Magnetismus

Aktuální verze stránky ještě nebyla zkontrolována zkušenými přispěvateli a může se výrazně lišit od verze recenzované 17. prosince 2021; kontroly vyžadují 11 úprav .

Magnetismus je forma vzájemného ovlivňování pohybujících se elektrických nábojů na dálku prostřednictvím magnetického pole . Magnetismus je spolu s elektřinou jedním z projevů elektromagnetické interakce . Z hlediska kvantové teorie pole je elektromagnetická interakce nesena bosonem - fotonem (částice, kterou lze znázornit jako kvantovou excitaci elektromagnetického pole ).

Historie

Starověk

Čína

Existují různé zprávy o první zmínce o magnetech, obvykle zvažovaných v historii starověkého světa v kontextu kompasu nebo náboženských kultů. Podle jednoho odhadu byla magnetit nebo magnetická železná ruda poprvé objevena v Číně 4000 let před naším letopočtem. E. Zároveň je třeba poznamenat, že západní badatelé mají tendenci upřednostňovat objev magnetismu starověkými Řeky [1] . První zmínka v análech o použití magnetických materiálů pochází ze třetího tisíciletí před naším letopočtem. e., když legendární čínský císař Huangdi použil během bitvy kompas [2] . Podle jiné verze však používal tzv. vozy směřující na jih [3] [Comm 1] . Čínští mořeplavci konce druhého tisíciletí před naším letopočtem. E. používal kompas pro námořní navigaci . [4] [5] Obecně se doba jeho vynálezu odhaduje mezi roky 2637 a 1100 před naším letopočtem. E. [6] [Comm 2] Lžícovité kružítko na hladkém povrchu ( čínsky 指南针, zhǐ nán zhēn [7] - jižně orientovaná lžíce) se používalo v dynastii Han ( 3. století př. n. l. ) k věštění [8] . Podle jiné verze byla první zmínka o magnetu a magnetickém kompasu učiněna až ve 4. století před naším letopočtem. E. v Knize vlastníka Údolí ďábla a samotný kompas už tehdy vypadal, jako by se používal o století později ve feng shui [9] [10] . Přitahování železa magnetem bylo vysvětleno z hlediska projevu vyšších sil [11] :

Pokud si myslíte, že stejně jako magnetická železná ruda může přitahovat železo, můžete ji také přimět k přitahování kusů keramiky, pak jste na omylu... Magnetická železná ruda může přitahovat železo, ale neinteraguje s mědí. Toto je pohyb Tao .

Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] Pokud si myslíte, že magnetovec může přitahovat železo, můžete ho přitahovat i kusy keramiky, mýlíte se… Magnetický kámen může přitahovat železo, ale nemá žádný vliv na měď. Takový je pohyb Tao [Dao]. — Huainanzi

Jakov Perelman v „Zábavné fyzice“ poznamenal, že čínský název pro magnet tsy-shi ( čínsky 磁石[12] ) se překládá jako „milující kámen“ pro přitažlivost železa, podobně jako vztah mezi matkou a dítětem [13] . Podobné analogie vlivu magnetu na železo však najdeme i v jiných jazycích [3] .

Indie

Plinius starší ve svém díle Naturalis Historia zmínil horu poblíž řeky Indus ( lat. Indus ), která přitahovala železo. Indický lékař Sushruta , který žil v VI století před naším letopočtem. E. používané magnety pro chirurgické účely. [14] Původ indického kompasu není s jistotou znám, ale byl zmíněn již v 6. století našeho letopočtu v některých tamilských knihách o námořní navigaci pod názvem „rybí motor“ ( Skt. maccha-yantra ). Vojenská příručka z roku 1044 popisovala podobný kompas v podobě ryby s hlavou vyrobenou z magnetizovaného železa, umístěnou k plavání v misce. [1] [15]

Řecko

Magnetit byl dobře známý již starým Řekům . Titus Lucretius Car ve své eseji „ O povaze věcí “ ( lat. De rerum natura , 1. století př. n. l. ) napsal, že kámen, který přitahuje železo, byl v Řecku nazýván magnetem podle provincie Magnesia v Thesálii . Podle Plinia staršího pochází slovo „magnet“ ze jména pastýře Magnes [16]

jehož nehty na botách a špička jeho hole byly magneticky přitahovány, když vedl své stádo na pastvu.

Původní text (anglicky)[ zobrazitskrýt] hřebíky jeho bot a špička jeho hole se pevně zasekly v magnetickém poli, zatímco pásl svá stáda. - Gilbert W. De Magnete / Gilbert Club, Londýn, 1900. - přel., ed. - New York: Basic Books, 1958. - P. s.

Dalším řeckým názvem magnetu je „Herkulův kámen“ [17] .

První řecké písemné zmínky o magnetitu pocházejí z 8. století před naším letopočtem. E. [18] Thales of Miletus ( VII - VI století BC ) byl první, kdo si všiml, že to přitahuje železo [19] . Různé filozofické školy vysvětlovaly jeho neobvyklé vlastnosti po svém. Thales a Anaxagoras věřili, že magnetit má duši přitahovanou k železu. [20] [21] Současník Anaxagora Diogenes z Apollonie věřil, že železo má určitou "vlhkost" a magnet ji pohlcuje. [21] Podle jiných teorií magnety emitovaly nějaké páry, což vedlo k pozorovaným výsledkům. Empedokles z Acragastu věřil, že magnetická interakce je mechanické povahy a pro její projev je nezbytný přímý kontakt mezi magnetem a železem. [22] Účinek vzhledu přitažlivé síly v železných prstencích přitahovaných k magnetu zaznamenal Sokrates . [23] O čtyři století později Lucretius Carus jako první poznamenal, že magnetické materiály se mohou navzájem odpuzovat. [21]

Středověk a doba objevů

Během středověku prakticky chybělo hromadění nových znalostí a teorií o povaze magnetismu. Pouze mniši vyjadřovali nějaké teologické předpoklady. [24] Ale v lidovém umění různých zemí (nejen evropských, ale i arabských: viz " Tisíc a jedna noc ") se někdy zmiňovaly magnetické hory nebo ostrovy, schopné přitahovat všechny kovové předměty kolem. [20] [3]

Podle jedné z evropských legend vynalezl chudý klenotník Flavio Gioia magnetický kompas , aby se oženil s dcerou bohatého rybáře Domenica. Otec si takového zetě pro sebe nepřál a dal si podmínku, že se v noci v mlze naučí plavat po přímce. Vynalézavý klenotník si všiml, že korek s magnetickým kamenem položený v kelímku s vodou se vždy orientuje jedním směrem a podařilo se mu splnit nelehký úkol. Ve skutečnosti byl „klenotníkem“ papežský sekretář Flavio Biondo , který v roce 1450 popsal znalosti obyvatel Amalfi o kompasu [3] .

Poprvé v Evropě se o kompasu zmiňuje v roce 1187 Angličan Alexander Neckam ve svých dílech De utensilibus a De naturis rerum [20] .

Vývoj magnetismu jako vědy

Úhel, pod kterým se magnetická střelka odchyluje od severojižního směru, se nazývá magnetická deklinace . Kryštof Kolumbus zjistil, že magnetická deklinace závisí na zeměpisných souřadnicích, což bylo impulsem pro studium této nové vlastnosti magnetického pole Země.

Jeden z prvních experimentů s magnety provedl jezuita Leonardo Garzoni (byl bubákem) již v 16. století. Téměř všechny informace o magnetech nashromážděné začátkem 17. století byly shrnuty v roce 1589 v knize Natural Magic od Giambattisty della Porta a v roce 1600 od Williama Gilberta ve svém díle Lat. De Magnete . Tito vědci připisovali magnetickým silám duchovní původ. Ruský vědec M. V. Lomonosov v roce 1759 ve své zprávě „Rozprava o velké přesnosti námořní cesty“ poskytl cenné rady, jak zvýšit přesnost čtení kompasu. Pro studium zemského magnetismu doporučil M. V. Lomonosov zorganizovat síť stálých bodů (observatoří), v nichž by bylo možné provádět systematická magnetická pozorování; taková pozorování by měla být široce prováděna také na moři. Lomonosovova myšlenka organizovat magnetické observatoře byla realizována až o 60 let později v Rusku. První podrobnou materialistickou teorii magnetismu vytvořil R. Descartes . Teorii magnetismu rozvinuli také F. W. T. Epinus , S. Coulomb , který v roce 1788 zobecnil Coulombův zákon na případ interakce bodových pólů magnetu, A. Burgmans , který je vlastníkem objevu přitažlivosti a odpuzování slabě magnetických látek. (nazvaný M. Faradayem v roce 1845 dia - a paramagnety), a další vědci.

Jedním z nejdůležitějších mezníků v historii fyziky magnetických jevů bylo v roce 1820 provedení Oerstedova experimentu s magnetickou jehlou, který ve skutečnosti přiměl vědce k vytvoření jednotné teorie elektromagnetických interakcí. V témže roce A. M. Ampere navrhl hypotézu molekulárních proudů, která konkurovala hypotéze elementárních magnetů - magnetických dipólů , kterou podrobně rozvinul V. E. Weber a později J. A. Ewing . V roce 1831 anglický polární badatel John Ross objevil magnetický pól na kanadském souostroví - oblast, kde magnetická jehla zaujímá vertikální polohu, to znamená, že sklon je 90 °. V roce 1841 dosáhl James Ross (synovec Johna Rosse) druhého magnetického pólu Země, který se nachází v Antarktidě.

