Magneettinen herkkyys

Magneettinen alttius tai (v. Latinalaisen susceptibilitas " kyky ottaa haltuunsa") on dimensioton fysikaalinen suure , joka ilmaisee magnetizability aineen ulkoisen magneettikentän . Yksinkertaisimmassa tapauksessa kyseessä olevalle aineelle on ominaista suhteellisuusvakio , nimittäin magnetoitumisen suhde magneettikentän voimakkuuteen . Muissa tapauksissa se voi riippua eri kooista, esim. B. sijainnista, magneettikentän taajuuksista ja edellisestä magnetoinnista. Niiden mahdolliset arvot vaihtelevat −1: stä melkein äärettömiin, negatiiviset arvot osoittavat magnetoitumista ulkoista magneettikenttää vastaan ​​( diamagnetismi ). ${\ displaystyle \ chi}$${\ displaystyle \ chi _ {m}}$

Magneettinen herkkyys liittyy läheisesti magneettiseen läpäisevyyteen .

Polarisaation ja sähkökentän vertailukelpoinen suhde on kuvattu (di) sähköisellä herkkyydellä .

määritelmä

Yleisin muoto, magneettiset tilavuus alttius (tai jossa m on "magneettikentän", myös jossa V for "tilavuus" on kreikkalainen kirjain Chi ), kuvataan yksinkertaisimmillaan vakio välisen suhteellisuuden magnetoinnin ja magneettikentän voimakkuus : ${\ displaystyle \ chi}$${\ displaystyle \ chi _ {m}}$${\ displaystyle \ chi _ {V}}$${\ displaystyle \ chi}$ ${\ displaystyle {\ vec {M}}}$ ${\ displaystyle {\ vec {H}}}$

${\ displaystyle {\ vec {M}} = \ chi {\ vec {H}}}$

Tämä määritelmä on oikea vain, jos magneettikentän voimakkuudella ja magnetisaatiolla on yksinkertainen lineaarinen suhde.

Yleisemmin magneettinen herkkyys voidaan määritellä johdannaisena:

${\ displaystyle \ chi _ {ij} = {\ frac {\ osittainen M_ {i}} {\ osittainen H_ {j}}},}$

siten magnetoitumisen muutoksena magneettikentän voimakkuuden muuttuessa. Indeksit merkitsevät komponentit avaruudellinen suuntautuminen ( in suorakulmaisessa koordinaatistossa) ja vastaaviin kenttiin. Tässä muodossa herkkyys on vetomäärä ja siinä otetaan huomioon, että magnetoituminen ja magneettikenttä voivat osoittaa eri suuntiin ( magneettinen anisotropia ). ${\ displaystyle i, j}$${\ displaystyle x, y, z}$

Suhde toisiinsa liittyviin määriin

Molaarinen ja massaherkkyys

Magneettiselle herkkyydelle käytetään kahta muuta mittausta:

• magneettinen massa alttius (myös tai , lyhennys olisi vältettävä) on m ³ · kg ^-1 merkitsee alttius kautta tiheys${\ displaystyle \ chi _ {\ text {mass}}}$${\ displaystyle \ chi _ {g}}$${\ displaystyle \ chi _ {\ rho}}$${\ displaystyle \ chi _ {m}}$ ${\ displaystyle \ rho:}$

${\ displaystyle \ chi _ {\ text {mass}} = {\ frac {\ chi} {\ rho}} = \ chi \ cdot {\ frac {V} {m}}}$

jossa massa ja tilavuus .${\ displaystyle m}$ ${\ displaystyle V}$

• molaarinen magneettinen alttius m ³ · mol ^-1 erottaa käytön molekyylipaino tai molaarinen määrä :${\ displaystyle \ chi _ {\ text {mol}}}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle V _ {\ mathrm {m}}}$

