Magnetické látky

Charakteristickou vlastností prostředí, v němž těleso s nábojem vytváří elektrické pole, je permitivita prostředí. Obdobně zavedl James Maxwell magnetickou charakteristiku látky, kterou nazval permeabilita μ. Je definována jako podíl magnetické indukce B a intenzity magnetického pole H

Pro vakuum vyplývá z teorie hodnota permeability vakua

kde c je rychlost světla ve vakuu. Závislost permeability a permitivity v roce 1852 experimentálně prokázal Wilhelm Weber. Pro plynná prostředí, tedy i pro vzduch, se permeabilita jen velmi málo odlišuje od uvedené hodnoty pro vakuum.

James Clerk Maxwell.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Pavel Trnka. Under Creative Commons.

Abychom mohli magnetické látky porovnávat, byla zavedena veličina relativní permeabilita μ_r

Podle hodnoty relativní permeabilita rozdělujeme látky na paramagnetické (μ_r > 1, konstantní), diamagnetické (μ_r < 1, konstantní) nebo feromagnetické (μ_r >> 1, závisí na intenzitě magnetického pole). K vysvětlení vzniku těchto vlastností musíme vstoupit až do nitra atomu a použít Bohrův model atomu. V Bohrově modelu je každý elektron bodovou částicí, která se pohybuje po přesně určené trajektorii. Jeho pohyb vyvolá vznik magnetického pole, které můžeme charakterizovat veličinou magnetický moment. Je to vektorová veličina, která představuje součin proudu procházejícího smyčkou a vektoru plochy. Magnetický moment vztažený na jednotku objemu se nazývá magnetizace. Je to opět vektorová veličina, která určuje stupeň zmagnetování látky.

Paramagnetické látky

Látky, které magnetické pole zesilují, se nazývají paramagnetické (μ_r > 1). Do této skupiny látek patří např. hliník (μ_r = 1,000023), mangan, chrom a platina. Paramagnetika i bez přítomnosti vnějšího magnetického pole mají magnetický moment různý od nuly. Vložíme–li takovou látku do vnějšího magnetického pole, snaží se magnetické momenty jednotlivých atomů paramagnetika orientovat vždy do směru tohoto pole. Magnetizace paramagnetik je tedy založena na stáčení magnetických momentů atomů do směru působícího magnetického pole. Magnetismus paramagnetických látek je nepřímo úměrný teplotě. tj. s klesající teplotou se intenzita magnetického pole zvětšuje. K tomuto poznatku dospěl Pierre Curie, Paul Langevin a experimentálně je ověřil Heike Kamerlingh–Onnes.

Diamagnetické látky

Látky, které magnetické pole zeslabují, nazýváme diamagnetické (μ_r < 1). Magnetik tohoto typu je poměrně málo, patří mezi ně např. všechny inertní plyny (He, Ne, Ar, Kr, Xe, Rn), většina organických sloučenin, ale také některé kovy (Cu, Ag, Au, Hg, Bi, vizmut) a rovněž voda H₂O. Vložíme–li diamagnetickou látku do vnějšího magnetického pole, nebude toto pole působit na nemagnetický atom vcelku, ale začne ovlivňovat pohyb jednotlivých elektronů, jež obíhají kolem jeho jádra. Pokud vnější magnetické pole nepůsobí, pohybuje se elektron po kruhové trajektorii působením elektrické coulombovské dostředivé síly. Vložíme–li ale diamagnetikum do vnějšího magnetického pole začne na obíhající elektrony v atomech působit navíc další "přídavná" dostředivá síla, síla magnetická a dojde ke změně úhlové rychlosti pohybujícího se elektronu. U elektronu se tak objeví (naindukuje) jistý příspěvek magnetického momentu, který je orientován proti směru původního magnetického pole. Dojde tak k zeslabení původního magnetického pole. V roce 1895 Pierre Curie zjistil, že magnetismus diamagnetických látek není téměř ovlivňován teplotou ani stavem látky.

Feromagnetické látky

Relativní permeabilita feromagnetických látek je velká (10² až 10⁵), což znamená, že tyto látky značně zesilují magnetické pole. Feromagnetizmus pozorujeme za běžných teplot u čtyř prvků (Fe, Co, Ni, Gd) a u různých slitin těchto kovů. Kromě toho byl ale zjištěn i u několika slitin, jež feromagnetické prvky neobsahují. Příkladem mohou být tzv. Heuslerovy slitiny, což jsou některé slitiny manganu s cínem, hliníkem, arzénem, antimonem, vizmutem nebo borem a mědí (přitom As, Sb, Bi, B a Cu jsou dokonce diamagnetika!).

