Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

В электромагнетизме , то магнитная восприимчивость ( латинский : susceptibilis , «восприимчивый»; обозначаются χ ) является мерой того , насколько материал будет намагничивается в приложенном магнитное поле. Это отношение намагниченности М (магнитный момент на единицу объема) до приложенного намагничивающего поля интенсивности H . Это позволяет легко классифицировать на две категории реакции большинства материалов на приложенное магнитное поле: выравнивание с магнитным полем, χ> 0 , называемое парамагнетизмом , или выравнивание против поля, χ <0 , называемое диамагнетизмом .

Магнитная восприимчивость показывает, притягивается ли материал магнитным полем или отталкивается от него. Парамагнитные материалы выравниваются по приложенному полю и притягиваются к областям с большим магнитным полем. Диамагнитные материалы не выровнены и отталкиваются в сторону областей с более низкими магнитными полями. Вдобавок к приложенному полю намагниченность материала добавляет собственное магнитное поле, в результате чего силовые линии концентрируются при парамагнетизме или исключаются при диамагнетизме. [1] Количественные измерения магнитной восприимчивости также дают представление о структуре материалов, обеспечивая понимание уровней связи и энергии . Кроме того, он широко используется в геологии для палеомагнитных исследований и структурной геологии. [2]

Намагничиваемость материалов определяется магнитными свойствами на атомном уровне частиц, из которых они сделаны. Обычно здесь преобладают магнитные моменты электронов. Электроны присутствуют во всех материалах, но без какого-либо внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов обычно либо спарены, либо случайны, так что общий магнетизм равен нулю (исключением из этого обычного случая является ферромагнетизм ). Фундаментальные причины, по которым магнитные моменты электронов совпадают или не совпадают, очень сложны и не могут быть объяснены классической физикой. Однако полезным упрощением является измерение магнитной восприимчивости материала и применение макроскопической формы уравнений Максвелла.. Это позволяет классической физике делать полезные прогнозы, избегая при этом лежащих в основе квантово-механических деталей.

Определение [ править ]

Восприимчивость к объему [ править ]

Магнитная восприимчивость - это безразмерная константа пропорциональности, которая указывает степень намагничивания материала в ответ на приложенное магнитное поле . Связанный термин - намагничиваемость , соотношение между магнитным моментом и плотностью магнитного потока . [3] Тесно связанным параметром является проницаемость , которая выражает общую намагниченность материала и объема.

Объем магнитная восприимчивость , представленное символом х V (часто просто χ , иногда χ м  - магнитные, чтобы отличить от электрической восприимчивости ), определяются в Международной системе единиц  - в других системах могут существовать дополнительные константы - по следующие отношения: [4]

Здесь

Следовательно, χ v - безразмерная величина .

Использование единиц СИ , то магнитная индукция В связана с H соотношением

где μ 0 - проницаемость вакуума (см. таблицу физических констант ), а (1 + χ v ) - относительная проницаемость материала. Таким образом, объемная магнитная восприимчивость χ v и магнитная проницаемость μ связаны следующей формулой:

Иногда [5] вспомогательная величина, называемая интенсивностью намагничивания I (также называемая магнитной поляризацией J ) и измеряемая в теслах , определяется как

Это позволяет альтернативное описание всех явлений намагниченности в терминах величин I и B , в отличие от обычно используемого M и H .

Массовая восприимчивость и молярная восприимчивость [ править ]

Есть два других показателя восприимчивости: массовая магнитная восприимчивость ( χ масса или χ g , иногда χ m ), измеряемая в м 3 / кг (СИ), и молярная магнитная восприимчивость ( χ моль ), измеряемая в м 3 / моль, которые являются определено ниже, где ρ - плотность в кг / м 3, а M - молярная масса в кг / моль:

В единицах CGS [ править ]

Обратите внимание, что приведенные выше определения соответствуют соглашениям SI . Тем не менее, многие таблицы магнитной восприимчивости дают значения cgs (точнее, emu-cgs , сокращение от электромагнитных единиц, или Gaussian-cgs ; в данном контексте они одинаковы). Эти единицы полагаются на другое определение проницаемости свободного пространства: [6]

Безразмерные СГС значение объемной восприимчивости умножается на 4 П , чтобы дать безразмерную SI значение объема восприимчивости: [6]

Например, объемная магнитная восприимчивость воды при 20 ° C составляет 7,19 × 10 −7 , что составляет9,04 × 10 −6 с использованием соглашения SI .

