Magnetikas

Magnetikas – medžiaga, kurioje dėl jos vidinės sandaros pakinta ją veikiantis išorinis magnetinis laukas. Išorinio magnetinio lauko pasikeitimas magnetike vadinamas to magnetiko įmagnetėjimu.

Magnetikų magnetinės savybės priklauso nuo jų atominės sandaros. Jų priežastis visiškai paaiškinti galima tik remiantis kvantine mechanika.

Fizikoje įvesti specialūs fizikiniai dydžiai, apibūdinantys magnetines savybes, pagal kurias visi magnetikai skirstomi į diamagnetikus, paramagnetikus ir feromagnetikus.

Magnetines savybes apibūdinantys fizikiniai dydžiai 
Išorinis magnetinis laukas  įsiskverbęs į magnetiko vidų sumuojasi su magnetiko viduje susidariusiu lauku :

kur  yra atstojamasis magnetinis laukas magnetiko viduje.

Savąjį magnetinį lauką  magnetiko viduje kuria molekulinės srovės:

 elektronų sukimasis apie branduolius nekintamomis orbitomis
 elektronų sukimasis apie savo pačių ašis (elektronų sukiniai)
 branduolius sudarančių protonų ir neutronų sukimasis apie savo pačių ašis (sukiniai)

Apie kiekvieną branduolį besisukantį elektroną galima laikyti be galo mažu rėmeliu, kuriuo teka elektros srovė. Tada tokio rėmelio magnetinis momentas

kur  – srovės, atsirandančios dėl elektrono sukimosi stipris, o  – elektrono orbitos ribojamas plotas - vektorius.

Nepaveikto išoriniu lauku magnetiko struktūrinių dalelių magnetiniai momentai orientuoti atsitiktinai (netvarkingai), todėl bendras visų jų kuriamas magnetinis laukas lygus nuliui. Tačiau tokią medžiagą paveikus išoriniu magnetiniu lauku tie magnetiniai momentai orientuosis jo kryptimi ir sukurs vidinį magnetinį lauką (magnetikas įmagnetės).

Įmagnetėjimo didumą apibūdina įmagnetėjimo vektorius :

kur  – magnetiko tūris.

Medžiagų magnetinėms savybėms apibūdinti vartojami tokie dydžiai:

 magnetinis jautris (juta) 

Skirtingus magnetikus veikiant tuo pačiu magnetiniu lauku, jie gali įmagnetėti skirtingai. Vadinasi, jie skiriasi tam tikra savybe, vadinama magnetiniu jautriu (juta). Ši savybė yra proporcingumo koeficientas tarp magnetinio lauko stiprio ir įmagnetėjimo vektoriaus:

 santykinė magnetinė skvarba 

Šis dydis parodo, kiek kartų magnetinis laukas sustiprėja magnetike:

Magnetinis jautris ir santykinė magnetinė skvarba susiję sąryšiu .

Įmagnetėjimo vektorius ir paties magnetiko sukurtas magnetinis laukas susiję sąryšiu . Analogiškai ir išorinis magnetinis laukas (vakuume) užrašomas . Todėl

Magnetikų skirstymas 
Pagal tai, kaip magnetikuose pasikeičia išorinis magnetinis laukas, jie skirstomi į jau minėtus diamagnetikus, paramagnetikus ir feromagnetikus.

Diamagnetikai 
Tai magnetikai, kuriuose magnetinis laukas šiek tiek susilpnėja. Jų 

Šias medžiagas sudarančių struktūrinių dalelių atstojamasis magnetinis momentas nesant išorinio magnetinio lauko lygus nuliui. Veikiamos išorinio magnetinio lauko, diamagnetikų dalelės dėl Larmoro precesijos sukuria apskritiminę srovę, kurios papildoma magnetinė indukcija nukreipta prieš išorinio magnetinio lauko kryptį. Dėl to diamagnetikai silpnina magnetinį lauką.

Paramagnetikai 
Tai magnetikai, kuriuose magnetinis laukas šiek tiek sustiprėja. Jų 

Šias medžiagas sudarančios struktūrinės dalelės turi magnetinį momentą ir nesant išorinio magnetinio lauko. Tačiau jų magnetiniai momentai orientuoti atsitiktinai ir bendras atstojamasis laukas jų kuriamas magnetinis laukas lygus nuliui. Paveikus paramagnetiką išoriniu magnetiniu lauku struktūrinių dalelių magnetiniai momentai išsirikiuoja jo kryptimi ir sukuria stiprinantį vidinį magnetinį lauką.

