Magnetismi on liikkuvien sähkövarausten välinen vuorovaikutusmuoto , joka tapahtuu etäisyyden päässä magneettikentän avulla . Sähkön ohella magnetismi on yksi sähkömagneettisen vuorovaikutuksen ilmenemismuodoista . Kvanttikenttäteorian näkökulmasta sähkömagneettista vuorovaikutusta kuljettaa bosoni - fotoni (hiukkanen, joka voidaan esittää sähkömagneettisen kentän kvanttiviritysnä ).
Magneettien ensimmäisestä mainitsemisesta on useita kertomuksia, joita muinaisen maailman historiassa yleensä tarkastellaan kompassin tai uskonnollisten kultien yhteydessä. Erään arvion mukaan magnetiitti eli magneettinen rautamalmi löydettiin ensimmäisen kerran Kiinasta 4000 vuotta eKr. e. Samalla todetaan, että länsimaiset tutkijat asettavat etusijalle muinaisten kreikkalaisten löydön magnetismin [1] . Ensimmäinen maininta aikakauslehdissä magneettisten materiaalien käytöstä juontaa juurensa kolmannelle vuosituhannelle eKr. e., kun legendaarinen Kiinan keisari Huangdi käytti kompassia taistelun aikana [2] . Toisen version mukaan hän kuitenkin käytti niin kutsuttuja etelään osoittavia vaunuja [3] [Comm 1] . Kiinalaiset navigaattorit toisen vuosituhannen lopulla eKr. e. käytti kompassia merenkulkuun . [4] [5] Yleisesti ottaen hänen keksintönsä aika on arviolta 2637-1100 eKr. e. [6] [Comm 2] Tasaisella pinnalla olevaa lusikan muotoista kompassia ( kiinaksi 指南针, zhǐ nán zhēn [7] - etelään päin oleva lusikka) käytettiin Han-dynastian ( 3. vuosisadalla eKr. ) ennustamiseen [8] . Toisen version mukaan ensimmäinen maininta magneetista ja magneettisesta kompassista tehtiin vasta 400-luvulla eKr. e. Paholaisen laakson omistajan kirjassa, ja itse kompassi näytti silloinkin siltä, että sitä käytettiin sata vuotta myöhemmin feng shuissa [9] [10] . Raudan vetovoima magneetilla selitettiin korkeampien voimien ilmentymisen näkökulmasta [11] :
Jos luulet, että aivan kuten magneettinen rautamalmi voi vetää puoleensa rautaa, voit myös saada sen vetämään puoleensa keramiikkaa, niin olet väärässä... Magneettinen rautamalmi voi vetää puoleensa rautaa, mutta ei ole vuorovaikutuksessa kuparin kanssa. Tämä on Taon liike . Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] Jos luulet, että koska kivi voi vetää puoleensa rautaa, voit saada sen vetämään puoleensa myös keramiikkaa, huomaat olevasi erehtynyt… Lodestone voi vetää puoleensa rautaa, mutta sillä ei ole vaikutusta kupariin. Sellainen on Taon [Daon] liike. - Huainanzi |
Yakov Perelman kirjassaan "Viihdyttävä fysiikka" huomautti, että magneetin kiinalainen nimi tsy-shi ( kiinalainen 磁石[12] ) on käännetty "rakastavaksi kiveksi" raudan houkuttelemiseksi, samoin kuin äidin ja lapsen välinen suhde [13] . Samanlaisia analogioita magneetin vaikutuksesta rautaan löytyy kuitenkin myös muista kielistä [3] .
