақтау үшін үздіксіз ток беру қажет. Электромагниттер моторлар, генераторлар, релелер, соленоидтар, динамиктер, қатты дискілер, МРТ аппаратурасы, ғылыми құралдар және магниттік ажырату жабдықтары сияқты басқа электр құрылғыларының құрамдас бөліктері ретінде кеңінен қолданылады. Электромагниттер сондай-ақ металл сынықтары мен болат сияқты ауыр темір заттарды жинап, жылжыту үшін өнеркәсіпте пайдаланылады. Электромагнетизм 1820 жылы ашылған.

Магнетизм, электр және арнайы салыстырмалылық теориясы

Эйнштейннің арнайы салыстырмалылық теориясының салдарынан электр және магнетизм фундаменталды түрде байланысты. Магнетизм электрсіз де, электр магнетизмсіз де арнайы салыстырмалылық теориясына қайшы келеді, себебі ұзындық қысқаруы, уақыттың өзгеруі және магниттік күштің жылдамдыққа тәуелділігі сияқты әсерлер бар. Дегенмен, электр және магнетизм екеуі де ескерілгенде, нәтижедегі теория (электромагнетизм) арнайы салыстырмалылық теориясымен толық үйлеседі. Атап айтқанда, бір бақылаушыға таза электрлік немесе таза магниттік болып көрінетін құбылыс, екінші бақылаушыға олардың қосындысы ретінде көрінуі мүмкін, немесе жалпы алғанда электр мен магнетизмнің салыстырмалы үлесі координаттық жүйеге байланысты. Осылайша, арнайы салыстырмалылық теориясы электр мен магнетизмді электромагнетизм деп аталатын біртұтас, ажырамас құбылысқа біріктіреді, бұл жалпы салыстырмалылық теориясының кеңістік пен уақытты кеңістік-уақытқа біріктіруімен саяхастас. Электромагнетизмге қатысты барлық байқаулар, негізінен магнетизм деп есептелетін құбылыстарға да қолданылады, мысалы, магнит өрісіндегі өзгерістер міндетті түрде нөлдік емес электр өрісімен бірге жүреді және жарық жылдамдығымен таралады.

Магниттік диполдар

Табиғатта кездесетін магнит өрісінің өте кең таралған көзі – "Оңтүстік полюс" және "Солтүстік полюс" деп аталатын диполь болып табылады. Бұл терминдер магниттерді компас ретінде қолданған кезде пайда болған, олар Жердің магнит өрісімен өзара әрекеттесіп, жер шарындағы солтүстік және оңтүстік бағыттарын көрсетеді. Магниттердің қарама-қарсы полюстері тартылысады, сондықтан магниттің солтүстік полюсі басқа магниттің оңтүстік полюсіне тартылады. Жердің Солтүстік магниттік полюсі (қазіргі уақытта Солтүстік Мұзды мұхитында, Канаданың солтүстігінде орналасқан) физикалық тұрғыдан оңтүстік полюс болып табылады, себебі ол компастың солтүстік полюсін тартады. Магнит өрісі энергияны қамтиды, ал физикалық жүйелер энергиясы төмен болатын жағдайға қарай жылжуға бейім. Диамагниттік материалды магнит өрісіне орналастырғанда, магниттік диполь сол өріске қарама-қарсы бағытта өзін бағдарлайды, соның салдарынан жалпы өріс күші төмендейді. Ферромагниттік материалды магнит өрісіне орналастырғанда, магниттік дипольдер қолданылатын өріс бағытында тізіледі, осылайша магниттік домендердің домен қабырғалары кеңейеді.

Магниттік монополдар

Магнит барсы темір магниттілігін барсы бойына біркелкі таралған электрондардан алады, сондықтан магнит барсын екіге бөлгенде, алынған әрбір бөлік кішірек магнит барсы болады. Магниттің солтүстік және оңтүстік полюстері бар болғанымен, осы екі полюсті бір-бірінен бөліп алу мүмкін емес. Монополь – егер мұндай нәрсе болса – жаңа және түбегейлі түрлендірілген магниттік нысан. Ол оқшауланған солтүстік полюс ретінде әрекет етеді, оңтүстік полюске жалғанбаған, немесе керісінше. Монопольдер электр зарядына ұқсас «магниттік зарядты» алып жүреді. 1931 жылдан бері жүйелі іздеулер жүргізілгеніне қарамастан, 2010 жылға дейін олар ешқашан байқалған жоқ және болуы да мүмкін емес. Дегенмен, кейбір теориялық физика модельдері осы магниттік монопольдердің бар екенін болжайды. Пауль Дирак 1931 жылы электр мен магнетизмнің белгілі бір симметрияны көрсеткенін атап өтті, дәл сол сияқты кванттық теория жеке оң немесе теріс электр зарядтарын қарама-қарсы зарядсыз байқауға болатынын болжағандай, оқшауланған оңтүстік немесе солтүстік магниттік полюстерді байқауға болады. Кванттық теорияны қолдану арқылы Дирак магниттік монопольдердің бар болса, электр зарядының квантталуын түсіндіруге болатынын көрсетті, яғни, неге байқалатын элементарлық бөлшектер электрон зарядының еселігіне тең зарядтарды алып жүреді. Кейбір ғарыштық біріктірілген теориялар монопольдердің бар екенін болжайды, олар элементарлық бөлшектерден айырмашылығы, солитон (шешілген энергия пакеттері) болып табылады. Бұл модельдерді пайдаланудың алғашқы нәтижелері Ұлы жарылыста пайда болған монопольдердің санын бағалау кезінде космологиялық байқаулармен қайшылық тудырды – монопольдер тым көп және тым массивті болғандықтан, олар ғаламның кеңеюін көп бұрын тоқтатқан болар еді. Алайда, инфляция идеясы (осы мәселенің ішінара себебі болған) осы мәселені шешуде сәтті болды, монопольдердің бар, бірақ қазіргі байқаулармен сәйкес келетіндей сирек болатын модельдерді жасады.

Тірі организмдер

Кейбір организмдер магнит өрістерін сезе алады, бұл құбылыс магнитоцепция деп аталады. Тірі организмдердегі кейбір материалдар ферромагниттік, бірақ магниттік қасиеттерінің ерекше қызмет атқаратыны белгісіз, мүмкін темірдің құрамында болуының жағымсыз салдары ғана болар. Мысалы, хитон – теңізде тістерін қаттырақ ету үшін магнит шығаратын моллюск түрі, тіпті адам организмінде де магнит кездеседі. Магнитобиология тірі организмдерге магнит өрістерінің әсерін зерттейді; организмдердің өзіндік табиғи магнит өрістері биомагнетизм деп аталады. Көптеген тірі организмдердің құрамында басым бөлігі су, ал су диамагниттік болғандықтан, өте күшті магнит өрістері оларды тебілеуі мүмкін.