В физике принято видеть массовую восприимчивость КГС, выраженную в см 3 / г или ЭМЕ / г · э- 1 , поэтому для преобразования в объемную восприимчивость СИ мы используем преобразование [7]

где ρ cgs - плотность, указанная в г / см 3 , или

.

Молярная восприимчивость измеряется в см 3 / моль или ЭМЕ / моль · э- 1 в сГс и пересчитывается с учетом молярной массы .

Парамагнетизм и диамагнетизм [ править ]

Если χ положительно, материал может быть парамагнитным . В этом случае магнитное поле в материале усиливается наведенной намагниченностью. В качестве альтернативы, если χ отрицательно, материал диамагнитен . В этом случае магнитное поле в материале ослабляется наведенной намагниченностью. Обычно немагнитные материалы называют пара- или диамагнитными, потому что они не обладают постоянной намагниченностью без внешнего магнитного поля. Ферромагнитные , ферримагнитные или антиферромагнитные материалы обладают постоянной намагниченностью даже без внешнего магнитного поля и не имеют четко определенной восприимчивости к нулевому полю.

Экспериментальное измерение [ править ]

Объемная магнитная восприимчивость измеряется изменением силы, ощущаемой веществом при приложении градиента магнитного поля. [8] Первые измерения проводились с использованием весов Гуи, на которых образец подвешивали между полюсами электромагнита. Изменение веса при включении электромагнита пропорционально восприимчивости. Сегодня в высокотехнологичных измерительных системах используется сверхпроводящий магнит. Альтернативой является измерение изменения силы на сильном компактном магните при введении образца. Эта широко используемая сегодня система называется балансом Эванса . [9] Для жидких образцов восприимчивость можно измерить по зависимости ЯМРчастота образца от его формы или ориентации. [10] [11] [12] [13] [14]

Другой метод, использующий методы ЯМР, измеряет искажение магнитного поля вокруг образца, погруженного в воду внутри МР-сканера. Этот метод очень точен для диамагнитных материалов с чувствительностью, подобной воде. [15]

Восприимчивость к тензор [ править ]

Магнитная восприимчивость большинства кристаллов не является скалярной величиной. Магнитный ответ М зависит от ориентации образца и может иметь место и в других , чем у приложенного поля направлений H . В этих случаях объемная восприимчивость определяется как тензор

где i и j относятся к направлениям (например, x и y в декартовых координатах ) приложенного поля и намагниченности соответственно. Таким образом, тензор имеет ранг 2 (второй порядок), размерность (3,3), описывающую компонент намагниченности в i- м направлении от внешнего поля, приложенного в j- м направлении.

Дифференциальная восприимчивость [ править ]

В ферромагнитных кристаллах связь между M и H не линейна. Чтобы учесть это, более общее определение дифференциальной восприимчивости используется

где χd
ij
является тензором , полученный из частных производных от компонентов М по отношению к компонентам Н . Когда коэрцитивная сила материала, параллельного приложенному полю, меньше из двух, дифференциальная восприимчивость является функцией приложенного поля и самодействий, таких как магнитная анизотропия . Когда материал не насыщен , эффект будет нелинейным и зависеть от конфигурации доменной стенки материала.

Несколько экспериментальных методов позволяют измерять электронные свойства материала. Важным эффектом в металлах в сильных магнитных полях является колебание дифференциальной восприимчивости как функция1/ЧАС. Такое поведение известно как эффект Де Гааза – Ван Альфена и связывает период восприимчивости с поверхностью Ферми материала.

В частотной области [ править ]

Когда магнитная восприимчивость измеряется в ответ на переменное магнитное поле (т. Е. Магнитное поле, которое изменяется синусоидально), это называется восприимчивостью к переменному току . Восприимчивость к переменному току (и тесно связанная с ней «проницаемость по переменному току») являются комплексными числовыми величинами, и в восприимчивости к переменному току можно увидеть различные явления, такие как резонанс, чего нельзя сказать о восприимчивости постоянного поля ( DC ). В частности, когда поле переменного тока применяется перпендикулярно направлению обнаружения (называемое «поперечной восприимчивостью» независимо от частоты), эффект имеет пик на частоте ферромагнитного резонанса материала с заданным статическим приложенным полем. В настоящее время этот эффект называютмикроволновая проницаемость или сетевой ферромагнитный резонанс в литературе. Эти результаты чувствительны к конфигурации доменных стенок материала и вихревых токов .