Na rozdíl od diamagnetismu a paramagnetismu (jevy závisející na atomové struktuře) je feromagnetismus jev, který je závislý na uspořádání atomů (iontů) v krystalické mřížce. Samotné atomy feromagnetických látek jsou paramagnetické, o tom svědčí dva jevy. Zahřejeme–li feromagnetickou látku na určitou teplotu, zvanou Curieova teplota, ztrácí skokem svoje feromagnetické vlastnosti a stává se paramagnetickou (např. pro magnetit je tato teplota asi 580 °C). Při této teplotě se výrazně porušuje uspořádání atomů v krystalické mřížce. Při ochlazení pod Curieovu teplotu se stává odmagnetovaným feromagnetikem. V silných magnetických polích se feromagnetické látky stávají paramagnetickými.

Chcete-li někomu zničit jeho magnet, vhoďte jej do ohně. Necháte-li jej chladnout bez přítomnosti magnetického pole, získáte kus nemagnetického materiálu. Zahřejete-li jej ovšem znovu na Curieovu teplotu a necháte-li jej poté chladnout v magnetickém poli, získáte opět magnet.

Zvláštní skupinu magnetických materiálů tvoří ferimagnetické látky čili ferity. Jsou to sloučeniny oxidu železa s oxidy jiných kovů (Mn, Ba), které značně zesilují magnetické pole, a jejich předností je, že ve srovnání s kovovými feromagnetickými materiály mají mnohem větší elektrický odpor, proto se uplatňují v elektrotechnice.

Feromagnetické látky mají doménovou strukturu. Doménová struktura jsou mikrooblasti ve feromagnetiku, které se vyznačují spontánní magnetizací shodného směru. Není–li taková feromagnetická látka vložena do vnějšího magnetického pole, jsou směry magnetických momentů v každé doméně obecně jiné, takže výsledek, jenž získáme jejich součtem je nulový a feromagnetická látka se jeví navenek jako nemagnetická.

Natáčení vektorů vnitřní magnetizace při vložení do vnějšího magnetického pole.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Při zvětšování vnější magnetické indukce se vektory spontánní magnetizace v jednotlivých oblastech (zónách, doménách) skokem natočí do směru vnějšího magnetického pole. Stav nasycení nastává, když všechny vektory vnitřní magnetizace jsou natočeny do směru vnějšího magnetického pole. Ačkoli Weiss vnitřní pole ve feromagnetikách předpověděl, nedokázal jeho existenci vysvětlit. Vysvětlení podstaty tohoto pole podali až později Jakov Iljič Frenkel a Werner Heisenberg na základě existence výměnných sil kvantové povahy mezi elektrony sousedních atomů.

Vložíme–li odmagnetovanou feromagnetickou látku do vnějšího magnetického pole a budeme–li postupně zvyšovat intenzitu magnetického pole H, pak získáme křivku prvotní magnetizace. Při určité hodnotě intenzity magnetického pole se dosáhne nasyceného stavu, kdy magnetická indukce B roste jen nepatrně.

Hysterezní křivka.
Zdroj: Techmania Science Center. Autor: Magda Králová. Under Creative Commons.

Budeme–li nyní intenzitu magnetického pole snižovat bude křivka závislosti magnetické indukce B na intenzitě vnějšího magnetického pole H vypadat jinak, dostaneme tzv. hysterezní křivku (hystereze = zpožďování). Při nulové intenzitě magnetického pole zůstane látka ještě zmagnetizovaná. Provedeme–li celý magnetizační cyklus, dostaneme uzavřenou hysterezní smyčku feromagnetika. Hysterezní smyčky jednotlivých feromagnetik se od sebe liší tvarem i obsahem plochy, kterou ohraničují. Podle tvaru hysterezní smyčky rozlišujeme feromagnetické látky na magneticky měkké s velmi úzkou hysterezní smyčkou, které se snadno zmagnetují, ale po zániku vnějšího magnetického pole přestávají být magnetické. Jsou vhodné tam, kde chceme měnit velikost magnetické indukce pole elektromagnetu. A magneticky tvrdé s širokou hysterezní smyčkou, které zůstanou magnetické i po zániku pole, kterým byly zmagnetovány, a chovají se jako trvalé magnety.

Při zmagnetování feromagnetika dojde ke změně délkových rozměrů i objemu. Tento jev se nazývá magnetostrikce. Velikost a znaménko efektu závisí na intenzitě magnetického pole a na úhlu, který svírá směr pole s osou krystalu. Prodloužení je nepatrné, stotisíciny původní délky.