V roce 1831 M. Faraday objevil zákon elektromagnetické indukce a poprvé vytvořil termín „ magnetické pole “. V roce 1834 ruský akademik E. Kh. Lenz stanovil pravidlo o směru indukčního proudu a s ním spojeném magnetickém poli. V roce 1873 byl počátek moderní elektrodynamiky položen vydáním Pojednání J. K. Maxwella o elektřině a magnetismu a experimentálním objevem elektromagnetických vln předpovězených v tomto pojednání v roce 1888 G. R. Hertzem . Interakcí elektromagnetického pole s hmotou se zabýval H. A. Lorentz , který vytvořil elektronovou teorii magnetických vlastností a v jejím rámci vysvětlil Zeemanův jev objevený v roce 1896 .

V roce 1905 P. Langevin na základě Larmorovy věty a elektronové teorie Lorentze vypracoval klasický výklad teorie dia- a paramagnetismu.

Kvantitativní charakteristiky

Hlavní výkonovou charakteristikou magnetického pole je vektor magnetické indukce . V médiu je také zaveden vektor síly magnetického pole .

V tabulce níže jsou uvedeny rozměry a jednotky měření magnetických veličin souvisejících se soustavou SI [25] [26] . Sloupec s označeními může obsahovat několik možností, pokud jsou v literatuře zcela běžné. Používá se následující zápis:

c je rychlost světla
M - jednotka hmotnosti
L - jednotka délky
T - jednotka času
I - jednotka síly proudu

Hodnota	Označení	Dimenze	SI	Gaussovy cgs	SGSM	SGSE
Magnetický dipólový moment	p , m , μ	IL 2	1 A m 2 _	103 erg / G _	10 3 Bi cm 2 _	10 5 s Fr cm 2 _
Indukce magnetického pole	B	MT -2 I -1	1 T	10 4 Gs	10 4 Gs	100/c SGSE
Síla magnetického pole	H	IL- 1	1 A m −1 _	4π⋅10 -3 Oe	4π⋅10 -3 Oe	4πc⋅10-1 CGSE _
Magnetizace	M , J	IL- 1	1 A m −1 _	10 −3 Oe	4π⋅10 -3 Oe	4πc⋅10-1 CGSE _
Magnetická citlivost	χ	jeden	jeden	4π	4π	4π
Magnetická permeabilita (rozměrová, ) ${\mathbf B}=\mu {\mathbf H}$	μ	MLT -2 I -2	1 H m −1 _	10 7 /4π Gs / Oe	10 7 /4π Gs / Oe	1000/4πc 2 CGSE
magnetický tok	Φ	ML 2 T -2 I -1	1 Wb	10 8 ms 2	10 8 ms	1/10 c SGSE
vektorový potenciál	A	MLT -2 I -1	1 Wb m −1 _	10 6 G cm _	10 6 μs cm −1 _	1/ c⋅104 CGSE
Indukčnost	L	ML 2 T -2 I -2	1 Gn	10 9 abhenry	10 9 abhenry	105 / s2 CGSE _
Magnetomotorická síla	F	já	1 A	4π⋅10 -3 GB	4π⋅10 -3 GB	4πc⋅10 9 CGSE

Základní rovnice a zákony

Moderní teorie magnetismu je založena na následujících základních rovnicích a zákonech:

Magnetické jevy v hmotných médiích

Permanentní magnetické pole v látkách

Mikroskopické rovnice

Na mikroskopické úrovni jsou elektromagnetická pole dána Lorentzovými-Maxwellovými rovnicemi (tzv. mikroskopické rovnice). Magnetické pole s mikroskopickou silou h je popsáno systémem dvou rovnic ( GHS ):

\operatorname {div} \mathbf {h} =0,\quad \operatorname {rot} \mathbf {h} ={\frac {1}{c}}{\frac {\partial \mathbf {e} }{\částečné t}}+{\frac {4\pi }{c}}\rho \mathbf {v} ,

kde e je mikroskopická síla elektrického pole a součin hustoty elektrických nábojů a jejich rychlosti odpovídá hustotě proudu. Mikroskopická pole jsou pravdivá, tj. excitovaná pohybem elementárních nábojů v atomech a silně závisí na souřadnicích. Zde je proud spojen s orbitálním a spinovým pohybem uvnitř atomů (molekulární proudy, jejichž koncept navrhl Ampère [27] ). K přechodu na makroskopické rovnice dochází zprůměrováním Lorentz-Maxwellových rovnic. V tomto případě se průměrná síla mikroskopického magnetického pole nazývá magnetická indukce [28] [29] [Comm 3] : $\rho {\mathbf v}$

\overline {{\mathbf h}}={\mathbf B}.

Magnetizační proudy a elementární magnetické momenty

Objemově zprůměrované molekulární proudy se nazývají magnetizační proudy. Když neexistuje žádné vnější pole, magnetizační proudy jsou v průměru rovné nule a účinek vnějšího magnetického pole na látku je spojen s jejich vzhledem. Pokud by byly známy, pak by k výpočtu polí stačily Maxwellovy rovnice pro vakuum. Molekulární proudy lze interpretovat jako kruhové proudy cirkulující v atomech nebo molekulách hmoty. [třicet]

Každý molekulární proudový obvod s hustotou j m může být spojen s magnetickým momentem p . To nám umožňuje považovat nemagnetizovanou látku za takovou, kde jsou všechny magnetické momenty jednotlivých atomů nasměrovány náhodně a ve vnějším magnetickém poli jsou určitým způsobem orientovány, čímž dochází ke změně magnetického pole. [31]

Správnou interpretaci magnetismu může ve skutečnosti poskytnout pouze kvantově mechanická úvaha, protože existence elementárních magnetických dipólů je spojena s kvantovanou orbitální hybností a spinem elektronů, a nikoli s klasickými proudy, které by rychle zanikly např. magnetická dielektrika . Elektron se spinem lze charakterizovat magnetickým momentem s amplitudou $S=\pm 1/2$

\mu =g\mu _{B}S,

kde g je Landeův multiplikátor , [Comm 4] a je Bohrův magneton . V praxi lze měřit pouze jednu ze tří složek vektoru magnetického momentu (například průmět na osu z ). Pokud je S celkový spin orbitalu izolovaného atomu, pak projekce magnetického momentu nabývá hodnot [32] $\mu _{B}$

\mu _{z}=g\mu _{B}S_{z},\quad S_{z}=-S,-S+1,\ldots ,0,\ldots ,S-1,S.

Atom s celkovým mechanickým momentem J má magnetický moment s amplitudou

{\mathbf \mu }_{J}=g_{J}\mu _{B}J,

kde Landeův faktor může být komplexní funkcí orbitálních kvantových čísel elektronů atomu [33] . Uspořádání spinových a orbitálních momentů atomů umožňuje pozorovat para- a feromagnetismus. Příspěvek k magnetickým vlastnostem látek pochází z elektronů částečně naplněných atomových obalů. Navíc u kovů může být důležité vzít v úvahu vodivost elektronů s-skořápek, jejichž magnetický moment je delokalizován. [34] $g_{J}$

Použitelnost makroskopického popisu

Vzhledem k tomu, že se jedná o kvantové charakteristiky, komponenty spinového operátoru spolu nekomutují . Pokud si však představíme průměrný spinový operátor

{\hat S}_{{{\mathrm {av))))=N^{{-1}}\součet _{i}{\hat S}_{i},

kde N je počet otočení v systému, pak jeho součásti budou dojíždět na : $N\to \infty$

[{\hat S}_{{{\mathrm {av}}}}^{\alpha },{\hat S}_{({\mathrm {av}}}}^{\beta }]=N^ {{-1}}i\varepsilon _{{\alpha \beta \gamma }}{\hat S}_{({\mathrm {av}}}}^{\gamma }\to 0,

kde indexy α, β a γ probíhají přes složky středního spinového operátoru, i je imaginární jednotka a je symbolem Levi-Civita . To znamená, že systém s dostatečně velkým počtem spinů lze považovat za klasický. Fenomenologický popis lze aplikovat na systémy, kde jsou excitace vícečásticové povahy (to znamená, že výměnná interakce musí výrazně převyšovat relativistické interakce, jako je například dipól-dipól ). [35] $\varepsilon _{{\alpha \beta \gamma ))$

Intenzita magnetického pole. Magnetické parametry hmoty

Ve větě o cirkulaci magnetického pole je nutné vzít v úvahu kromě vodivostních proudů j i molekulární proudy j m ( pro zjednodušení je indukce elektrického pole považována za nulovou):

GHS	SI
$\operatorname {rot} \mathbf {B} ={\frac {4\pi }{c))(\mathbf {j} +\mathbf {j} _{m}),$	$\operatorname {rot} \mathbf {B} =\mu _{0}(\mathbf {j} +\mathbf {j} _{m}),$

kde je magnetická konstanta . $\mu_{0}$

Hodnota , která charakterizuje magnetický moment jednotkového objemu látky, se nazývá magnetizace (někdy se označuje písmenem J ). Hustotu molekulárních proudů lze vztáhnout k magnetizaci jejich součtem na určité ploše. Molekulární proud se rovná cirkulaci magnetického momentu podél obrysu pokrývajícího tuto oblast. Pak podle Stokesovy věty ${\mathbf M}={\frac {1}{V}}\sum {\mathbf p}$

GHS	SI
$\mathbf {j} _{m}=c\,\operatorname {rot} \mathbf {M}$ .	$\mathbf {j} _{m}=\jméno operátora {rot} \mathbf {M}$ .