В терминах ферромагнитного резонанса действие переменного поля, приложенного вдоль направления намагниченности, называется параллельной накачкой .

Примеры [ править ]

Источники путаницы в опубликованных данных [ править ]

В Справочнике по химии и физике CRC есть одна из немногих опубликованных таблиц магнитной восприимчивости. Некоторые данные (например, для алюминия , висмута и алмаза ) указаны как cgs, что вызвало путаницу у некоторых читателей. «cgs» - это сокращение от сантиметров – граммов – секунд ; он представляет форму единиц, но cgs не определяет единицы. Правильные единицы магнитной восприимчивости в сГс - см 3 / моль или см 3 / г. Молярная восприимчивость и массовая восприимчивостьоба перечислены в CRC. В некоторых таблицах магнитная восприимчивость диамагнетиков указана как положительная. Важно проверить заголовок таблицы на предмет правильности единиц и знака показаний магнитной восприимчивости.

Применение в науках о Земле [ править ]

Магнетизм - полезный параметр для описания и анализа горных пород. Кроме того, анизотропия магнитной восприимчивости (AMS) в образце определяет такие параметры, как направления палеотоков, зрелость палеопочв, направление потока нагнетания магмы, тектоническая деформация и т. Д. [2] Это неразрушающий инструмент, который количественно определяет среднее выравнивание и ориентация магнитных частиц в образце. [24]

См. Также [ править ]

  • Постоянная Кюри
  • Электрическая восприимчивость
  • Утюг
  • Магнитная постоянная
  • Плотность магнитного потока
  • Магнетизм
  • Магнитохимия
  • Магнитометр
  • Уравнения Максвелла
  • Палеомагнетизм
  • Проницаемость (электромагнетизм)
  • Количественное картирование восприимчивости
  • Восприимчивость взвешенных изображений

Ссылки [ править ]