IntiaPlinius Vanhin mainitsi teoksessaan Naturalis Historia vuoren lähellä Indus-jokea ( lat. Indus ), joka veti puoleensa rautaa. Intialainen lääkäri Sushruta , joka asui VI vuosisadalla eKr. e. käytetyt magneetit kirurgisiin tarkoituksiin. [14] Intialaisen kompassin alkuperää ei tiedetä varmasti, mutta se mainittiin jo 600-luvulla jKr. joissakin tamilikirjoissa merenkulkua koskevista kirjoista nimellä "kalamoottori" ( Skt. maccha-yantra ). Vuodelta 1044 peräisin olevassa sotilaskäsikirjassa kuvattiin samanlainen kompassi kalan muodossa, jonka pää oli magnetoidusta raudasta ja joka asetettiin uimaan kulhoon. [1] [15]
KreikkaMagnetiitti tunsi hyvin muinaiset kreikkalaiset . Titus Lucretius Car kirjoitti esseessään " Asioiden luonteesta " ( lat. De rerum natura , 1. vuosisata eKr. ), että kiveä, joka vetää puoleensa rautaa, kutsuttiin Kreikassa magneetiksi Tessalian Magnesian maakunnan mukaan . Plinius vanhemman mukaan sana "magneetti" tulee paimenen Magnesin nimestä [16]
jonka kengännaulat ja sauvan kärki vetivät magneettisesti puoleensa, kun hän johti laumansa laitumelle.
Alkuperäinen teksti (englanniksi)[ näytäpiilottaa] jonka kenkien kynnet ja sauvan kärki tarttuivat lujasti magneettikenttään, kun hän laidutti laumaansa. - Gilbert W. De Magnete / Gilbert Club, Lontoo, 1900. - käännös, toim. - New York: Basic Books, 1958. - P. s.Toinen magneetin kreikkalainen nimi on "Herkuleen kivi" [17] .
Ensimmäiset kreikkalaiset kirjalliset viittaukset magnetiittiin ovat peräisin 800-luvulta eKr. e. [18] Thales of Miletos ( VII - VI vuosisatoja eKr. ) oli ensimmäinen, joka huomasi sen puoleensa rautaa [19] . Erilaiset filosofiset koulukunnat selittivät sen epätavallisia ominaisuuksia omalla tavallaan. Thales ja Anaxagoras uskoivat, että magnetiitilla oli sielu , joka veti rautaa. [20] [21] Anaxagoraan aikalainen, Apollonian Diogenes uskoi, että raudalla oli tietty "kosteus" ja magneetti imee sen. [21] Muiden teorioiden mukaan magneetit lähettivät jonkin verran höyryjä, mikä johti havaittuihin tuloksiin. Empedocles of Acragast uskoi, että magneettinen vuorovaikutus on luonteeltaan mekaanista, ja magneetin ja raudan välinen suora kosketus on välttämätön sen ilmenemiseksi. [22] Sokrates pani merkille vetovoiman vaikutuksen magneetin vetämiin rautarenkaisiin . [23] Neljä vuosisataa myöhemmin Lucretius Carus huomasi ensimmäisenä, että magneettiset materiaalit voivat hylkiä toisiaan. [21]
Keskiajalla uutta tietoa ja teorioita magnetismin luonteesta ei juurikaan kertynyt. Vain munkit esittivät joitain teologisia oletuksia. [24] Mutta eri maiden kansantaiteissa (ei vain eurooppalaisessa, vaan myös arabialaisessa: ks. " Tuhat ja yksi yö ") mainittiin joskus magneettisia vuoria tai saaria, jotka pystyivät houkuttelemaan kaikkia ympärillään olevia metalliesineitä. [20] [3]
Erään eurooppalaisen legendan mukaan köyhä jalokivikauppias Flavio Gioia keksi magneettisen kompassin mennäkseen naimisiin varakkaan kalastajan Domenicon tyttären kanssa. Isä ei halunnut sellaista vävyä itselleen ja asetti ehdoksi opetella uimaan suoraan öisessä sumussa. Nerokas jalokivikauppias huomasi, että vesikuppiin asetettu korkki, jonka päällä oli magneettinen kivi, suuntautuu aina yhteen suuntaan ja onnistui suorittamaan vaikean tehtävän. Itse asiassa "jalokivikauppias" oli paavin sihteeri Flavio Biondo , joka vuonna 1450 kuvaili Amalfin asukkaiden tietämystä kompassista [3] .
Ensimmäistä kertaa Euroopassa englantilainen Alexander Neckam mainitsi kompassin teoksissaan De utensilibus ja De naturis rerum [20] vuonna 1187 .