Rotor magnetizace je roven nule, když jsou molekulární proudy v jednotlivých atomech nebo molekulách látky orientovány tak, že se vzájemně kompenzují.

Obvykle se zavádí pomocné vektorové pole

GHS	SI
${\mathbf H}={\mathbf B}-4\pi {\mathbf M}$ ,	${\mathbf H}={\mathbf B}/\mu _{0}-{\mathbf M}$ ,

nazývá se síla magnetického pole . Potom se vzorec pro cirkulaci magnetického pole zapíše jako

GHS	SI
$\operatorname {rot} \mathbf {H} ={\frac {4\pi }{c}}\mathbf {j}$ .	$\operatorname {rot} \mathbf {H} =\mathbf {j}$ .

Ve slabých polích je magnetizace látky úměrná intenzitě pole, která se zapisuje jako

{\mathbf M}=\chi {\mathbf H},

kde se nazývá magnetická susceptibilita . Jedná se o bezrozměrné množství, které se může měnit v širokém rozsahu hodnot (například −2,6⋅10 −5 ve stříbře [36] a asi 2⋅10 5 v 99,95% čistém železe [37] ), které jsou jak kladné, tak i a negativní. Vztah mezi indukcí a intenzitou magnetického pole lze zapsat jako $\chi$

GHS	SI
${\mathbf B}=(1+4\pi \chi ){\mathbf H}\equiv \mu {\mathbf H}$ ,	${\mathbf B}=\mu _{0}(1+\chi ){\mathbf H}\equiv \mu _{0}\mu {\mathbf H}$ ,

kde se veličina nazývá magnetická permeabilita . Obecně se jedná o tenzorovou veličinu. [38] $\mu$

Třídy magnetické symetrie

Rozdíl mezi elektrickými a magnetickými vlastnostmi krystalů je způsoben rozdílným chováním proudů a nábojů vzhledem ke změně znaménka času. Označme mikroskopickou hustotou náboje v krystalu a mikroskopickou hustotou proudu v něm, zprůměrované v čase. Transformace časové souřadnice nemění znaménko funkce , na rozdíl od funkce . Pokud se ale stav krystalu nemění, pak musí být splněna podmínka , z čehož plyne, že . Krystaly, u kterých je tato podmínka splněna , nemají magnetickou strukturu. V tomto případě elektrická struktura vždy existuje, protože neexistuje důvod, proč hustota náboje mizí, když se mění znaménko času. [39] Magnetická struktura je malé zkreslení vzhledem ke struktuře nemagnetické fáze a obvykle se vyskytuje s klesající teplotou, protože je spojena s relativně slabými interakcemi hluboce umístěných d- a f-elektronů. [40] $\rho(x,y,z)$ ${\mathbf j}(x,y,z)$ $t\to -t$ $\rho$ ${\mathbf j}$ ${\mathbf j}=-{\mathbf j}$ ${\mathbf j}=0$

Je vhodnější uvažovat symetrii nikoli funkce, ale distribuce magnetizace [Comm 5] . Odpovídá symetrii uspořádání časově zprůměrovaných magnetických momentů v krystalové mřížce . Operaci převodu směrů všech proudů na opačný označme symbolem R. Třídy magnetické symetrie jsou rozděleny do tří typů. První dvě zahrnují 32 běžných krystalových tříd a ty, doplněné o operaci R . Třetí typ se skládá z 58 tříd, které zahrnují R pouze s rotačními nebo reflexními operacemi. Existují tři typy prostorových magnetických skupin, které spojují 1651 skupin. První dvě z nich, stejně jako v případě magnetických tříd, obsahují po 230 skupinách, které se shodují s krystalografickými bez operace R a jsou jí doplněny. Třetí třída obsahuje 1191 skupin, ve kterých je R kombinováno s rotacemi , odrazy nebo translacemi . [41] ${\mathbf j}(x,y,z)$ ${\mathbf M}\sim [{\mathbf r},{\mathbf j}(x,y,z)]$

Magnetické třídy
C i (C 1 )	C 3v (C 3 )
CS ( C 1 )	D 3 (C 3 )
C 2 (C 1 )	D 3d (D 3 , S6 , C 3v )
C 2h ( Ci , C2 , CS )	C 3h ( C3 )
C 2v (D 2 , C 2h , C 2v )	C6 ( C3 ) _
D 2 (C 2 )	D 3h (C 3h , C3v , D3 )
D 2h ( D2 , C2h , C2v )	C6h ( C6 , S6 , C3h ) _
C 4 (C 2 )	C 6v (C 6 , C 3v )
S 4 (C 2 )	D 6 (C 6 , D 3 )
D 2d (S 4 , D 2 , C 2v )	D 6h (D6 , C6h , C3v , D 3d , D 3h )
D4 ( C4 , D2 ) _	T h (T)
C 4v (C 4 , C 2v )	o h (T)
C4h ( C4 , C2h , S4 ) _	T d (T)
D 4h ( D4 , C4h , D 2h , C4v , D 2h )	O h (O, T h , T d )
S 6 (C 3 )

Magnetické krystalické třídy zcela určují makroskopické magnetické vlastnosti těla. Takže spontánní magnetizace krystalu bude přítomna, pokud se vektor magnetizace, který je axiálním vektorem , nezmění během transformace dané třídy magnetických krystalů. [42]

Klasifikace podle charakteru interakce s magnetickým polem

Všechny látky mají magnetické vlastnosti, vyjádřené v té či oné míře . [43] Důvodem interakce s vnějším magnetickým polem jsou jeho vlastní nebo indukované magnetické momenty , které, jsou-li určitým způsobem orientovány, mění pole uvnitř látky. Nejslabší magnetické účinky se projevují u dia- a paramagnetů . Atomy diamagnetů nemají svůj vlastní magnetický moment a v souladu s Lenzovým zákonem se uvnitř nich ve vnějším poli objevují slabé kruhové proudy , které mají tendenci jej kompenzovat. Atomy paramagnetů mají své slabé magnetické momenty, které se při zapnutí vnějšího pole orientují podél něj.

Existuje několik tříd látek, ve kterých je interakce mezi vnitřními magnetickými momenty atomů obzvláště silná a protože mají kvantově mechanickou povahu, nelze je v zásadě vysvětlit pomocí analogií klasické fyziky . Magnetická struktura v nich vzniká výměnnou interakcí. [44] Látky, ve kterých se nejbližší magnetické momenty řadí paralelně, se nazývají feromagnetika . Antiferomagnetika a ferimagnetika mají dvě feromagnetické mřížky s opačnými směry magnetických momentů vnořených jedna do druhé. Rozdíl mezi nimi je v tom, že mřížky v antiferomagnetech se vzájemně kompenzují, zatímco ve ferrimagnetech jsou magnetické momenty různých mřížek různé a celkový magnetický moment není roven nule. Říká se, že takové materiály (magnetika) mají magnetický řád s dlouhým dosahem . Matematický popis magnetických podmřížek [Comm 6] těchto tří tříd látek je v mnoha ohledech podobný.

Feromagnetické uspořádání
Antiferomagnetické uspořádání
Ferrimagnetické uspořádání

Některé umělé materiály s magnetickým řádem krátkého dosahu jsou také izolované . Zvlněná skla vznikají přidáním magnetických nečistot do nemagnetických kovů a slitin . Soubory fero- nebo ferimagnetických částic vykazují slabé paramagnetické vlastnosti. V tomto případě se mluví o superparamagnetismu .