${\ displaystyle \ chi _ {\ text {mol}} = M \ cdot \ chi _ {\ text {mass}} = M \ cdot {\ frac {\ chi} {\ rho}} = \ chi \ cdot {\ frac {m} {n}} \ cdot {\ frac {V} {m}} = \ chi \ cdot {\ frac {V} {n}} = \ chi \ cdot V _ {\ mathrm {m}}}$

aineen määrän kanssa .${\ displaystyle n}$

Magneettinen läpäisevyys

Jatkuva magneettinen herkkyys liittyy yksinkertaisesti suhteelliseen magneettiseen permeabiliteettiin :

${\ displaystyle \ chi = \ mu _ {r} -1}$

Tämä johtuu riippuvuutta magneettivuon tiheys  on magnetoinnin ja magneettikentän voimakkuus : ${\ displaystyle B}$ ${\ displaystyle M}$ ${\ displaystyle H}$

${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ cdot (H + M) = \ mu _ {0} \ cdot (1+ \ chi) \ cdot H = \ mu _ {0} \ cdot \ mu _ {r } \ cdot H}$

jossa magneettikentän vakiona . ${\ displaystyle \ mu _ {0}}$

Muunnos SI- ja CGS-yksiköiden välillä

Kaikki yllä olevat määritelmät viittaavat EU: ssa ja Sveitsissä määrättyyn kansainväliseen yksikköjärjestelmään  (SI). Koska permeabiliteettivakio tyhjiö on määritelty eri on Gaussin CGS järjestelmä, muuntokerroin on 4π:

${\ displaystyle \ chi ^ {\ text {Gauss}} = {\ frac {1} {4 \ pi}} \ cdot \ chi ^ {\ text {SI}}}$

Vanhempia taulukkearvoja käytettäessä on siksi kiinnitettävä huomiota käytettyihin yksikköjärjestelmiin. Esimerkiksi veden herkkyys 20 ° C: ssa on Gaussin järjestelmässä, mikä vastaa SI- arvoa . ${\ displaystyle -7 {,} 19 \ cdot 10 ^ {- 7}}$${\ displaystyle -9 {,} 04 \ cdot 10 ^ {- 6}}$

Magneettisten materiaalien luokitus

Jatkuva magneettinen herkkyys / ei magneettista järjestystä

Kaikki aineet reagoivat magneettikenttiin tietyssä määrin. Yksinkertaisimmassa tapauksessa jatkuvasta magneettisesta herkkyydestä erotetaan kaksi vaikutusta, jotka esiintyvät jokaisessa aggregaattitilassa . Koska ne ovat yleensä hyvin heikkoja, monet näistä aineista esitetään myös "ei-magneettisina".

Paramagnetismi (χ> 0)

Paramagneettisilla materiaaleilla on pysyviä magneettisia dipoleja, jotka jakautuvat kaikkiin spatiaalisiin suuntiin ilman ulkoista magneettikenttää lämpöliikkeen vuoksi, niin että keskimääräinen magnetisaatio on nolla. Ulkoisessa magneettikentässä atomiset magneettimomentit kohdistuvat yhdensuuntaisesti ulkoisen kentän kanssa ja vahvistavat siten aineen magneettikenttää. Magnetisaatio on siis positiivinen ja samoin herkkyys. Epähomogeenisessa magneettikentässä paramagneettinen kappale vedetään suuren kentänvoimakkuuden alueelle. Herkkyyden lämpötilariippuvuus määräytyy Curies-lain mukaan . Paramagnetismi voi olla myös muita syitä, esimerkiksi johtavuuselektronit peräisin metalleja tehdä lämpötila-riippumaton osuus ( Pauli paramagnetismi ). Esimerkkejä paramagneettisista aineista: alumiini , natrium , a- mangaani , happi O ₂ .

