Sifa za sumaku za nyenzo ni aina ya matukio halisi yanayopatanishwa na nyuga. Mikondo ya umeme na nyakati za sumaku za chembe za msingi hutoa uwanja unaofanya kazi kwa mikondo mingine. Athari zinazojulikana zaidi hutokea katika nyenzo za ferromagnetic, ambazo huvutiwa sana na uga wa sumaku na zinaweza kuwa na sumaku ya kudumu, na kutengeneza sehemu zenye chaji zenyewe.
Vitu vichache pekee ndivyo vyenye ferromagnetic. Kuamua kiwango cha maendeleo ya jambo hili katika dutu fulani, kuna uainishaji wa vifaa kulingana na mali ya magnetic. Ya kawaida ni chuma, nikeli na cob alt na aloi zao. Kiambishi awali ferro- kinarejelea chuma kwa sababu sumaku ya kudumu ilionekana kwanza katika chuma tupu, aina ya madini asilia ya chuma inayoitwa sifa za sumaku za nyenzo, Fe3O4.
Nyenzo za Paramagnetic
Ingawaferromagnetism inawajibika kwa athari nyingi za sumaku zilizokutana katika maisha ya kila siku, vifaa vingine vyote vinaathiriwa na shamba kwa kiwango fulani, pamoja na aina zingine za sumaku. Dutu za paramagnetic kama vile alumini na oksijeni huvutiwa hafifu kwenye uwanja wa sumaku unaotumika. Dutu za diamagnetic kama vile shaba na kaboni hufukuza kwa nguvu.
Wakati nyenzo za antiferromagnetic kama vile chromium na miwani inayozunguka zina uhusiano changamano na uga sumaku. Uimara wa sumaku kwenye nyenzo za paramagnetic, diamagnetic, na antiferromagnetic kwa kawaida ni dhaifu sana kuweza kuhisiwa na zinaweza kutambuliwa tu kwa vifaa vya maabara, kwa hivyo dutu hizi hazijumuishwi kwenye orodha ya nyenzo ambazo zina sifa za sumaku.
Masharti
Hali ya sumaku (au awamu) ya nyenzo inategemea halijoto na vigeu vingine kama vile shinikizo na uga wa sumaku unaotumika. Nyenzo inaweza kuonyesha zaidi ya aina moja ya sumaku kadiri vigeu hivi vinavyobadilika.
Historia
Sifa za sumaku za nyenzo ziligunduliwa kwa mara ya kwanza katika ulimwengu wa kale wakati watu waligundua kuwa sumaku, vipande vya madini vilivyo na sumaku kiasili, vinaweza kuvutia chuma. Neno "sumaku" linatokana na neno la Kigiriki Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, "jiwe la magnesian, jiwe la miguu".
Katika Ugiriki ya kale, Aristotle alihusisha mjadala wa kwanza wa kile kinachoweza kuitwa mjadala wa kisayansi kuhusu sifa za sumaku za nyenzo,mwanafalsafa Thales wa Mileto, aliyeishi kutoka 625 BC. e. kabla ya 545 BC e. Maandishi ya kale ya kitabibu ya Kihindi Sushruta Samhita inaeleza matumizi ya magnetite kuondoa mishale iliyopachikwa kwenye mwili wa binadamu.
China ya Kale
Katika Uchina wa kale, marejeleo ya awali ya fasihi ya sifa za umeme na sumaku za nyenzo hupatikana katika kitabu cha karne ya 4 KK kilichoitwa baada ya mwandishi wake, The Sage of the Valley of Ghosts. Kutajwa kwa mara ya kwanza kwa mvuto wa sindano ni katika kazi ya karne ya 1 Lunheng (Maombi Yanayowiwa Mizani): "sumaku huvutia sindano."