Magnetické interakce fero- a antiferomagnetik

Heisenbergův model

Při popisu fero- a antiferomagnetik se často používá Heisenbergův model . Spočívá v určení magnetické části Hamiltoniánu krystalu ve formě

{\mathcal {H}}=-{\frac {1}{2}}\sum _{n,n'}J(nn')\mathbf {S} _{n}\mathbf {S} _{n'}+g\mu _{B}\mathbf {B} \součet _{n}\mathbf {S} _{n},

(GazGum)

kde indexy n a n' probíhají přes uzly krystalové mřížky a je operátor rotace v n-tém uzlu. Koeficient se nazývá výměnný integrál , který poskytuje magnetické uspořádání izotropního krystalu. V praxi se má za to, že se výrazně liší od nuly pouze u nejbližších sousedů. Faktor ½ zohledňuje opakování při sčítání spinů přes mřížku (někdy je však zahrnut do hodnoty integrálu výměny). Při této volbě znaménka před součtem odpovídá feromagnetické uspořádání kladné hodnotě a antiferomagnetickému uspořádání záporné hodnotě. Druhým členem je interakční energie systému spinů s magnetickým polem ( Zeemanova energie), jehož magnetická indukce je rovna B (zde g je Landeův multiplikátor , je Bohrův magneton ). [45] [46] ${\mathbf S}_{n}$ $J(nn')$ $J(nn')$ $\mu _{B}$

Heisenbergův Hamiltonián je postaven na předpokladu, že magnetické momenty (resp. spiny) jsou lokalizovány v místech krystalové mřížky a neexistují žádné orbitální momenty . První podmínku splňují feromagnetická dielektrika a polovodiče, ale u kovů je častěji preferován pásový model. Přípustnost druhé podmínky je dána mírou „zamrznutí“ orbitálních momentů. [47]

Nelze sestavit mikroskopický model antiferomagnetik, podobný Heisenbergovu modelu, proto jsou na makroskopické úrovni reprezentovány jako soubor několika magnetických podmřížek s opačnými směry magnetizace, vnořených jedna do druhé. Tento popis je v dobré shodě s experimentálními daty. [48]

Model Ising Výměna interakce

Výměnná interakce se projevuje díky Coulombovu odpuzování elektronů a Pauliho principu . Je hlavním důvodem projevu feromagnetických vlastností látek. [49] Protože je nepraktické popisovat výměnnou interakci multielektronových systémů pomocí mikroskopického Hamiltoniánu , který bere v úvahu kinetickou energii jednotlivých elektronů, obvykle se používá makroskopický Hamiltonián, ve kterém jsou spinové operátory nahrazeny semiklasickými spinovými vektory ve tvaru Heisenbergova modelu ( vzorec HeisGam ), což platí pro otočení ½. Empiricky lze výměnný integrál odhadnout jako

J\sim 0,1{\frac {e^{2}}{a}},

kde e je náboj elektronu , a je konstanta magnetické mřížky . [50] Je velmi obtížné poskytnout přesný teoretický odhad, proto se v praxi obvykle používají experimentálně naměřené hodnoty. [51]

Zobecnění, které bere v úvahu anizotropii výměny (model X–Y–Z) je zapsáno jako

{\mathcal H}=-{\frac {1}{2}}\sum _{{n,n'}}(J_{x}S_{n}^{x}S_{{n'}}^{ x}+J_{x}S_{n}^{y}S_{{n'}}^{y}+J_{x}S_{n}^{z}S_{{n'}}^{z} )+g\mu _{B}{\mathbf B}\součet _{n}{\mathbf S}_{n},

kde se předpokládá, že koeficienty jsou mírně odlišné, protože samotná výměnná interakce je izotropní. [52] Makroskopická hustota energie pro feromagnetika, získaná z Heisenbergova Hamiltoniánu, je zapsána jako $J_{{x,y,z}}$

w_{{{\mathrm {ex}}}}={\frac {1}{2}}A_{{ij}}{\frac {\partial {\mathbf M}}{\partial x_{i}}} {\frac {\partial {\mathbf M)){\partial x_{i))}-{\frac {1}{2))\Lambda {\mathbf M}^{2},

(MacrObm)

kde jsou souřadnice fyzického prostoru, M je vektor magnetizace , konstanta výměnné interakce (v obecném případě tenzor ) $x_{i}$

A_{{ij))={\frac {1}{2(g\mu _{B})^{2}}}\int \overline {J}({\mathbf r})x_{i}x_{ j}{\mathrm d}{\mathbf r},

zatímco izotropní výměnná konstanta

\Lambda ={\frac {1}{2(g\mu _{B})^{2))}\int \overline {J}({\mathbf r}){\mathrm d}{\mathbf r} .

Zde se předpokládá, že funkce je blízká integrálu výměny při teplotách daleko od Curieovy teploty . [53] Konstanta A se někdy nazývá konstanta anizotropní výměny, aby se odlišila od . První člen ve vzorci MacroExchange je významný při zvažování nehomogenní distribuce magnetizace a druhý člen je nezbytný pro studium působení mechanismů, které mění délku vektoru magnetizace. [54] V mnoha případech není mechanismem přímá výměna, spojující spiny sousedních atomů prostřednictvím překrývání jejich vlnových funkcí a Coulombovy energie, ale nepřímá ( interakce RKKY-exchange , superexchange , atd.). [55] $\overline {J}({\mathbf r})$ $\lambda$

Relativistické interakce

Interakce elementárních dipólů mezi sebou navzájem as elektrickým polem samotné krystalové mřížky jsou relativistické povahy . Poměr jejich energií k energii výměnné interakce je řádově roven , kde v je rychlost elektronu v atomu, c je rychlost světla . Vedou k ustavení statistické rovnováhy a vzniku vybraných směrů magnetizace v krystalech. [56] $(v/c)^{2}$

Interakce dipól-dipól a magnetostatická energie

Pod interakcí dipól-dipólporozumět vzájemné interakci elementárních magnetických dipólů . Úměrně klesá s třetí mocninou vzdálenosti a dominuje výměnné interakci na velké vzdálenosti, což je příčinou makroskopické magnetizace feromagnetik. [57] K hamiltoniánu dipól-dipól lze dospět nahrazením klasických dipólů ve vzorci pro energii interakce dvou magnetických momentů . ${\mathbf m}_{i}$

E_{{12}}={\frac {{\mathbf m}_{1}\cdot {\mathbf m}_{2}}{r_{{12}}^{3}}}-3{\frac {({\mathbf m}_{1}\cdot {\mathbf r}_{{12)))({\mathbf m}_{2}\cdot {\mathbf r}_{{12)))} {r_{{12}}^{5}}},

do operátorů , kde je poloměrový vektor spojující umístění dipólu, je Bohrův magneton , je operátor celkové orbitální hybnosti a je součinem Diracova Landeova faktoru a operátorem celkového spinu atomu v mřížkovém místě očíslovaném n . Potom má tvar hamiltonián dipólové interakce ${\boldsymbol \mu }_{n}=\mu _{B}({\mathbf L}_{n}+g{\mathbf s}_{n})$ ${\mathbf r}_{{12}}$ $\mu _{B}$ ${\mathbf L}_{n}$ $g{\mathbf s}_{n}$ $g\cca 2$

{\mathcal H}_{m}={\frac {1}{2}}\součet _{{m\neq n}}\left({\frac {{\boldsymbol \mu }_{m}\cdot {\boldsymbol \mu }_{n}}{r_{{mn}}^{3}}}-3{\frac {({\boldsymbol \mu }_{m}\cdot {\mathbf r}_{ {mn)))({\boldsymbol \mu }_{n}\cdot {\mathbf r}_{{mn)))}{r_{{mn}}^{5}}}\right),

kde se sumace provádí přes všechny uzly magnetické podmřížky. [58]

Přechod k makroskopickému popisu dává výraz pro energii ve formě

E_{m}=-{\frac {1}{2}}\int _{V}\mathrm {d} \mathbf {r} \left[\beta _{ik}M_{i}(\ mathbf {r} )M_{k}(\mathbf {r} )+{\frac {4\pi }{3}}M^{2}(\mathbf {r} )+\mathbf {M} (\mathbf {r} )\mathbf {H} ^{m}(\mathbf {r} )\right].

První anizotropní člen v integrandu odráží změny magnetického pole ve vzdálenostech řádově atomových vzdáleností a závisí prostřednictvím tenzoru na struktuře primitivní buňky krystalu. Druhý a třetí termín se jeví jako řešení rovnic magnetostatiky . [59] $\beta _{{ik}}$

Magnetická anizotropie

Interakce spinů s elektromagnetickým polem krystalové mřížky nebo interakce spin-orbita , stejně jako interakce spin-spin vedou ke vzniku magnetické anizotropie. Na makroskopické úrovni je pozorován jako energetická neekvivalence různých směrů v krystalu, kdy se ten či onen směr magnetizace vzhledem ke krystalografickým osám ukazuje jako příznivější. V nejjednodušším případě pro jednoosé feromagnetické krystaly lze hustotu energie magnetické anizotropie zapsat ve dvou ekvivalentních formách z hlediska jednotkově normalizovaného vektoru magnetizace s projekcemi a ( ekvivalence zde znamená přesnost s konstantou nezávislou na směru magnetizace): $m_{x}$ $můj}$ $m_{z}$

w_{{an}}=K(m_{x}^{2}+m_{y}^{2})=K\sin ^{2}\theta

nebo

w_{{an}}=-K\cos ^{2}\theta ,

kde koeficient K se nazývá konstanta anizotropie a je to úhel mezi směrem vektoru magnetizace a hlavní osou symetrie krystalu. V závislosti na znaménku K se při dané volbě typu energie hovoří o easy- axis ( , magnetizace je orientována podél osy, aby se minimalizovala energie: ) a easy-plane magnetech ( , magnetizace je orientována kolmo k ose, aby se minimalizovala energie: ). [60] $\theta$ $K>0$ $\theta \na 0$ $K<0$ $\theta \to \pi /2$

Kubické krystaly se výrazně liší od jednoosých a dvouosých, protože jejich energie anizotropie je určena členy čtvrtého řádu v expanzi z hlediska složek vektoru magnetizace normalizovaných na jednotu:

w_{an}=K_{1}(m_{x}^{2}m_{y}^{2}+m_{x}^{2}m_{z}^{2}+m_{y }^{2}m_{z}^{2})+K_{2}m_{x}^{2}m_{y}^{2}m_{z}^{2}.