Diamagnetismi (χ <0)

Diamagneettiset aineet pyrkivät syrjäyttämään magneettikentän sisältä. Heillä ei ole pysyvää magneettista dipolimomenttia . Magneettikentässä indusoidaan kuitenkin dipoleja, jotka ovat vastakkaisia ​​ulkokentän kanssa, niin että materiaalin sisällä syntyvä kenttä on pienempi kuin ulkopuolella. Koska magnetointi on asetettu ulkoisen magneettikentän suuntaan nähden, herkkyys on negatiivinen. Epähomogeenisessa magneettikentässä diamagneettinen kappale työnnetään pois suuren kentänvoimakkuuden alueelta. Diamagneettiset vaikutukset ovat yleensä lämpötilasta riippumattomia ja johtuvat Lenzin säännön periaatteesta . Siksi niitä on läsnä kaikissa materiaaleissa, vaikka ne eivät yleensä olekaan hallitsevia. Esimerkkejä diamagneettisista aineista: vety H ₂ , jalokaasut , typpi N ₂ , kupari , lyijy , vesi .

Suprajohteet edustavat erityistapausta, ja ne käyttäytyvät ihanteellisina diamagneeteina jatkuvassa magneettikentässä . Tätä vaikutusta kutsutaan Meißner-Ochsenfeld-efektiksi ja se on tärkeä osa suprajohtavuutta. ${\ displaystyle \ chi = -1}$

Muuttuva magneettinen herkkyys / magneettijärjestyksellä

Kiinteät aineet, joilla on magneettinen järjestys, reagoivat erittäin voimakkaasti magneettikenttiin. Heidän magneettinen herkkyytensä osoittaa monimutkaista käyttäytymistä. Kynnyslämpötilan yläpuolella se käyttäytyy paramagneettisesti, sen alapuolella riippuu muista tekijöistä:

Ferromagneetti

Ferromagneetit kohdistavat magneettimomentinsa yhdensuuntaisesti ulkoisen magneettikentän kanssa, mutta tekevät sen voimakkaasti vahvistavalla tavalla. Ferromagneetti on usein mahdollista magnetoida kokonaan siten, että herkkyys osoittaa kyllästysvaikutuksen . Saturaatio riippuu myös edellisestä magnetoinnista; heillä sanotaan olevan muisti. Käyttäytymistä kuvaa hystereesisilmukka . Esimerkkejä ferromagneeteista ovat a- rauta , koboltti , nikkeli .

Ferrimagneetti

Kuten ferromagneettien kohdalla, ferrimagneettien herkkyys riippuu edellisestä magnetoinnista. Syy heidän magneettiseen käyttäytymisensä on eri kokoisten magneettisten momenttien rinnakkain suuntaus kristallissa. Ferrimagneettisen aineen kidehila voidaan kuvata kahdella toisiinsa sijoitetulla alalevyllä. Ilman ulkoista magneettikenttää alalattojen magneettimomentit ovat täsmälleen vastakkaisia; mutta niillä on erilainen määrä, joten ilman sovellettua kenttää tapahtuu spontaani magnetointi. Magnetisointikäyrä on samanlainen kuin ferromagneettien, mutta huomattavasti matalammalla kyllästysmagnetisaatiolla. Esimerkki ferrimagneettisesta materiaalista on magnetiitti (Fe ₃ O ₄ ).

Antiferromagnetismi

Antiferromagneetit ovat magneettisesti anisotrooppisia ; Toisin sanoen niiden herkkyys riippuu kiinteän aineen orientaatiosta magneettikentässä. Jos ulkoinen magneettikenttä on samalla tasolla kuin perusmagneettiset momentit , herkkyyden ja lämpötilan suhde on suunnilleen lineaarinen. Jos magneettikenttä on kohtisuorassa kyseiseen tasoon nähden, herkkyys on suunnilleen riippumaton lämpötilasta. Antiferromagneettisen aineen kidehila voidaan kuvata kahdella toisiinsa sijoitetulla alalevyllä. Ilman ulkoista magneettikenttää alalattojen magneettimomentit ovat täsmälleen vastakkaisia; mutta niillä on sama määrä, niin että magnetointi katoaa ilman sovellettua kenttää. Lämpötilariippuvuus kuvataan Néelin lämpötilalla . Esimerkkejä antiferromagneeteista: Metallit, joissa on sisäänrakennettu paramagneettisia ioneja, kuten MnO tai MnF ₂ .