Mwanasayansi wa China wa karne ya 11 Shen Kuo alikuwa mtu wa kwanza kueleza - katika Insha ya Dimbwi la Ndoto - dira yenye sumaku yenye sindano na kwamba iliboresha usahihi wa urambazaji kupitia mbinu za unajimu. dhana ya kaskazini ya kweli. Kufikia karne ya 12, Wachina walijulikana kutumia dira ya sumaku kwa urambazaji. Walitengeneza kijiko cha mwongozo kutoka kwa jiwe ili mpini wa kijiko uelekee kusini kila wakati.
Enzi za Kati
Alexander Neckam, kufikia 1187, alikuwa wa kwanza barani Ulaya kuelezea dira na matumizi yake kwa urambazaji. Mtafiti huyu kwa mara ya kwanza huko Uropa alianzisha kabisa mali ya nyenzo za sumaku. Mnamo 1269 Peter Peregrine de Maricourt aliandika Epistola de magnete, mkataba wa kwanza uliosalia unaoelezea mali ya sumaku. Mnamo 1282, sifa za dira na nyenzo zenye sifa maalum za sumaku zilielezewa na al-Ashraf, mwanafizikia wa Yemeni, mnajimu na mwanajiografia.
Renaissance
Mnamo 1600, William Gilbert alichapishayake “Magnetic Corpus” na “Magnetic Tellurium” (“Kwenye Sumaku na Miili ya Sumaku, na pia kwenye Sumaku Kubwa ya Dunia”). Katika karatasi hii, anaelezea majaribio yake mengi na dunia yake ya kielelezo, iitwayo terrella, ambayo kwayo alifanya utafiti kuhusu sifa za nyenzo za sumaku.
Kutokana na majaribio yake, alifikia hitimisho kwamba Dunia yenyewe ni ya sumaku na ndiyo sababu dira zilielekeza kaskazini (hapo awali, wengine waliamini kuwa ni nyota ya nguzo (Polaris) au kisiwa kikubwa cha sumaku Kaskazini. Nguzo iliyovutia dira).
Wakati mpya
Uelewa wa uhusiano kati ya umeme na vifaa vyenye sifa maalum za sumaku ulionekana mnamo 1819 katika kazi ya Hans Christian Oersted, profesa katika Chuo Kikuu cha Copenhagen, ambaye aligundua kwa bahati mbaya kusokota sindano ya dira karibu na waya ambayo umeme. sasa inaweza kuunda shamba la magnetic. Jaribio hili muhimu linajulikana kama Jaribio la Oersted. Majaribio mengine kadhaa yalifuatiwa na André-Marie Ampère, ambaye aligundua mwaka wa 1820 kwamba uga wa sumaku unaozunguka kwenye njia iliyofungwa ulihusiana na mkondo unaotiririka kuzunguka eneo la njia.
Carl Friedrich Gauss alikuwa akijishughulisha na utafiti wa sumaku. Jean-Baptiste Biot na Felix Savart mnamo 1820 walikuja na sheria ya Biot-Savart, ambayo inatoa mlinganyo unaohitajika. Michael Faraday, ambaye aligundua mnamo 1831 kwamba mtiririko wa sumaku unaobadilika wakati kupitia kitanzi cha waya ulisababisha voltage. Na wanasayansi wengine wamepata uhusiano zaidi kati ya sumaku na umeme.
karne ya XX na yetumuda
James Clerk Maxwell alisanikisha na kupanua uelewa huu wa milinganyo ya Maxwell kwa kuunganisha umeme, usumaku na macho katika nyanja ya sumaku-umeme. Mnamo 1905, Einstein alitumia sheria hizi kuhamasisha nadharia yake ya uhusiano maalum kwa kuhitaji kwamba sheria ziwe za kweli katika viunzi vyote vya marejeleo vya inertial.
Sumakuukuumeme imeendelea kubadilika hadi karne ya 21, ikijumuishwa katika nadharia za kimsingi zaidi za nadharia ya geji, mienendo ya kielektroniki ya quantum, nadharia ya udhaifu wa elektroni, na hatimaye modeli ya kawaida. Siku hizi, wanasayansi tayari wanasoma mali ya sumaku ya vifaa vya nanostructured kwa nguvu na kuu. Lakini uvumbuzi mkuu na wa kushangaza zaidi katika uwanja huu labda bado uko mbele yetu.