V důsledku toho je jejich anizotropie méně výrazná. Pro (např. železo) je minimální energie dosažena ve směrech hran krychle [100] , [010] a [001], to znamená, že existují tři ekvivalentní osy snadné magnetizace. Jinak budou osami snadné magnetizace prostorové úhlopříčky krychle. [61] $K_{1}>0$

Závislost energie anizotropie na směru (sytější barva - více energie)
Feromagnet s jednoosou anizotropií. Osa snadné magnetizace [001]
Krystal s kubickou soustavou a pozitivní anizotropií ( ) $K_{1}>0$
Krystal s kubickou soustavou a negativní anizotropií ( ) $K_{1}<0$

Magnetické domény

Koncept magnetické domény zavedl Pierre Weiss v roce 1907, aby odpověděl na otázku, proč železo jako feromagnet má nulový magnetický moment v nepřítomnosti vnějšího pole. Feromagnetické domény jsou makroskopické oblasti magnetických krystalů, ve kterých je orientace vektoru spontánní magnetizace odlišná. Existují při teplotách pod Curieovým bodem. [62] Hovoří se také o antiferomagnetických doménách, což znamená vektor antiferomagnetismu místo magnetizace. Jejich existence však striktně vzato nevede k nárůstu energie a je obvykle spojena s existencí několika jader antiferomagnetické struktury s náhodným směrem magnetizace při průchodu antiferomagnetika Neelovým bodem [63] .

Důvod pro výskyt magnetických domén ve feromagnetech navrhl Lev Landau a Evgeny Lifshitz v roce 1937. Navrhli, že jejich vznik vede k minimalizaci celkové energie magnetu a rozptylového pole (tj. magnetického pole vytvořeného spontánní magnetizací a přesahujícího magnet). Směr magnetizace pozorovaný v praxi v doménách za normálních podmínek tvoří uzavřený magnetický tok . [64]

Hranice mezi doménami se nazývá doménová zeď . Jeho šířka je určena poměrem mezi konstantou výměny a konstantou anizotropie. V závislosti na výsledném úhlu natočení magnetizace se rozlišují 180°, 90° a další doménové stěny. V závislosti na způsobu rotace magnetizace uvnitř 180° doménových stěn se hovoří o Blochově stěně a Neelově stěně . Ten je charakteristický pro tenké magnetické filmy, protože má menší rozptylové pole než Blochova stěna. [65]

Existuje mnoho metod pro pozorování domén ve feromagnetech. V roce 1932 Francis Bitter navrhl jednoduchou metodu vizualizace bludných polí pomocí koloidních suspenzí magnetických částic, která nevyžadovala speciální vybavení. Spočívá v tom, že na povrchu magnetu jsou deponovány magnetické mikročástice, které se prakticky bez tření koncentrují v místech největšího gradientu pole, tedy na hranicích domén. Jejich rozložení lze pozorovat optickým mikroskopem. [66] Používají se magnetooptické metody založené na rotaci polarizace světla. U průhledných fólií je to Faradayův efekt (změna polarizace při průchodu vzorkem), u ostatních magnetooptický Kerrův efekt (změna polarizace při odrazu od vzorku). Výhodou Kerrovy mikroskopie je možnost přímého pozorování domén, jedná se o nedestruktivní metodu, nicméně vzorky musí být ploché a pro zvýšení kontrastu je nutné použít dodatečné zpracování obrazu. [67] Kromě výše uvedených metod se používá mikroskopie blízkého pole , gama a neutronový rozptyl , transmisní elektronová mikroskopie atd. [68]

Hystereze a termodynamika Pohyb magnetického momentu Landau-Lifshitzova rovnice

Magnetismus dielektrik a polovodičů

Mott-Hubbardovo dielektrikum

Dielektrika a polovodiče nemají putovní elektrony , na rozdíl od kovů . Důsledkem je lokalizace magnetických momentů spolu s elektrony v iontových stavech. To je hlavní rozdíl mezi magnetismem dielektrik a magnetismem kovů, který popisuje teorie pásem . [69]

Podle teorie pásů mohou být krystaly obsahující sudý počet elektronů v primitivním článku dielektrika. To znamená, že dielektrika mohou být pouze diamagnety , což nevysvětluje vlastnosti mnoha látek. Příčinou Curieho paramagnetismu (paramagnetismu lokalizovaných elektronů), fero- a antiferomagnetismu dielektrik je Coulombovo odpuzování elektronů, které je vysvětleno Hubbardovým modelem v následujícím příkladu. Objevení se dalšího elektronu v izolovaném atomu o určité množství zvýší jeho energii . Další elektron vstoupí do energetické hladiny , kde je energie Coulombovy interakce elektronů, v reálných atomech v rozsahu od 1 eV do více než 10 eV. V krystalu se energetické hladiny těchto dvou elektronů rozdělí do pásů a krystal bude dielektrikum nebo polovodič, pokud mezi nimi bude mezera v pásmu . Dohromady mohou obě zóny obsahovat sudý počet elektronů, ale může nastat situace, kdy je vyplněna pouze spodní zóna a obsahuje lichý počet elektronů. Dielektrikum, pro které je tato podmínka splněna, se nazývá Mott-Hubbardovo dielektrikum . Pokud jsou integrály překrytí malé, bude dielektrikem paramagnet, jinak antiferomagnet . [70] Supervýměnná interakce je zodpovědná za feromagnetismus takových dielektrik, jako je EuO nebo CrBr 3 . [71] $\varepsilon$ $\varepsilon+U_{C}$ $VIDÍŠ}$

Superexchange a antisymetrické výměnné interakce

Většina fero- a ferimagnetických dielektrik se skládá z magnetických 3d- a dalšími-Cl,-Br,2Ooddělených takovými nemagnetickými ionty jakoiontů 3d orbitalů magnetických iontů a p orbitalů nemagnetických iontů. Orbitaly se hybridizují a jejich elektrony se stávají společnými pro několik iontů. Taková interakce se nazývá superexchange . Jeho znaménko (tedy zda je dielektrikum fero- nebo antiferomagnetikum) je určeno typem d-orbitalů, počtem elektronů v nich a úhlem, pod kterým je pár magnetických iontů viditelný z místa, kde se nachází nemagnetický iont. [72]

Antisymetrická výměnná interakce ( Dzyaloshinskii- Moriya interakce) mezi dvěma buňkami se spinovými vektory a je popsána výrazem ${\mathbf S}_{1}$ ${\mathbf S}_{2}$

E_{{12}}=D_{{12}}[{\mathbf S}_{1}\times {\mathbf S}_{2}].

Je zřejmé, že energie interakce je nenulová pouze v případě, že buňky nejsou magneticky ekvivalentní. Interakce Dzyaloshinskii-Moriya se projevuje v určitých antiferomagnetech. Výsledkem je výskyt slabé spontánní magnetizace . Tento efekt se nazývá slabý feromagnetismus , protože výsledná magnetizace je desetiny procenta magnetizace u typických feromagnetik. Slabý feromagnetismus je pozorován u hematitu , uhličitanů kobaltu , manganu a některých dalších kovů. [73] [5] [74]

Magnetismus kovů

Zónový magnetismus

Rozdíl mezi pásovou strukturou magnetických a nemagnetických kovů na příkladu mědi a kobaltu. Struktura elektronického pásma (vlevo) a hustota stavů (vpravo) v každém z diagramů.
Měď (nemagnetický kov). F je Fermiho hladina. Na svislé ose je energie v eV .
Kobalt (zálohuje [Comm 7] )
Kobalt (ustoupí)

Výměnné interakce v kovech

Výměnná interakce v kovech může být prováděna zásadně odlišnými mechanismy v závislosti na typu atomových orbitalů odpovědných za výměnnou interakci. V takových 3D přechodných kovech , jako je železo nebo kobalt , hrají rozhodující roli při výměně překrývající se 3D vlnové funkce sousedních atomů v krystalové mřížce , zatímco u prvků 4f dochází k výměnné interakci prostřednictvím vodivých elektronů . Manganitany lanthanité mají komplexní závislost svých magnetických vlastností na stupni jejich dotování . [75]

3d-kovy

3D kovy se vyznačují významnou energií coulombovské interakce mezi elektrony 3d pásma ve srovnání s jejich kinetickou energií . [76] Je to vlastně příčina feromagnetického uspořádání. [77] U prvků 3d i 4f závisí jejich magnetické uspořádání na stupni vyplnění odpovídajícího pásma. 3D přechodový kov bude feromagnetem, pokud jeho 3d pás obsahuje malý počet elektronů nebo děr (to znamená, že musí být buď slabě vyplněný, nebo téměř úplně vyplněný). Dobře to ilustrují železo, kobalt a nikl , kde je tato zóna téměř zcela vyplněna. Antiferomagnetický stav bude základním stavem, pokud je napůl naplněn. [76]