käyttää

Ferromagneettisia ja ferromagneettisia materiaaleja voidaan käyttää pysyvinä magneeteina, jos niiden jäännösmagnetoituminen on suuri sen jälkeen, kun ulkoinen magneettikenttä on kytketty pois päältä . Pehmeät magneettiset materiaalit puolestaan ​​voidaan magnetisoida (uudelleen) erittäin helposti, ja siksi niitä käytetään esimerkiksi generaattoreihin ja muuntajiin .

Laskeminen käyttäen Gouyn saldoa

Sillä Gouy tasapainoa nähdä magnetochemistry .

Kahden voiman muutokset voidaan mitata Gouyn tasapainolla:

• Muutoksen vakavuus , joka vaikuttaa asteikot on tuote, massan muutos ja painovoimasta johtuva kiihtyvyys :

${\ displaystyle \ Delta F_ {g} = \ Delta m \ cdot g}$

• Tuomalla para tai diamagneettisesta aine magneettikentässä  , The kenttä piirretään yhteen tai levitä. Tämä muuttaa voimaa (ennen ilmaa: materiaalin jälkeen :) :${\ displaystyle H}$${\ displaystyle \ chi _ {1} \ noin 0,}$${\ displaystyle \ chi _ {2} \ neq 0}$

${\ displaystyle {\ begin {tasattu} \ Delta F_ {z} & = - {\ frac {1} {2}} \ cdot (\ chi _ {2} - \ chi _ {1}) \ cdot \ mu \ cdot H ^ {2} \ cdot A \\ & \ approx - {\ frac {1} {2}} \ cdot \ chi _ {2} \ cdot \ mu \ cdot H ^ {2} \ cdot A \ end { tasattu}}}$

tutkittavan aineen alueen kanssa  , johon magneettikenttä on tunkeutunut.${\ displaystyle A}$

(Tilavuus) -herkkyys voidaan määrittää asteikon tasapainosta : ${\ displaystyle \ Delta F_ {g} = \ Delta F_ {z}}$

${\ displaystyle \ chi = -2 \ cdot {\ frac {\ Delta m \ cdot g} {\ mu \ cdot H ^ {2} \ cdot A}}}$

Suhteesta

${\ displaystyle B = \ mu _ {0} \ cdot (1+ \ chi) \ cdot H = \ mu \ cdot H}$

magneettikentän, magnetoiva kenttä , että alipaine ( ) voidaan määrittää. Esimerkiksi neodyymimagneetille, jolla on magneettivuon tiheys  T , magneettikentän voimakkuus on suoraan navan pinnalla . ${\ displaystyle H = B / \ mu _ {0}}$${\ displaystyle \ chi = 0}$${\ displaystyle B = 0 {,} 29}$ ${\ displaystyle H = 231 \; \ mathrm {A / m}}$

Magnetointikenttä, kuten magneettikenttä, riippuu sijainnista ja etäisyydestä johtimesta tai magneetista , jonka läpi virta kulkee, ja se voidaan määrittää tarkasti pyöreällä integraalilaskennalla .