Kulmaa, jossa magneettinen neula poikkeaa pohjois-etelä-suunnasta, kutsutaan magneettiseksi deklinaatioksi . Christopher Columbus totesi, että magneettinen deklinaatio riippuu maantieteellisistä koordinaateista, mikä oli sysäyksenä tämän maan magneettikentän uuden ominaisuuden tutkimiselle.
Jesuiitta Leonardo Garzoni (hän oli huijari) suoritti yhden ensimmäisistä magneettikokeista jo 1500-luvulla. Lähes kaikki 1600-luvun alkuun mennessä kertyneet tiedot magneeteista tiivistettiin vuonna 1589 Giambattista della Portan kirjaan Natural Magic ja vuonna 1600 William Gilbertin teokseen Lat. De Magnete . Nämä tiedemiehet pitivät magneettivoimien henkistä alkuperää. Venäläinen tiedemies M. V. Lomonosov antoi vuonna 1759 raportissaan "Keskustelu merireitin suuresta tarkkuudesta" arvokkaita neuvoja kompassin lukemien tarkkuuden lisäämiseksi. Maan magnetismin tutkimiseksi M. V. Lomonosov suositteli pysyvien pisteiden (observatorioiden) verkoston järjestämistä systemaattisten magneettisten havaintojen tekemiseksi; tällaisia havaintoja tulisi tehdä laajalti myös merellä. Lomonosovin idea magneettisten observatorioiden järjestämisestä toteutui vasta 60 vuotta myöhemmin Venäjällä. Ensimmäisen yksityiskohtaisen materialistisen magnetismin teorian laati R. Descartes . Magnetismin teorian kehitti myös F. W. T. Epinus , S. Coulomb , joka vuonna 1788 yleisti Coulombin lain magneetin pistenapojen vuorovaikutukseen, A. Burgmans , joka omistaa löydön heikosti magneettisten aineiden vetovoimasta ja hylkimisestä. (nimesi M. Faraday vuonna 1845 dia - ja paramagneeteiksi), ja muut tiedemiehet.
Yksi tärkeimmistä virstanpylväistä magneettisten ilmiöiden fysiikan historiassa oli vuonna 1820 toteuttama Oerstedin magneettineulakoe, joka itse asiassa sai tutkijat luomaan yhtenäisen teorian sähkömagneettisista vuorovaikutuksista. Samana vuonna A. M. Ampere ehdotti hypoteesia molekyylivirroista, joka kilpaili hypoteesin kanssa elementaarisista magneeteista - magneettisista dipoleista , jonka V. E. Weber kehitti yksityiskohtaisesti ja kehitti myöhemmin J. A. Ewing . Vuonna 1831 englantilainen napatutkija John Ross löysi magneettisen navan Kanadan saaristosta - alueen, jossa magneettinen neula on pystysuorassa asennossa, eli kaltevuus on 90 °. Vuonna 1841 James Ross (John Rossin veljenpoika) saavutti maan toisen magneettisen navan, joka sijaitsee Etelämantereella.
Vuonna 1831 M. Faraday löysi sähkömagneettisen induktion lain ja loi ensin termin " magneettikenttä ". Vuonna 1834 venäläinen akateemikko E. Kh. Lenz vahvisti säännön induktiovirran suunnasta ja siihen liittyvästä magneettikentästä. Vuonna 1873 modernin sähködynamiikan alku asetettiin J.K. Maxwellin sähköstä ja magnetismista käsittelevän traktaatin julkaisemisesta ja G. R. Hertzin vuonna 1888 tekemästä kokeellisesta löydöstä tässä tutkielmassa ennustetuista sähkömagneettisista aalloista . Sähkömagneettisen kentän vuorovaikutusta aineen kanssa tarkasteli H. A. Lorentz , joka loi magneettisten ominaisuuksien elektronisen teorian ja selitti sen puitteissa vuonna 1896 löydetyn Zeeman-ilmiön .
Vuonna 1905 P. Langevin kehitti Larmorin lauseen ja Lorentzin elektroniikkateorian perusteella klassisen tulkinnan dia- ja paramagnetismin teoriasta.