Podmínka, která určuje, zda kov bude fero- nebo antiferomagnet, je způsobena tím, že je výhodné, aby byl elektron delokalizován, protože podle Heisenbergova principu neurčitosti to umožňuje snížit jeho kinetickou energii. Kvalitativně to lze vysvětlit následovně. U elektronů je třeba dodržet Hundovo pravidlo (celkový spin elektronů v orbitalu musí být maximální). Pak pro zónu, například vyplněnou méně než z poloviny, mohou mít elektrony dvou sousedních atomů stejný směr rotace, ale různá magnetická kvantová čísla , což určuje feromagnetické uspořádání. V případě zpola zaplněného pásu jsou 3d elektrony sousedních atomů nuceny mít opačný směr celkového spinu, aby si mezi sebou rozdělily stejná magnetická čísla. [78]

4f-kovy

Prvky vzácných zemin mají částečně vyplněný orbital 4f , jehož charakteristická velikost je mnohem menší než meziatomové vzdálenosti v krystalové mřížce. Proto 4f elektrony sousedních iontů spolu nemohou přímo interagovat. Výměnná interakce mezi nimi se uskutečňuje pomocí vodivostních elektronů . Každý iont vzácných zemin vytváří ve své blízkosti poměrně silné efektivní pole, které polarizuje vodivostní elektrony. Taková nepřímá výměnná interakce mezi 4f elektrony se nazývá interakce Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida (RKKY-výměnná interakce). [79] Zda bude kov fero- nebo antiferomagnet, závisí na struktuře 4f-pásma a vzdálenosti mezi ionty Závislost výměnného integrálu na součinu vlnového vektoru elektronů na Fermiho úrovni k F a Obr. vzdálenost mezi magnetickými ionty a má střídavě kmitavý charakter. To zejména vysvětluje existenci šroubovicových a některých dalších magnetických struktur. Interakce RKKY v podstatě závisí na koncentraci volných nosičů náboje a může mít mnohem delší dosah než přímá výměna [80] . $J(k_{F}a)$

Dvojitá výměna

Oxidy přechodných kovů mohou být jak vodiče, tak dielektrika. Supervýměnná interakce probíhá v dielektriku. Řízením dopování je však možné dosáhnout přechodu oxidu do vodivého stavu. U manganitanů lanthanitých typu La 1 – x Ca x MnO 3 mohou mít některé ionty manganu při určitých hodnotách parametru x valenci 3+ a jiné 4+. Výměnná interakce mezi nimi, prováděná prostřednictvím iontů O2- , se nazývá dvojitá výměna . Tyto sloučeniny budou také fero- nebo antiferomagnetické, v závislosti na hodnotě x . Feromagnetické uspořádání nastane, pokud jsou celkové spiny 3- a 4-valenčních iontů kosměrné, zatímco 4. elektron může být delokalizován. Jinak je lokalizován na iontu s nižší valenci. Pro La 1 – xSr x MnO 3 dochází k přechodu z antiferomagnetické do feromagnetické fáze při (vyšší hodnoty x odpovídají feromagnetiku). [81] $x\cca 0,1$

Supravodivost

Magnetické kapaliny

Biomagnetismus

Citlivost živých organismů na magnetické pole

Magnetické pole Země využívá k orientaci v prostoru mnoho druhů živočichů. Z ne zcela pochopených důvodů používají ptáci a želvy informace o magnetickém sklonu , zatímco lososovité a netopýři reagují na horizontální složku pole. [82] "Kompas" ptáků v normálním režimu pracuje v rozsahu polí od 43 do 56 μT , ale po adaptaci je schopen vnímat pole od 16 do 150 μT. [83] Ptáci zároveň nerozlišují mezi severním a jižním magnetickým pólem a pro orientaci potřebují další světelné informace. [84] Na magnetické pole jsou citliví i mořské škeble, mloci (např. Eurycea lucifuga ), čolci (např. čolek zelenkavý ), sršni, včela medonosná a aligátoři [85] [86] . Mořské želvy a někteří bezobratlí spolu s ptáky mají také schopnost vytvářet „magnetické mapy“, které jim pomohou najít cestu [87] .

Existují různé receptory , které reagují na vnější magnetické pole. Oči Drosophila a některých ptáků obsahují molekuly kryptochromu , někteří jiní (například netopýr hnědý ( ang. Big brown bat )) obsahují ve svém těle částice s jednou doménou. Některé bakterie používají speciální organely zvané magnetosomy . Mnoho zvířat je zároveň schopno určit polarizaci slunečního světla a orientovat se podle hvězd. Proto i přes prokázanou schopnost mnoha druhů určovat směr pomocí magnetických polí neexistuje jednoznačná odpověď na otázku, jak přesně je ten či onen živočich orientován v prostoru, když je ve volné přírodě. [88]

Účinnost dopadu elektromagnetických polí na živé organismy je spojena s přítomností „oken citlivosti“ v amplitudě, gradientu a frekvenci, někdy může mít specifický účinek sekvence signálů určitého tvaru. [89] Vnitřní kompas zvířat může souviset s přítomností částic magnetitu v těle , například ve formě feritinu . Magnetit se také nachází v lidském mozku a v ještě vyšších koncentracích v mozcích ptáků. Lidský mozek obsahuje asi 5 milionů krystalů na gram a jeho membrány obsahují asi 100 milionů krystalů na gram. Odezva magnetitu na magnetické pole je více než milionkrát větší než odezva konvenčního para- nebo diamagnetického média a pravděpodobně to může ovlivnit transport iontů mezi buňkami. [83] Citlivost epifýzy v mozku savců na magnetická pole souvisí s fungováním sítnice. To vede k tomu, že sítnice je součástí magnetoreceptivního systému těla. Jeho roli ilustruje fakt, že při snížení gradientu magnetického pole Země na 30 nT/m se u většiny lidí sníží frekvence vnímání mihotavého světla jako konstanty ( anglicky Flicker fusion threshold ).

Magnetotaxe

Existuje několik typů anaerobních bakterií ( magnetotaktické bakterie : Aquaspirillum mangetotacticum atd .), které mohou reagovat na vnější magnetická pole . Obsahují organely zvané magnetosomy , jejichž membrány obsahují jednodoménové krystaly magnetitu Fe 3 O 4 nebo melnikovitu Fe 3 S 4 (někdy oba). Velikost krystalů se pohybuje od 40 do 100 nm. Magnetosomy tvoří řetězce fixované uvnitř bakterie tak, že směr magnetizace magnetických nanokrystalů se shoduje se směrem řetězců [90] .

Magnetotaktické bakterie jsou přirozené kompasy , které se orientují ve směru magnetického pole Země . Vzhledem k tomu, že reagují na slabá pole o síle asi 0,5 orerstedu, používají se ve vysokorychlostních, vysoce citlivých metodách pro vizualizaci doménové struktury magnetů (například pro testování transformátorové oceli ). Když jsou magnetotaktické bakterie umístěny na magnetický povrch, pohybují se během několika sekund po siločarách k severním pólům a hromadí se v místech, kde je magnetické pole kolmé k povrchu. Metody využívající magnetotaktické bakterie poskytují lepší kontrast než klasický Bitter nebo stěnový kontrast . Přirozeným omezením jejich rozlišení je velikost bakterie v řádu jednoho mikrometru. [91]

Geomagnetismus

Viz také

Komentáře

↑ Magnetický kompas by se neměl zaměňovat s jiným čínským vynálezem , vozem směřujícím na jih, který používal diferenciál (viz Tom KS Echoes ze staré Číny: život, legendy a tradice Říše středu . - University of Hawaii Press, 1989. - S. 98. - 160 s. - ISBN 9780824812850. ) .
↑ Priorita Číňanů ve vynálezu kompasu je některými vědci zpochybňována: jeden z předmětů olmécké kultury , který vypadá jako 3,5 cm dlouhá leštěná trubice a pochází z doby 1400-1000 let. před naším letopočtem E. pravděpodobně jde o magnetický kompas (viz Guimarães AP Od magnetitu k supermagnetům: porozumění magnetickým jevům. - Wiley-VCH, 2005. - S. 22-23. - 236 s. - ISBN 9783527405572. ; John B. Carlson. Lodestone Compass: Chinese or Olmec Primacy? (anglicky) // Science. - 1975. - September ( vol . 189 , no. 5 ) . - S. 753-760 .
↑ Pro makroskopické veličiny se z historických důvodů ujal název magnetická indukce pro hlavní charakteristiku magnetického pole (analoga elektrické síly ) a magnetická síla pro pomocnou (analoga indukce elektrického pole ).
↑ Landeův multiplikátor je přibližně 2 při nulovém orbitálním momentu hybnosti J , ale může být velmi odlišný od 2 při . ${\mathbf J}\neq 0$
↑ V ČGS souvisí magnetizace s hustotou mikroskopických proudů závislostí . Pak je magnetický moment všech pohybujících se částic . Zde integrál nad povrchem mizí kvůli skutečnosti, že proudy vně těla jsou rovné nule a lze integrovat přes jakýkoli objem, který přesahuje tělo. $\overline {\rho {\mathbf v))=c[\nabla ,{\mathbf M}]$ ${\frac {1}{2c}}\int [{\mathbf r},\overline {\rho {\mathbf v}}]{\mathrm d}V={\frac {1}{2}}\int [{\mathbf r},[\nabla ,{\mathbf M}]]={\frac {1}{2))\oint [{\mathbf r},[{\mathrm d}S,{\mathbf M }]+\int {\mathbf M}{\mathrm d}V\equiv \int {\mathbf M}{\mathrm d}V$
↑ Magnetická podmřížka je soubor atomů v krystalové mřížce, které mají stejnou hodnotu magnetického momentu. V obecném případě se nemusí shodovat s krystalovou mřížkou (viz Landau L. D., Lifshitz E. M. Electrodynamics of continuous media / Revised by E. M. Lifshitz and L. P. Pitaevsky. - 2nd ed. - M: Nauka, 1982. - VIII. - S. 191-192. - 624 s. - (Teoretická fyzika. - 40 000 výtisků ).
↑ O směru rotace se v tomto případě podmíněně mluví pro rozlišení dvou různě vyplněných zón, také často s použitím anglických výrazů. magorijská kapela a angl. menšinový pás znamenající více či méně vyplněnou oblast.