Essence
Sifa za sumaku za nyenzo hutokana hasa na muda wa sumaku wa elektroni obiti za atomi zao. Nyakati za sumaku za viini vya atomiki kwa kawaida ni maelfu ya mara ndogo kuliko zile za elektroni, na kwa hivyo hazizingatiwi katika muktadha wa usumaku wa nyenzo. Matukio ya sumaku ya nyuklia hata hivyo ni muhimu sana katika miktadha mingine, hasa katika miale ya sumaku ya nyuklia (NMR) na upigaji picha wa mwangwi wa sumaku (MRI).
Kwa kawaida, idadi kubwa ya elektroni katika nyenzo hupangwa kwa njia ambayo muda wake wa sumaku (ya obiti na ya ndani) hubatilika. Kwa kiasi fulani, hii ni kutokana na ukweli kwamba elektroni huchanganyika katika jozi na matukio ya sumaku yaliyo kinyume kama matokeo ya kanuni ya Pauli (angalia usanidi wa Electron) na kuunganishwa katika ganda ndogo zilizojazwa na mwendo sufuri wa obiti.
BKatika visa vyote viwili, elektroni hutumia mizunguko ambayo wakati wa sumaku wa kila elektroni hughairiwa na wakati tofauti wa elektroni nyingine. Zaidi ya hayo, hata wakati usanidi wa elektroni ni kama kwamba kuna elektroni ambazo hazijaoanishwa na/au ganda ndogo ambazo hazijajazwa, mara nyingi ni kwamba elektroni tofauti katika kigumu zitachangia wakati wa sumaku ambao huelekeza katika mwelekeo tofauti, wa nasibu, ili nyenzo zisiwe. sumaku.
Wakati mwingine, kwa hiari au kwa sababu ya uga wa sumaku wa nje, kila moja ya matukio ya sumaku ya elektroni yatajipanga kwa wastani. Nyenzo inayofaa inaweza kuunda uga thabiti wa sumaku.
Tabia ya sumaku ya nyenzo inategemea muundo wake, hasa usanidi wake wa kielektroniki, kwa sababu zilizotolewa hapo juu, na pia juu ya halijoto. Katika halijoto ya juu, mwendo wa nasibu wa mafuta hufanya iwe vigumu kwa elektroni kupangilia.
Diamagnetism
Diamagnetism hupatikana katika nyenzo zote na ni tabia ya nyenzo kupinga uga unaotumika wa sumaku na kwa hivyo kurudisha uga sumaku. Hata hivyo, katika nyenzo yenye mali ya paramagnetic (yaani, na tabia ya kuimarisha shamba la nje la magnetic), tabia ya paramagnetic inatawala. Kwa hivyo, licha ya tukio la ulimwengu wote, tabia ya diamagnetic inazingatiwa tu katika nyenzo safi ya diamagnetic. Hakuna elektroni ambazo hazijaoanishwa katika nyenzo ya diamagnetic, kwa hivyo nyakati za sumaku za elektroni haziwezi kuunda.athari yoyote ya sauti.
Tafadhali kumbuka kuwa maelezo haya yanalenga kama urithi pekee. Nadharia ya Bohr-Van Leeuwen inaonyesha kwamba diamagnetism haiwezekani kulingana na fizikia ya kitambo, na kwamba uelewa sahihi unahitaji maelezo ya kiufundi ya quantum.
Kumbuka kuwa nyenzo zote hupitia jibu hili la obiti. Hata hivyo, katika vitu vya paramagnetic na ferromagnetic, athari ya diamagnetic hukandamizwa na athari kali zaidi zinazosababishwa na elektroni ambazo hazijaoanishwa.