Magneettikentän tärkein tehoominaisuus on magneettinen induktiovektori . Väliaineeseen tuodaan myös magneettikentän voimakkuuden vektori .
Alla olevassa taulukossa on esitetty SI-järjestelmään liittyvien magneettisten suureiden mitat ja mittayksiköt [25] [26] . Sarake nimikkeineen voi sisältää useita vaihtoehtoja, jos ne ovat melko yleisiä kirjallisuudessa. Käytetään seuraavaa merkintää:
Arvo | Nimitys | Ulottuvuus | SI | Gaussin cgs | SGSM | SGSE |
---|---|---|---|---|---|---|
Magneettinen dipolimomentti | p , m , μ | IL 2 | 1 A m 2 _ | 10 3 erg / G | 10 3 Bi cm 2 _ | 10 5 s Fr cm 2 _ |
Magneettikentän induktio | B | MT -2 I -1 | 1 T | 104 Gs _ | 104 Gs _ | 100/c SGSE |
Magneettikentän voimakkuus | H | IL- 1 | 1 A m −1 _ | 4π⋅10 -3 Oe | 4π⋅10 -3 Oe | 4πc⋅10 -1 CGSE |
Magnetisointi | M , J | IL- 1 | 1 A m −1 _ | 10 −3 Oe | 4π⋅10 -3 Oe | 4πc⋅10 -1 CGSE |
Magneettinen herkkyys | χ | yksi | yksi | 4π | 4π | 4π |
Magneettinen läpäisevyys (ulottuvuus, ) | μ | MLT -2 I -2 | 1 H m −1 _ | 10 7 /4π Gs / Oe | 10 7 /4π Gs / Oe | 1000/4πc 2 CGSE |
magneettinen virtaus | Φ | ML 2 T -2 I -1 | 1 Wb | 108 ms 2 _ | 108 ms _ | 1/10c SGSE |
vektoripotentiaali | A | MLT -2 I -1 | 1 Wb m −1 _ | 10 6 G cm _ | 10 6 μs cm −1 _ | 1/c⋅10 4 CGSE |
Induktanssi | L | ML 2 T -2 I -2 | 1 Gn | 10 9 Abhenry | 10 9 Abhenry | 10 5 /s 2 CGSE |
Magnetomotorinen voima | F | minä | 1 A | 4π⋅10 -3 Gt | 4π⋅10 -3 Gt | 4πc⋅10 9 CGSE |
Nykyaikainen magnetismin teoria perustuu seuraaviin perusyhtälöihin ja lakeihin:
Mikroskooppisella tasolla sähkömagneettiset kentät saadaan Lorentz-Maxwellin yhtälöistä (ns. mikroskooppiset yhtälöt). Magneettikenttä, jonka voimakkuus on mikroskooppinen h , kuvataan kahden yhtälön järjestelmällä ( GHS ):
missä e on sähkökentän mikroskooppinen voimakkuus ja sähkövarausten tiheyden ja niiden nopeuden tulo vastaa virrantiheyttä. Mikroskooppiset kentät ovat tosia, eli ne ovat kiihtyneet atomien alkuainevarausten liikkeestä , ja se riippuu voimakkaasti koordinaateista. Tässä virta liittyy atomien sisällä tapahtuvaan orbitaali- ja spin-liikkeeseen (molekyylivirrat, joiden käsitteen ehdotti Ampère [27] ). Siirtyminen makroskooppisiin yhtälöihin tapahtuu laskemalla Lorentz-Maxwell-yhtälöiden keskiarvo. Tässä tapauksessa mikroskooppisen magneettikentän keskimääräistä voimakkuutta kutsutaan magneettiseksi induktioksi [28] [29] [Comm 3] :
Magnetointivirrat ja elementaariset magneettimomentitTilavuuskeskiarvoisia molekyylivirtoja kutsutaan magnetointivirroiksi. Kun ulkoista kenttää ei ole, magnetointivirrat ovat keskimäärin nolla, ja ulkoisen magneettikentän vaikutus aineeseen liittyy niiden ulkonäköön. Jos ne tiedettäisiin, Maxwellin tyhjiöyhtälöt riittäisivät kenttien laskemiseen. Molekyylivirrat voidaan tulkita ympyrävirroiksi, jotka kiertävät aineen atomeissa tai molekyyleissä. [kolmekymmentä]