Paramagnetikų magnetinis jautris priklauso nuo temperatūros pagal Kiuri ir Veiso dėsnį.

Dujinių paramagnetikų magnetinis jautris nuo temperatūros priklauso pagal

o skystų ir dujinių – pagal

Konstantos  ir  priklauso nuo medžiagos.

Feromagnetikai 
Tai magnetikai, kuriuose magnetinis laukas daug kartų sustiprėja. Jų 

Šių medžiagų, kaip ir paramagnetikų, struktūrinės dalelės ir nesant išorinio magnetinio lauko turi magnetinį momentą. Tačiau tam tikrose srityse, vadinamose domenais, tie momentai būna dar ir orientuoti ta pačia kryptimi (dėl to šios sritys dar vadinamos savaiminio įmagnetinimo sritimis). Vadinasi, domeno viduje magnetinių momentų išsidėstymas būna tvarkingas. Tačiau patys domenai būna įvairių dydžių, o skirtingų domenų magnetinių momentų orientacija taip pat skiriasi, dėl to atstojamasis magnetiko magnetinis laukas lygus nuliui. Feromagnetiką paveikus išoriniu magnetiniu lauku domenai orientuojasi jo kryptimi, susijungia į didesnius domenus ir taip susidaro labai stiprus vidinis magnetinis laukas.

Feromagnetiko įmagnetėjimo priklausomybės nuo išorinio magnetinio lauko indukcijos  grafikas vadinamas pradinio įmagnetinimo kreive. Ši priklausomybė netiesinė, be to, išoriniam magnetiniam laukui pasiekus tam tikrą vertę įmagnetėjimas nebekinta – pasiekiama sotis. Taip atsitinka dėl to, kad jo kryptimi būna orientuoti visi domenai ir įmagnetėjimui (vadinasi, ir vidiniam magnetiniam laukui) toliau didėti nebėra iš ko.

Feromagnetikuose susidarančio magnetinio lauko  priklausomybę nuo išorinio lauko  vaizduoja kreivės, vadinamos histerezės kilpomis.

Magnetinant neįmagnetėjusį feromagnetiką jame susidarančio magnetinio lauko  indukcija didėja pagal pradinio įmagnetinimo kreivės lanką P1-P2 (punktyrinė linija). Mažinant išorinio lauko stiprį feromagnetiko viduje kuriamas laukas mažėja tarsi sulėtintai, o išoriniam laukui visai išnykus feromagnetikas lieka įmagnetintas (lankas P2-P3). Tai vadinamasis liktinis įmagnetėjimas.

Norint feromagnetiką išmagnetinti visai, reikia sukurti prieš tai buvusiam išoriniam magnetiniam laukui priešingos krypties lauką. Šiam laukui stiprėjant liktinis įmagnetėjimas toliau mažėja, kol tampa lygus nuliui (lankas P3-P4). Tokios indukcijos laukas vadinamas koerciniu lauku; jis permagnetina apytiksliai pusę visos, prieš tai įmagnetintos priešinga kryptimi, medžiagos. Toliau veikiant feromagnetiką šiuo lauku jis įmagnetėja priešinga kryptimi (įmagnetėjimo vektorius  įgyja priešingą kryptį), kol vėl pasiekiama sotis (lankas P4-P5).

Silpninant išorinį lauką vyks analogiški priešingos krypties procesai (lankas P5-P2).

Permagnetinimo ciklą galima atlikti ir esant silpnesniems laukams – tuomet gaunamos dalinės histerezės kilpos, kurios telpa ribinėje (ribinė histerezės kilpa gaunama, kai neįmagnetintas feromagnetikas magnetinamas iki soties ir tada pradedami procesai, aprašyti prieš tai).

Iš feromagnetikų gaminamos feromagnetinės transformatorių šerdys, jie naudojami magnetiniam laukui ekranuoti, elektromagnetuose, garso kasetėse ir kt.