Poznámky

↑ 12 Mattis , 2006 , s. 1-2.
↑ Valenzuela, 1994 , s. jeden.
↑ 1 2 3 4 Kartsev V.P. Ch. 1. Herkulův kámen // Magnet na tři tisíciletí. - Ed. 4., revidovaný. a doplňkové - L .: Energoatomizdat, 1988.
↑ Sarkar, 2006 , pp. 1-2.
↑ 1 2 Magnetismus - článek z fyzikální encyklopedie
↑ Mattis, 2006 , s. 4-5.
↑ Historie kompasu . Učte se čínsky – historie a kultura . ForeignerCN (13. října 2009). Získáno 25. 5. 2011. Archivováno z originálu 22. 8. 2011.
↑ Selin, 1997 , pp. 232-233.
↑ Early Chinese Compass (anglicky) (nedostupný odkaz) . Floridská státní univerzita. Magnetická laboratoř. Získáno 24. května 2011. Archivováno z originálu 22. srpna 2011.
↑ Russo, 2007 , str. 2.
↑ Needham J., Ronan CA Kratší věda a civilizace v Číně: Zkrácení původního textu Josepha Needhama. - Cambridge University Press, 1986. - Sv. 3. - S. 2-3. — 312 s. — (Kratší věda a civilizace v Číně). — ISBN 9780521315609 .
↑ Loadstone . _ Čína Orb. - Čínsko-anglický slovník s výslovností. Získáno 25. 5. 2011. Archivováno z originálu 22. 8. 2011.
↑ Perelman, 1932 , str. 160.
↑ Sarkar, 2006 , s. 2.
↑ Selin, 1997 , str. 233.
↑ Mattis, 2006 , str. jeden.
↑ Carr TS Manuál klasické mytologie; nebo, Společník řeckých a latinských básníků: určený především k vysvětlení slov, frází a epitet z bajek a tradic, ke kterým se vztahují . - S. Marshall a spol., 1846. - S. 302. - 372 s.
↑ Mattis, 2006 , str. 3.
↑ 600 př. n. l. - 1599 (anglicky) (nepřístupný odkaz) . Mag Lab U > Časová osa . Floridská státní univerzita. Magnetická laboratoř. Získáno 24. května 2011. Archivováno z originálu 22. srpna 2011.
↑ 1 2 3 Mohn, 2006 , str. jeden.
↑ 1 2 3 Mattis, 2006 , str. 3-5.
↑ Baigrie, 2007 , pp. 2-3.
↑ Keithley, 1999 , s. 2.
↑ Mattis, 2006 , str. čtyři.
↑ Francois Cardarelli. Encyklopedie vědeckých jednotek, vah a měr: jejich SI ekvivalence a původ . — 3. - Springer, 2003. - S. 22-25 . — 848p. — ISBN 9781852336820 .
↑ Attilio Rigamonti, Pietro Carretta. Struktura hmoty: Úvodní kurz s problémy a řešeními . — 2. — Springer, 2009. — S. 160 . — 489 s. — ISBN 9788847011281 .
↑ Saveliev, 2004 , str. 181.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 154.
↑ Sivukhin, 2004 , str. 243.
↑ Sivukhin, 2004 , str. 243-244.
↑ Saveliev, 2004 , str. 182.
↑ Mattis, 2006 , s. 53-56.
↑ Magneto-mechanický poměr - článek z Fyzikální encyklopedie
↑ Gurevič, Melkov, 1994 , str. 9-10.
↑ Baryakhtar a kol., 1984 , s. 29.
↑ Magnetická susceptibilita paramagnetických a diamagnetických materiálů při 20 ° C . Státní univerzita v Georgii. — Tabulky magnetických parametrů pevných látek. Získáno 11. července 2011. Archivováno z originálu dne 22. srpna 2011.
↑ Magnetické vlastnosti feromagnetických materiálů . Státní univerzita v Georgii. — Tabulky magnetických parametrů pevných látek. Získáno 11. července 2011. Archivováno z originálu dne 22. srpna 2011.
↑ Saveliev, 2004 , str. 182-189.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 188.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 190-191.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 155, 189, 191-196.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 191.
↑ Feynman a kol., 1966 , s. 92.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 197.
↑ Kosevich et al., 1983 , s. 9.
↑ Alloul, 2010 , str. 247-248.
↑ Gurevič, Melkov, 1994 , str. 15-16.
↑ Akhiezer a kol., 1967 , str. 38-39.
↑ Alloul, 2010 , str. 245.
↑ Akhiezer a kol., 1967 , str. osmnáct.
↑ Alloul, 2010 , str. 247.
↑ Kosevich et al., 1983 , s. 9-10.
↑ Baryakhtar a kol., 1984 , s. 20-21.
↑ Tretyak i in., 2002 , str. 60.
↑ Gurevič, Melkov, 1994 , str. patnáct.
↑ Akhiezer a kol., 1967 , str. 25-26.
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 145.
↑ Baryakhtar a kol., 1984 , s. 27-28.
↑ Akhiezer a kol., 1967 , str. 27-31.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 200-201.
↑ Landau a Lifshitz, VIII, 1982 , s. 201-202.
↑ Feromagnetické domény – článek z Fyzické encyklopedie
↑ Antiferomagnetické domény – článek z Fyzické encyklopedie
↑ Hubert a Schaefer 1998 , s. 5.
↑ Hubert a Schaefer 1998 , pp. 215-291.
↑ Hubert a Schaefer 1998 , pp. 12-24.
↑ Hubert a Schaefer 1998 , pp. 24-53.
↑ Hubert a Schaefer 1998 , s. 106.
↑ Alloul, 2010 , str. 255-256.
↑ Alloul, 2010 , str. 77, 256-258.
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 314.
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 313-314.
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 314-315.
↑ Slabý feromagnetismus – článek z fyzikální encyklopedie
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , pp. 315-319.
↑ 1 2 de Lacheisserie et al., 2005 , str. 317.
↑ Tsymbal, Pettifor, 2001 , str. 126-132.
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 317-318.
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 315-317.
↑ Interakce RKKI-exchange - článek z Fyzické encyklopedie
↑ de Lacheisserie et al., 2005 , str. 318-319.
↑ Merrill, 2010 , str. 176.
↑ 12 Ho a kol., 1994 , str. 367.
↑ Ho a kol., 1994 , str. 368.
↑ Knut Schmidt-Nielsen. Fyziologie živočichů: adaptace a prostředí . — 5. vyd. - Cambridge University Press, 1997. - S. 561 . — 607 s. — ISBN 9780521570985 .
↑ Kentwood David Wells. Ekologie a chování obojživelníků . - University of Chicago Press, 2007. - S. 264-266 . — 1148 s. — ISBN 9780226893341 .
↑ Ruští biologové našli "magnetickou kartu" v mozku stěhovavých ptáků . Získáno 7. října 2015. Archivováno z originálu 17. října 2015. (neurčitý)
↑ Merrill, 2010 , str. 174-176.
↑ Ho a kol., 1994 , str. 366.
↑ Richard B. Frankel. Magnetotaktické bakterie ve společnosti Cal Poly . Kalifornská polytechnická státní univerzita. Získáno 10. října 2011. Archivováno z originálu 3. února 2012.
↑ Hubert a Schaefer 1998 , pp. 97-98.
↑ Tolstoj N. A., Spartakov A. A. Nový typ magnetismu - aromagnetismus // JETP Letters, vol. 52, no. 3, str. 796-799 . Získáno 14. dubna 2022. Archivováno z originálu dne 14. února 2019. (neurčitý)

Literatura

Populárně vědecké publikace

Baryakhtar V. G. , Ivanov B. A. Ve světě magnetických domén. - K . : Naukova Dumka, 1986. - 159 s. - 4000 výtisků.
Vonsovský S. V. Magnetismus. — M .: Nauka, 1984. — 208 s. - 40 000 výtisků.
Kartsev V.P. Magnet po tři tisíciletí. - Ed. 4., revidovaný. a doplňkové - L .: Energoatomizdat, 1988.
Perelman Ya. I. Zábavná fyzika. - Leningrad: Čas, 1932. - T. 2.
Keithley, JF Příběh elektrických a magnetických měření: od roku 500 př. n. l. do 40. let 20. století. - John Wiley and Sons, 1999. - 240 s. — ISBN 9780780311930 .
Selin, H. Encyklopedie dějin vědy, techniky a medicíny v nezápadních kulturách . - Springer, 1997. - 1117 s. — ISBN 9780792340669 .
Verschuur, GL Skrytá přitažlivost: historie a tajemství magnetismu. - Oxford University Press, 199. - 272 s. — ISBN 9780195106558 .