Jokainen molekyylivirtapiiri, jonka tiheys on j m , voidaan liittää magneettiseen momenttiin p . Tämä mahdollistaa magnetisoimattoman aineen katsomisen sellaiseksi, jossa yksittäisten atomien kaikki magneettiset momentit ovat satunnaisesti suunnattuja, ja ulkoisessa magneettikentässä ne on suunnattu tietyllä tavalla, mikä aiheuttaa muutoksen magneettikentässä. [31]
Itse asiassa vain kvanttimekaaninen tarkastelu voi antaa oikean tulkinnan magnetismista, koska elementaaristen magneettisten dipolien olemassaolo liittyy elektronien kvantisoituun kiertoradan momenttiin ja spiniin , ei klassisiin virtoihin, jotka katoaisivat nopeasti esim. magneettiset dielektriset aineet . Elektronia, jolla on spin, voidaan luonnehtia magneettisella momentilla, jolla on amplitudi
missä g on Landen kerroin , [Comm 4] a on Bohrin magnetoni . Käytännössä vain yksi magneettisen momenttivektorin kolmesta komponentista voidaan mitata (esimerkiksi projektio z -akselille ). Jos S on eristetyn atomin kiertoradan kokonaisspin, niin magneettisen momentin projektio ottaa arvot [32]
Atomilla, jolla on mekaaninen kokonaismomentti J , on magneettinen momentti, jolla on amplitudi
jossa Lande-tekijä voi olla kompleksifunktio atomin elektronien kiertoradan kvanttiluvuista [33] . Atomien spin- ja kiertomomenttien järjestys mahdollistaa para- ja ferromagnetismin havaitsemisen. Osittain täytettyjen atomikuorten elektronit vaikuttavat aineiden magneettisiin ominaisuuksiin. Lisäksi metalleissa voi olla tärkeää ottaa huomioon s-kuorten johtavuuselektronit, joiden magneettinen momentti on siirretty. [34]
Makroskooppisen kuvauksen soveltuvuusKvanttiominaisuuksina spin - operaattorin komponentit eivät kommutoi keskenään. Kuitenkin, jos otamme käyttöön keskimääräisen spin-operaattorin
missä N on kierrosten lukumäärä järjestelmässä, niin sen komponentit liikkuvat paikassa :
jossa indeksit α, β ja γ kulkevat keskimääräisen spin-operaattorin komponenttien yli, i on imaginaariyksikkö ja Levi - Civita-symboli . Tämä tarkoittaa, että järjestelmää, jossa on riittävän suuri määrä kierroksia, voidaan pitää klassisena. Fenomenologista kuvausta voidaan soveltaa järjestelmiin, joissa viritys on luonteeltaan monihiukkasista (eli vaihtovuorovaikutuksen tulee ylittää merkittävästi relativistiset vuorovaikutukset, kuten esimerkiksi dipoli-dipoli ). [35]
Magneettikentän intensiteetti. Aineen magneettiset parametritMagneettikentän kiertoteoreemassa on tarpeen ottaa huomioon johtavuusvirtojen j lisäksi molekyylivirrat j m ( yksinkertaisuuden vuoksi sähkökentän induktiota pidetään nollana):
GHS | SI |
---|---|
missä on magneettivakio .
Arvoa , joka kuvaa aineen tilavuusyksikön magneettista momenttia, kutsutaan magnetisaatioksi (joskus sitä merkitään kirjaimella J ). Molekyylivirtojen tiheys voidaan yhdistää magnetoitumiseen summaamalla ne tietyllä alueella. Molekyylivirta on yhtä suuri kuin magneettisen momentin kierto tämän alueen peittävää ääriviivaa pitkin. Sitten Stokesin lauseella
GHS | SI |
---|---|
. | . |
Magnetointiroottori on yhtä suuri kuin nolla, kun aineen yksittäisten atomien tai molekyylien molekyylivirrat on suunnattu siten, että ne kompensoivat toisiaan.