  1. ^ Роджер Grinter, Квантовый в химии: экспериментатор Посмотреть , John Wiley & Sons, 2005, ISBN  0470017627 страница 364
  2. ^ a b Tauxe, Лиза (2019). Основы палеомагнетизма: пятое веб-издание . UC Press.
  3. ^ "намагничиваемость, ξ " . Сборник химической терминологии ИЮПАК - Золотая книга (2-е изд.). Международный союз теоретической и прикладной химии . 1997. Архивировано из оригинала на 2016-03-04 . Проверено 13 октября 2011 .
  4. ^ O'Handley, Роберт К. (2000). Современные магнитные материалы . Хобокен, Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471155669.
  5. ^ Ричард А. Кларк. «Магнитные свойства материалов» . Info.ee.surrey.ac.uk . Проверено 8 ноября 2011 .
  6. ^ а б Беннетт, LH; Page, CH & Swartzendruber, LJ (1978). «Комментарии к единицам в магнетизме» . Журнал исследований Национального бюро стандартов . NIST , США. 83 (1): 9–12. DOI : 10,6028 / jres.083.002 .
  7. ^ "Преобразование магнитных единиц IEEE" .
  8. ^ LN Mulay (1972). А. Вайсбергер; Б.В. Росситер (ред.). Методы химии . 4 . Wiley-Interscience: Нью-Йорк. п. 431.
  9. ^ "Весы магнитной восприимчивости" . Sherwood-scientific.com . Проверено 8 ноября 2011 .
  10. JR Zimmerman и MR Foster (1957). «Стандартизация спектров ЯМР высокого разрешения». J. Phys. Chem . 61 (3): 282–289. DOI : 10.1021 / j150549a006 .
  11. ^ Роберт Энгель; Дональд Халперн и Сьюзан Биненфельд (1973). «Определение магнитных моментов в растворе с помощью спектрометрии ядерного магнитного резонанса». Анальный. Chem . 45 (2): 367–369. DOI : 10.1021 / ac60324a054 . PMID 4762356 . 
  12. ^ Kuchel, PW; Чепмен, BE; Бабб, Вашингтон; Хансен, ЧП; Даррант, CJ; Герцберг, член парламента (2003). «Магнитная восприимчивость: растворы, эмульсии и клетки» . Концепции магнитного резонанса . 18А (1): 56–71. arXiv : q-bio / 0601030 . DOI : 10.1002 / cmr.a.10066 . S2CID 13013704 . 
  13. ^ К. Фрей & HJ Бернштейн (1962). «Метод определения магнитной восприимчивости методом ЯМР». J. Chem. Phys . 37 (8): 1891–1892. Bibcode : 1962JChPh..37.1891F . DOI : 10.1063 / 1.1733393 .
  14. Перейти ↑ RE Hoffman (2003). «Вариации химического сдвига ТМС». J. Magn. Резон . 163 (2): 325–331. Bibcode : 2003JMagR.163..325H . DOI : 10.1016 / S1090-7807 (03) 00142-3 . PMID 12914848 . 
  15. ^ a b c d e Wapler, MC; Leupold, J .; Dragonu, I .; фон Эльверфельдт, Д .; Зайцев, М .; Уоллрабе, У. (2014). «Магнитные свойства материалов для MR-техники, микро-MR и не только». JMR . 242 : 233–242. arXiv : 1403,4760 . Bibcode : 2014JMagR.242..233W . DOI : 10.1016 / j.jmr.2014.02.005 . PMID 24705364 . S2CID 11545416 .  
  16. ^ a b c d Р. Э. Глик (1961). «О диамагнитной восприимчивости газов». J. Phys. Chem . 65 (9): 1552–1555. DOI : 10.1021 / j100905a020 .
  17. ^ а б в г Джон Ф. Шенк (1993). «Роль магнитной восприимчивости в магнитно-резонансной томографии: магнитная совместимость МРТ первого и второго видов». Медицинская физика . 23 (6): 815–850. Bibcode : 1996MedPh..23..815S . DOI : 10.1118 / 1.597854 . PMID 8798169 .  
  18. ^ GP Arrighini; М. Маэстро и Р. Мочча (1968). «Магнитные свойства многоатомных молекул: магнитная восприимчивость H 2 O, NH 3 , CH 4 , H 2 O 2 ». J. Chem. Phys . 49 (2): 882–889. Bibcode : 1968JChPh..49..882A . DOI : 10.1063 / 1.1670155 .
  19. ^ J. Heremans, СН Olk и ДТ Morelli (1994). «Магнитная восприимчивость углеродных структур». Phys. Rev. B . 49 (21): 15122–15125. Bibcode : 1994PhRvB..4915122H . DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.15122 . PMID 10010619 . 
  20. ^ a b c Н. Гангули и К. С. Кришнан (1941). «Магнитные и другие свойства свободных электронов в графите» . Труды Королевского общества . 177 (969): 168–182. Bibcode : 1941RSPSA.177..168G . DOI : 10,1098 / rspa.1941.0002 .
  21. ^ Нейв, Карл Л. "Магнитные свойства твердых тел" . Гиперфизика . Проверено 9 ноября 2008 .
  22. Перейти ↑ R. Dupree & CJ Ford (1973). «Магнитная восприимчивость благородных металлов в районе их точек плавления». Phys. Rev. B . 8 (4): 1780–1782. Bibcode : 1973PhRvB ... 8.1780D . DOI : 10.1103 / PhysRevB.8.1780 .
  23. ^ С. Отакэ, М. Н. Momiuchi & Мацуно (1980). «Температурная зависимость магнитной восприимчивости висмута». J. Phys. Soc. Jpn . 49 (5): 1824–1828. Bibcode : 1980JPSJ ... 49.1824O . DOI : 10,1143 / JPSJ.49.1824 . Тензор необходимо усреднить по всем ориентациям: χ =1/3χ +2/3χ .
  24. ^ Borradaile, Грэм Джон (декабрь 1988). «Магнитная восприимчивость, петроткани и деформации». Тектонофизика . 156 (1–2): 1–20. Bibcode : 1988Tectp.156 .... 1B . DOI : 10.1016 / 0040-1951 (88) 90279-X .

Внешние ссылки [ править ]

  • Функции линейного отклика у Евы Паварини, Эрика Коха, Дитера Фоллхардта и Александра Лихтенштейна (редакторы): DMFT в 25: бесконечные измерения, Verlag des Forschungszentrum Jülich, 2014 ISBN 978-3-89336-953-9