Kuna elektroni ambazo hazijaoanishwa katika nyenzo ya paramagnetic; yaani, obiti za atomiki au za molekuli zenye elektroni moja ndani yake. Ingawa kanuni ya kutengwa kwa Pauli inahitaji elektroni zilizooanishwa kuwa na nyakati zao za sumaku ("spin") zinazoelekeza pande tofauti, na kusababisha sehemu zao za sumaku kughairi, elektroni ambayo haijaoanishwa inaweza kupanga muda wake wa sumaku katika pande zote mbili. Sehemu ya nje inapotumika, matukio haya yataelekea kujipanga katika mwelekeo sawa na uga unaotumika, na kuiimarisha.
Ferromagnets
Ferromagnet, kama dutu ya paramagnetic, ina elektroni ambazo hazijaoanishwa. Walakini, pamoja na tabia ya wakati wa sumaku wa elektroni kuwa sawa na uwanja uliotumiwa, katika nyenzo hizi pia kuna tabia ya wakati huu wa sumaku kujielekeza sawa kwa kila mmoja ili kudumisha hali ya kupunguzwa. nishati. Kwa hivyo, hata kwa kukosekana kwa uwanja uliotumikamuda wa sumaku wa elektroni katika nyenzo hujipanga sawia kwa kila moja.
Kila dutu ya ferromagnetic ina halijoto yake ya kibinafsi, inayoitwa joto la Curie, au nukta ya Curie, ambayo juu yake hupoteza sifa zake za ferromagnetic. Hii ni kwa sababu mwelekeo wa hali ya joto kuharibika hulemea kupunguzwa kwa nishati kutokana na mpangilio wa ferromagnetic.
Ferromagnetism hutokea tu katika vitu vichache; chuma, nikeli, kob alti, aloi zake, na aloi adimu za ardhi ni za kawaida.
Muda mfupi wa sumaku wa atomi katika nyenzo ya ferromagnetic huzifanya kufanya kazi kama sumaku ndogo za kudumu. Hushikamana na kuchanganyika katika sehemu ndogo za upatanishi unaofanana zaidi au mdogo unaoitwa vikoa vya sumaku au vikoa vya Weiss. Vikoa vya sumaku vinaweza kuangaliwa kwa kutumia darubini ya nguvu ya sumaku ili kufichua mipaka ya kikoa cha sumaku inayofanana na mistari nyeupe katika mchoro. Kuna majaribio mengi ya kisayansi ambayo yanaweza kuonyesha uga sumaku.
Wajibu wa vikoa
Kikoa kikiwa na molekuli nyingi sana, huwa si dhabiti na kugawanywa katika vikoa viwili vilivyopangiliwa katika mwelekeo tofauti ili kushikamana kwa uthabiti zaidi, kama inavyoonyeshwa upande wa kulia.
Inapoonyeshwa uga wa sumaku, mipaka ya kikoa husogea ili vikoa vilivyopangiliwa kwa sumaku vikue na kutawala muundo (eneo la manjano lenye vitone), kama inavyoonyeshwa upande wa kushoto. Uga wa sumaku unapoondolewa, vikoa huenda visirudi kwenye hali isiyo na sumaku. Hii inapelekeakwa sababu nyenzo ya ferromagnetic ina sumaku, na kutengeneza sumaku ya kudumu.
Usumaku ulipokuwa na nguvu ya kutosha kiasi kwamba kikoa kikuu kilipishana vingine vyote, na kusababisha uundaji wa kikoa kimoja pekee, nyenzo hiyo ilijaa sumaku. Nyenzo ya sumaku ya ferromagnetic inapopashwa hadi joto la uhakika la Curie, molekuli huchanganyika hadi mahali ambapo vikoa vya sumaku hupoteza mpangilio na sifa za sumaku zinazosababisha kukoma. Nyenzo inapopozwa, muundo huu wa upatanishi wa kikoa hurudi yenyewe, takriban sawa na jinsi kioevu kinavyoweza kuganda na kuwa kigumu cha fuwele.