Yleensä otetaan käyttöön apuvektorikenttä
GHS | SI |
---|---|
, | , |
kutsutaan magneettikentän voimakkuudeksi . Sitten magneettikentän kiertokaava kirjoitetaan seuraavasti
GHS | SI |
---|---|
. | . |
Heikoilla kentillä aineen magnetoituminen on verrannollinen kentänvoimakkuuteen, joka kirjoitetaan muodossa
jossa sitä kutsutaan magneettiseksi susceptibiliteettiksi . Tämä on dimensioton suure, joka voi vaihdella laajalla arvoalueella (esimerkiksi −2,6⋅10 −5 hopeassa [ 36] ja noin 2⋅10 −5 99,95-prosenttisesti puhtaassa raudassa [37] ) ja se on sekä positiivinen että ja negatiivinen. Induktion ja magneettikentän voimakkuuden välinen suhde voidaan kirjoittaa seuraavasti
GHS | SI |
---|---|
, | , |
jossa määrää kutsutaan magneettiseksi permeabiliteetiksi . Yleensä se on tensorisuure . [38]
Ero kiteiden sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien välillä johtuu virtojen ja varausten erilaisesta käyttäytymisestä suhteessa ajan merkin muutokseen. Merkitään kiteessä olevalla mikroskooppisella varaustiheydellä ja sen mikroskooppisella virrantiheydellä ajan mittaan laskettuna. Aikakoordinaatin muunnos ei muuta funktion etumerkkiä , toisin kuin funktio . Mutta jos kiteen tila ei muutu, niin ehdon tulee täyttyä , mistä seuraa, että . Kiteillä, joille tämä ehto täyttyy , ei ole magneettista rakennetta. Tällöin sähköinen rakenne on aina olemassa, koska ei ole mitään syytä miksi varaustiheys katoaa ajan merkin muuttuessa. [39] Magneettinen rakenne on pieni vääristymä suhteessa ei-magneettisen vaiheen rakenteeseen ja tapahtuu yleensä lämpötilan laskeessa, koska se liittyy syvällä sijaitsevien d- ja f-elektronien suhteellisen heikkoon vuorovaikutukseen. [40]
On helpompi ottaa huomioon funktion , vaan magnetointijakauman symmetria [Comm 5] . Se vastaa aikakeskiarvoisten magneettisten momenttien järjestelyn symmetriaa kidehilassa . Merkitään operaatiota, jossa kaikkien virtojen suunnat muunnetaan päinvastaisiksi symbolilla R. Magneettisen symmetrian luokat jaetaan kolmeen tyyppiin. Kaksi ensimmäistä sisältävät 32 tavallista kideluokkaa ja niitä täydennettynä operaatiolla R . Kolmas tyyppi koostuu 58 luokasta, jotka sisältävät R vain kierto- tai heijastusoperaatioineen. On olemassa kolmenlaisia spatiaalisia magneettiryhmiä, jotka yhdistävät 1651 ryhmää. Kaksi ensimmäistä niistä, kuten magneettiluokkien tapauksessa, sisältävät kukin 230 ryhmää, jotka ovat yhtäpitäviä kristallografisten ryhmien kanssa, joissa ei ole R - toimintoa ja joita täydennetään sillä. Kolmas luokka sisältää 1191 ryhmää, joissa R on yhdistetty rotaatioihin , heijastuksiin tai käännöksiin . [41]
Magneettitunnit | |
---|---|
C i (C 1 ) | C 3v (C 3 ) |
C S (C 1 ) | D 3 (C 3 ) |
C 2 (C 1 ) | D 3d (D 3 , S 6 , C 3v ) |