Kurzy obecné a teoretické fyziky

Kirichenko N.A. Elektřina a magnetismus: učebnice. vyrovnání ... ve směru "Aplikovaná matematika a fyzika". - Moskva: MIPT, 2011. - 420 s. : nemocný.; 21 cm; ISBN 978-5-7417-0356-4 .
Landau L.D. , Lifshits E.M. Elektrodynamika spojitých médií // Teoretická fyzika . - Ed. 2., přel. a doplňkové E. M. Lifshitz a L. P. Pitaevsky. - M .: Nauka, 1982. - T. VIII. — 621 s. - 40 000 výtisků.
Savelyev IV Elektřina a magnetismus // Kurz obecné fyziky. - M. : Astrel / AST, 2004. - T. 2. - 336 s. - 5000 výtisků. — ISBN 5-17-003760-0 .
Sivukhin DV Electricity // Obecný kurz fyziky. - M. : Fizmatlit, 2004. - T. III. — 656 s. — ISBN 5-9221-0227-3 .
Feynman R. , Layton R., Sands M. Continuum Physics // = The Feynman Lectures on Physics / Ed. I, A. Smorodinsky, přel. A. V. Efremov a Yu. A. Simonov. - Problém. 7. - M. : Mir, 1966. - T. 2. - 290 s.

Fyzika pevných látek a magnetismus

Akhiezer A. I. , Baryakhtar V. G., Peletminsky S. V. Spinové vlny. - M. : Nauka, 1967. - 368 s. — 10 000 výtisků.
Vonsovský S. V. Magnetismus. Magnetické vlastnosti dia-, para-, ferro-, antifero- a ferrimagnetik. - M .: Nauka, 1971. - 1032 s. — 12 000 výtisků.
Baryakhtar VG, Krivoruchko VN, Yablonsky DA Greenovy funkce v teorii magnetismu. - K . : Naukova Dumka, 1984. - 336 s.
Gurevich A. G., Melkov G. A. Magnetické oscilace a vlny. - M. : Fizmatlit, 1994. - 464 s. — ISBN 5-02-014366-9 .
Kosevich A. M., Ivanov B. A., Kovalev A. S. Nelineární vlny magnetizace. Dynamické a topologické solitony. - K . : Naukova Dumka, 1983. - 192 s.
Krinchik G.S. Fyzika magnetických jevů. - M. : Moskevské nakladatelství. Univerzita, 1976. - 367 s.
O. V. Treťjak, V. A. Lvov, O. V. Barabanov. Fyzikální základy spinové elektroniky. - K . : Kyjevská univerzita, 2002. - 314 s. — ISBN 966-594-323-5 .
Tyablikov SV Metody kvantové teorie magnetismu. 2. vyd. - M., 1975.
Baigrie BS Elektřina a magnetismus: historická perspektiva. - Greenwood Publishing Group, 2007. - 165 s. — ISBN 9780313333583 .
Alloul, H. Úvod do fyziky elektronů v pevných látkách / Přel. od S. Lyle. - Springer, 2010. - 630 s. — (Absolventské texty z fyziky). — ISBN 9783642135644 .
Guimarães AP Od magnetitu k supermagnetům: pochopení magnetických jevů. - Wiley-VCH, 2005. - 236 s. — ISBN 9783527405572 .
de Lacheisserie E., Gignoux D., Schlenker M. Magnetism: Fundamentals. - Springer, 2005. - Sv. 1. - 507 str. - (magnetismus). — ISBN 9780387229676 .
Hubert A., Schäfer R. Magnetické domény: analýza magnetických mikrostruktur. - Springer, 1998. - 696 s. — ISBN 9783540641087 .
Mattis, DC Zjednodušená teorie magnetismu: úvod do fyzikálních pojmů a do některých užitečných matematických metod. - World Scientific, 2006. - 565 s. — ISBN 9789812385796 .
Mohn, P. Magnetismus v pevném stavu: úvod. - 2. - Birkhäuser, 2006. - Sv. 134. - 229 s. - (Springerova řada ve vědách o pevné fázi). — ISBN 9783540293842 .
Russo S. Zkřížený Andreevův odraz a transport elektronů ve feromagnetických hybridních strukturách / Ir. T. M. Klapwijk. - Wageningen: Ponsen & Looijen, 2007. - (Série Casimir PhD). - ISBN 978-90-8593-030-3 .
Sarkar, T. K. Historie bezdrátového připojení. - John Wiley and Sons, 2006. - Sv. 177. - 655 s. - (Wileyova řada v mikrovlnném a optickém inženýrství). — ISBN 9780471718147 .
Tsymbal EY a Pettifor DG Perspektivy obří magnetorezistence // Fyzika pevných látek / Ed. od Henry Ehrenreich, Frederick Seitz, David Turnbull, Frans Spaepen. - Academic Press, 2001. - Sv. 56. - 483 s. — (Fyzika pevných látek: Pokroky ve výzkumu a aplikacích). — ISBN 9780126077568 .
Valenzuela, R. Magnetická keramika. - Cambridge University Press, 1994. - Sv. 4. - S. 1. - 312 s. — (Chemie pevných látek). — ISBN 9780521364850 .

Bio- a geomagnetismus

Ronald T. Merrill. Naše magnetická Země: Věda o geomagnetismu . - University of Chicago Press, 2010. - 272 s. — ISBN 9780226520506 .
Mae-Wan Ho, Fritz Albert Popp, Ulrich Warnke. Bioelektrodynamika a biokomunikace. - World Scientific, 1994. - 272 s. — ISBN 9789810216658 .

Odkazy

Digitalizované historické knihy

Alexandr Neckam . De Naturis Rerum Libri Duo s básní stejného autora, De Laudribus Divinæ Sapientiæ (vydáno v roce 1187 n. l.) / Longman, Green, Longman, Roberts a Green. — 1863.
Pierre de Maricourt . O magnetu . - M . : Sborník prací Ústavu dějin přírodních věd a techniky Akademie věd SSSR, 1959. - Vydání. 22 . - S. 293-323 .
John Baptist Porta ( Eng. Giambattista della Porta ). Přírodní magie=lat. Magiae naturalis (vyd. 1584 n. l.) / přel. do Ing. Archivováno16. května 2008 naWayback Machine
William Gilbert . Na kameni a magnetických tělesech a na velkém magnetu země. Nová fyziologie, prokázaná mnoha argumenty a experimenty = lat. De Magnete , Magneticis qve Corporib vs, et de Magno magnete tellure; Phyfiologia noua, plurimis & argumentis, & experimentis demonftrata (vyd. v roce 1600 n. l.) / P. F. Mottelay (přel.), E. Wright. - New York, J. Wiley & synové, 1893.
Maxwell, James Clerk . Pojednání o elektřině a magnetismu . — 2. vyd. - Oxford: Clarendon Press, 1881. - Sv. já
Maxwell, James Clerk. Pojednání o elektřině a magnetismu . — 2. vyd. - Oxford: Clarendon Press, 1881. - Sv. II.

Vzdělávací zdroje

Magnetismus: Vše o magnetismu (nepřístupný odkaz) . — Oblíbený úvod do fyziky magnetismu. Získáno 23. května 2011. Archivováno z originálu dne 22. srpna 2011. (Ruština)
Mag Lab U: Learning about Electricity and Magnetism (anglicky) (odkaz není dostupný) . Floridská státní univerzita. Magnetická laboratoř. — Historie elektřiny a magnetismu, fyzikální ukázky. Získáno 24. května 2011. Archivováno z originálu 22. srpna 2011.
K. Inomata. Magnetismus a magnetické materiály (anglicky) (odkaz není k dispozici) . Národní ústav pro materiálové vědy. Získáno 11. července 2011. Archivováno z originálu dne 22. srpna 2011.
Gaussian, S.I. a další systémy jednotek v elektromagnetické teorii (anglicky) . Fyzika @ Berkeley // Berkeley University of California. Datum přístupu: 16. října 2011. Archivováno z originálu 3. února 2012.

Slovníky a encyklopedie

V bibliografických katalozích
BNE : XX524526 BNF : 133190145 GND : 4037021-5 J9U : 987007543554905171 LCCN : sh85079759 NDL : 00574858 NKC : ph122550

Magnetické stavy
diamagnetismus superdiamagnetismus paramagnetismus superparamagnetismus feromagnetismus superferomagnetismus antiferomagnetismus ferrimagnetismus helimagnetismus metamagnetismus mikromagnetismus točit sklo točit led feromagnetický supravodič