Antiferromagnetics
Katika antiferromagnet, tofauti na ferromagnet, matukio ya asili ya sumaku ya elektroni za valence jirani huwa na mwelekeo tofauti. Wakati atomi zote zimepangwa katika dutu ili kila jirani ni antiparallel, dutu hii ni antiferromagnetic. Antiferromagnets zina muda wa sumaku wa sifuri, kumaanisha kuwa haziundi uga.
Antiferromagnets ni nadra kuliko aina nyingine za tabia na mara nyingi huzingatiwa katika halijoto ya chini. Katika halijoto tofauti, antiferromagnets huonyesha sifa za diamagnetic na ferromagnetic.
Katika baadhi ya nyenzo, elektroni za jirani hupendelea kuelekeza pande tofauti, lakini hakuna mpangilio wa kijiometri ambapo kila jozi ya majirani haijapangiliwa. Inaitwa spin kioo nani mfano wa kuchanganyikiwa kwa kijiometri.
Sifa za sumaku za nyenzo za ferromagnetic
Kama ferromagnetism, ferrimagnets huhifadhi usumaku wao bila uga. Walakini, kama antiferromagnets, jozi za karibu za mizunguko ya elektroni huwa na mwelekeo tofauti. Sifa hizi mbili hazipingani kwa sababu, katika mpangilio mzuri zaidi wa kijiometri, muda wa sumaku kutoka kwa sublattice ya elektroni zinazoelekea upande uleule ni mkubwa kuliko kutoka kwa kijiti kidogo kinachoelekeza upande mwingine.
Feri nyingi ni ferrimagnetic. Sifa za sumaku za nyenzo za ferromagnetic leo zinachukuliwa kuwa hazikubaliki. Dutu ya kwanza ya sumaku iliyogunduliwa, magnetite, ni ferrite na hapo awali ilifikiriwa kuwa ferromagnet. Hata hivyo, Louis Neel alikanusha hili kwa kugundua ferrimagnetism.
Wakati ferromagnet au ferrimagnet ni ndogo vya kutosha, hufanya kazi kama mzunguko mmoja wa sumaku unaoongozwa na mwendo wa Brownian. Mwitikio wake kwa uga wa sumaku unafanana kimaelezo na ule wa paramagnet, lakini mengi zaidi.
sumaku-umeme
Sumakume ya kielektroniki ni sumaku ambayo uga wa sumaku huundwa na mkondo wa umeme. Sehemu ya magnetic inapotea wakati sasa imezimwa. Sumaku-umeme kwa kawaida huwa na idadi kubwa ya zamu zilizo na nafasi za karibu za waya ambazo huunda uwanja wa sumaku. Mizunguko ya waya mara nyingi hujeruhiwa karibu na msingi wa sumaku uliotengenezwa kwa nyenzo za ferromagnetic au ferrimagnetic.nyenzo kama vile chuma; kiini cha sumaku hukazia mtiririko wa sumaku na kuunda sumaku yenye nguvu zaidi.
Faida kuu ya sumaku-umeme juu ya sumaku ya kudumu ni kwamba uga wa sumaku unaweza kubadilishwa kwa haraka kwa kudhibiti kiasi cha mkondo wa umeme kwenye vilima. Hata hivyo, tofauti na sumaku ya kudumu, ambayo haihitaji nguvu, sumaku-umeme huhitaji ugavi unaoendelea wa sasa ili kudumisha uga wa sumaku.
Sumaku-umeme hutumika sana kama vipengee vya vifaa vingine vya umeme kama vile injini, jenereta, relay, solenoids, vipaza sauti, diski kuu, mashine za MRI, ala za kisayansi na vifaa vya kutenganisha sumaku. Sumaku-umeme pia hutumika viwandani kushika na kusogeza vitu vya chuma vizito kama vile chuma chakavu na chuma. Usumaku-umeme uligunduliwa mnamo 1820. Wakati huo huo, uainishaji wa kwanza wa nyenzo kulingana na sifa za sumaku ulichapishwa.