C 2h (Ci , C 2 , C S ) | C 3h (C 3 ) |
C 2v (D 2 , C 2h , C 2v ) | C6 ( C3 ) _ |
D 2 (C 2 ) | D 3h (C 3h , C 3v , D 3 ) |
D 2h (D 2 , C 2h , C 2v ) | C 6h (C 6 , S 6 , C 3h ) |
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 (D 6 , C 6h , C 3v , D 3d , D 3h ) |
D4 ( C4 , D2 ) _ | T h (T) |
C 4v (C 4 , C 2v ) | O h (T) |
C 4h (C 4 , C 2h , S 4 ) | T d (T) |
D 4h (D 4 , C 4h , D 2h , C 4v , D 2h ) | O h (O, T h , T d ) |
S 6 (C 3 ) |
Magneettiset kideluokat määräävät täysin kehon makroskooppiset magneettiset ominaisuudet. Joten kiteen spontaani magnetoituminen on läsnä, jos magnetointivektori, joka on aksiaalinen vektori , ei muutu tietyn magneettisen kideluokan muunnoksen aikana. [42]
Kaikilla aineilla on magneettisia ominaisuuksia, ilmaistuna tavalla tai toisella . [43] Syynä vuorovaikutukseen ulkoisen magneettikentän kanssa ovat sen omat tai indusoituneet magneettiset momentit , jotka tietyllä tavalla orientoituina muuttavat kenttää aineen sisällä. Heikot magneettiset vaikutukset ilmenevät dia- ja paramagneeteissa . Diamagneettien atomeilla ei ole omaa magneettimomenttiaan ja Lenzin lain mukaan niiden sisälle ilmaantuu ulkoisessa kentässä heikkoja ympyrävirtoja , jotka pyrkivät kompensoimaan sitä . Paramagneettien atomeilla on omat heikot magneettiset momenttinsa, jotka, kun ulkoinen kenttä kytketään päälle, suuntautuvat sitä pitkin.
On olemassa useita aineluokkia, joissa atomien sisäisten magneettisten momenttien välinen vuorovaikutus on erityisen voimakasta ja koska se on luonteeltaan kvanttimekaaninen , sitä ei periaatteessa voida selittää klassisen fysiikan analogioilla . Niiden magneettinen rakenne syntyy vaihtovuorovaikutuksesta. [44] Aineita, joissa lähimmät magneettiset momentit ovat rinnakkain, kutsutaan ferromagneeteiksi . Antiferromagneeteilla ja ferrimagneeteilla on kaksi ferromagneettista hilaa, joissa on vastakkaiset magneettiset momentit, jotka on sijoitettu sisäkkäin. Erona niiden välillä on se, että antiferromagneeteissa hilat kompensoivat toisiaan, kun taas ferrimagneeteissa eri hilan magneettiset momentit ovat erilaisia ja kokonaismagneettinen momentti ei ole nolla. Tällaisilla materiaaleilla (magnetioilla) sanotaan olevan pitkän kantaman magneettinen järjestys . Näiden kolmen aineluokan magneettisten alihilojen [Comm 6] matemaattinen kuvaus on monessa suhteessa samanlainen.
Ferromagneettinen tilaus
Antiferromagneettinen tilaus
Ferrimagneettinen järjestys
Eräitä keinotekoisia materiaaleja, joiden magneettinen järjestys on lyhyt, erotetaan myös . Spin-lasit luodaan lisäämällä magneettisia epäpuhtauksia ei-magneettisiin metalleihin ja seoksiin . Ferro- tai ferrimagneettisten hiukkasten ryhmillä on heikkoja paramagneettisia ominaisuuksia. Tässä tapauksessa puhutaan superparamagnetismista .