Feromagnetikų sandaros ypatybės 
Feromagnetinės medžiagos turi nekompensuotų elektronų vidinėse orbitose. Tai yra pagrindinė priežastis, dėl kurios susidaro domenai. Magnetinės jėgos tarp atskirų atomų yra per mažos, kad pajėgtų orientuoti atskirus magnetinius momentus viena kryptimi. Tačiau elektrostatinės jėgos tarp išorinių orbitų elektronų yra daug didesnės (išorinių orbitų elektronai yra žymiai arčiau vienas kito). Jos gali orientuoti gretimų atomų išorinių orbitų ašis lygiagrečiai; tada ir jų magnetiniai laukai pasidaro lygiagretūs, ir gana didelės feromagnetiko sritys savaime įgauna vienodą magnetinio lauko kryptį. Tos sritys ir yra domenai.

Visame medžiagos gabale susidaro ne vienas, o daug įvairios krypties domenų, nes bet kuri sistema stengiasi turėti mažiausią potencinę energiją, o įmagnetėjus visam medžiagos gabalui, atsirastų didelės potencinės energijos išorinis magnetinis laukas. Kadangi domenai savaime išsidėsto taip, kad jų lauko linijos eina ne pro išorinę erdvę, o tik pro gretimus atitinkamos krypties domenus, tai kūnas turės mažiausią potencinę energiją, jei jame bus daug domenų. Be to, feromagnetikai yra kristalinės struktūros arba sudaryti iš atskirų dalelyčių, tarp kurių yra didesni ar mažesni tarpeliai. Vienas domenas negali apimti kelių kristalų ar dalelyčių.

Domenų tūrį taip pat lemia dėsnis, tegiantis, kad bet kokia sistema siekia įgyti mažiausią potencinę energiją. Kuo mažesnis domeno tūris, tuo mažesnė jame kuriamo magnetinio lauko energija; tačiau tuo dažniau pasitaiko, kad gretimų atomų magnetiniai momentai būtų skirtingų krypčių, ir todėl didėja vidutinė tų laukų sąveikos, arba ryšio, energija. Domenų tūris yra toks, kad jų potencinė energija būtų minimali, ir įvairiose medžiagose gali svyruoti nuo 10 iki 10 cm.

Magnetinant feromagnetiką vidutinio dydžio išoriniu magnetiniu lauku, vienu metu vyksta du procesai – didėja domenų tūris ir kinta jų įmagnetėjimo kryptys. Domenus vieną nuo kito skiria apie 40 nm storio pereinamosios sritys – Blocho sienelės, kuriose magnetinio lauko kryptis palaipsniui kinta. Kol išorinis laukas silpnas, medžiagos įmagnetėjimas keičiasi labai nežymiai – augančių domenų Blocho sienelės pasislenka nedaug – tik iki pirmųjų jų kelyje pasitaikančių kliūčių: medžiagos priemaišų dalelyčių, tuštumų ir kristalų formos defektų. Ties tokiomis kliūtimis Blocho sienelės kuriam laikui sustoja. Nustojus medžiagą veikti magnetiniu lauku Blocho sienelės grįžta į pradinę padėtį ir medžiaga išsimagnetina, t. y. procesas grįžtamas.

Lauko stiprumui padidėjus pakankamai kliūčiai nugalėti sienelė ją peršoka ir per labai trumpą laiką (10 s – 10 s) paslenka tam tikrą atstumą. Šuoliškai pakitus kai kurių tūrių įmagnetėjimui, atsiranda sūkurinės elektros srovės, kurių energija, pavirtusi šiluma, išsisklaido. Dabar nustojus feromagnetiką veikti magnetiniu lauku medžiaga lieka įmagnetinta, nes kai kurių domenų Blocho sienelės nebegali grįžti į pradinę padėtį – kliūtims nugalėti reikia priešingos krypties lauko energijos.

Šuoliškas medžiagos įmagnetėjimo didėjimas, iš leto stiprinant lauką, vadinamas Barkhauzeno efektu.

Feromagnetiko kristalai pasižymi magnetine anizotropija, nes jiems įmagnetinti įvairiomis kryptimis reikalingi skirtingi magnetiniai laukai – vienomis didesni, kitomis – mažesni.

Feromagnetikų vidinę sandarą galima pamatyti pro mikroskopą, pabarsčius lygiai nušlifuotą feromagnetiką smulkiais geležies milteliais. Geležies milteliai susirenka ties Blocho sienelėmis.

Magnetizmas