Joidenkin materiaalien magneettinen herkkyys

materiaalia	${\ displaystyle \ chi}$	${\ displaystyle \ chi _ {\ mathrm {mol}}}$	${\ displaystyle \ chi _ {\ mathrm {mass}}}$
tyhjiö	0	0	0
helium		-0.0238e-9 m 3 mol −1	-5.93e-9 m 3 kg −1
ksenoni		-0.57e-9 m 3 mol −1	-Neljäs.35e-9 m 3 kg −1
happi		43e-9 m 3 mol −1	2 690e-9 m 3 kg −1
vettä	-9.035e-6.	-0.163e-9 m 3 mol −1	-9.05e-9 m 3 kg −1
timantti-	-20. päiväe-6.	-0.069e-9 m 3 mol −1	-5.8.e-9 m 3 kg −1
Grafiitti (pystysuora)	-45e-6.	-2.Neljäse-9 m 3 mol −1	-200e-9 m 3 kg −1
Grafiitti (rinnakkainen)	-85e-6.	-0.45e-9 m 3 mol −1	-38e-9 m 3 kg −1
alumiini	21e-6.	0.22. päiväe-9 m 3 mol −1	Seitsemäs.9e-9 m 3 kg −1
hopea	-24e-6.	-0.238e-9 m 3 mol −1	-2.20. päiväe-9 m 3 kg −1
Vismutti	-166e-6.	-3.55e-9 m 3 mol −1	-17. päivä.0e-9 m 3 kg −1

Herkkyys riippuu vain vähän lämpötilasta, mutta usein voimakkaasti fysikaalisesta tilasta, kidejärjestelmästä ja kidehilan suunnasta. Suuri anisotropia voidaan havaita esimerkiksi pyrolyyttisesti kerrostuneella grafiitilla

Katso myös

• Herkkyyspainotettu kuvantaminen
• Sallivuus
• Magneettiset vaa'at

nettilinkit

• Hakemisto hakuteoksista ja molaaristen magneettisten herkkyyksien tietokannoista
• Hakemisto hakuteoksista ja tietokannoista, joissa on massaherkkyys (erityiset magneettiset herkkyydet)

Yksittäiset todisteet

1. ^ ^{B c} R. E. Glick: On Diamagneettiset herkkyys Kaasut . Julkaisussa: J. Phys. Chem . 65, nro 9, 1961, s. 1552-1555. doi : 10.1021 / j100905a020 .
2. ↑ GP Arrighini, M.Maestro, R.Moccia: Polyatomisten molekyylien magneettiset ominaisuudet: H ₂ O: n, NH _{3: n} , CH _{4: n} , H ₂ O ₂ : n magneettinen herkkyys . Julkaisussa: J. Chem. Phys . 49, 1968, s. 882-889. doi : 10.1063 / 1.1670155 .
3. ↑ J.Heremans, CH Olk, DT Morelli: Hiilirakenteiden magneettinen herkkyys . Julkaisussa: Phys. Rev. B . 49, nro 21, 1994, s. 15122-15125. doi : 10.1103 / PhysRevB.49.15122 .
4. B ^{a b} MD Simon, AK Geim: Diamagneettinen levitaatio: Lentävät sammakot ja kelluvat magneetit. Julkaisussa: Journal of Applied Physics , 87, 2000, s. 6200-6204, doi: 10.1063 / 1.372654 .
5. ↑ ^b CRC Handbook of Chemistry and Physics. Chemical Rubber Publishing Company, Boca Raton 1990, ISBN 0-8493-0471-7 , sivut E-129 - E-145.
6. ↑ CL-kalvot: Kommentit hopean magneettisesta herkkyydestä . Julkaisussa: Phys. Rev. B . 13, nro 12, 1976, sivut 5606-5609. doi : 10.1103 / PhysRevB.13.5606 .
7. ↑ S. Otake, M. Momiuchi, N. Matsuno: Vismutin magneettisen herkkyyden lämpötilariippuvuus . Julkaisussa: J. Phys. Soc. Jap . 49, nro 5, 1980, s. 1824-1828. doi : 10.1143 / JPSJ.49.1824 .
   Tensor keskiarvo täytyy kaikkien avaruussuunnassa: .${\ displaystyle \ chi = (1/3) \ chi _ {||} + (2/3) \ chi _ {\ perp}}$