Ferro- ja antiferromagneetteja kuvattaessa käytetään usein Heisenbergin mallia . Se koostuu kiteen Hamiltonin magneettisen osan määrittämisestä muodossa
(GazGum) |
jossa indeksit n ja n' kulkevat kidehilan solmujen yli ja on spin - operaattori n: nnessä solmussa. Kerrointa kutsutaan vaihtointegraaliksi , joka antaa isotrooppisen kiteen magneettisen järjestyksen. Käytännössä uskotaan, että se eroaa merkittävästi nollasta vain lähimpien naapureiden kohdalla. Tekijä ½ ottaa huomioon toiston summattaessa spinejä hilan yli (tosin joskus se sisältyy vaihtointegraalin arvoon). Kun tämä etumerkki on valittu summan eteen, ferromagneettinen järjestys vastaa positiivista arvoa ja antiferromagneettinen järjestys negatiivista arvoa. Toinen termi on spin-järjestelmän vuorovaikutusenergia magneettikentän kanssa ( Zeeman -energia), jonka magneettinen induktio on yhtä suuri kuin B (tässä g on Landen kertoja , on Bohrin magnetoni ). [45] [46]
Heisenberg Hamiltonin on rakennettu olettamukselle, että magneettiset momentit (ja spinit) ovat lokalisoituneet kidehilan paikkoihin, eikä kiertoratamomentteja ole . Ensimmäisen ehdon täyttävät ferromagneettiset eristeet ja puolijohteet, mutta metallien kohdalla nauhamalli on useammin edullinen. Toisen ehdon hyväksyttävyys määräytyy kiertoratamomenttien "jäätymisasteen" mukaan. [47]
On mahdotonta rakentaa Heisenbergin mallin kaltaista mikroskooppista antiferromagneettien mallia, joten makroskooppisella tasolla ne esitetään joukkona useita magneettisia alihiloja, joilla on vastakkaiset magnetointisuunnat, jotka on sisäkkäin sijoitettu toisiinsa. Tämä kuvaus on hyvin sopusoinnussa kokeellisten tietojen kanssa. [48]
Ising malli VaihtovuorovaikutusVaihtovuorovaikutus ilmenee elektronien Coulombin repulsion ja Paulin periaatteen ansiosta . Se on tärkein syy aineiden ferromagneettisten ominaisuuksien ilmenemiseen. [49] Koska on epäkäytännöllistä kuvata monielektronijärjestelmien vaihtovuorovaikutusta mikroskooppisella Hamiltoninilla , joka ottaa huomioon yksittäisten elektronien kineettisen energian , käytetään yleensä makroskooppista Hamiltonian, jossa spin- operaattorit korvataan puoliklassisilla spinvektoreilla muodossa. Heisenberg-mallista ( HeisGam -kaava ), mikä pätee pyöräytyksiin ½. Empiirisesti vaihtointegraali voidaan arvioida muodossa
missä e on elektronin varaus , a on magneettisen hilan vakio . [50] Tarkkaa teoreettista arviota on erittäin vaikea antaa, joten käytännössä käytetään yleensä kokeellisesti mitattuja arvoja. [51]
Vaihdon anisotropian (X–Y–Z-malli) huomioiva yleistys kirjoitetaan muodossa
jossa kerrointen oletetaan olevan hieman erilaisia, koska itse vaihtovuorovaikutus on isotrooppinen. [52] Ferromagneettien makroskooppinen energiatiheys, joka on saatu Heisenberg Hamiltonista, on kirjoitettu
(Macrobm) |
missä ovat fyysisen avaruuden koordinaatit, M on magnetointivektori , vaihtovuorovaikutusvakio (yleisessä tapauksessa tensori )
kun taas isotrooppinen vaihtovakio
Tässä funktion oletetaan olevan lähellä vaihtointegraalia lämpötiloissa, jotka ovat kaukana Curie-lämpötilasta . [53] Vakiota A kutsutaan joskus anisotrooppiseksi vaihtovakioksi sen erottamiseksi . MacroExchange- kaavan ensimmäinen termi on merkittävä magnetisaation epähomogeenisen jakautumisen kannalta, ja toinen termi on välttämätön magnetointivektorin pituutta muuttavien mekanismien toiminnan tutkimiseksi. [54] Monissa tapauksissa mekanismi ei ole suoraa vaihtoa, joka yhdistää viereisten atomien spinit niiden aaltofunktioiden ja Coulombin energian päällekkäisyyden kautta, vaan epäsuoraa ( RKKY-vaihtovuorovaikutus , supervaihto jne.). [55]
Relativistiset vuorovaikutuksetAlkuainedipolien vuorovaikutukset keskenään ja itse kidehilan sähkökentän kanssa ovat luonteeltaan relativistisia . Niiden energioiden suhde vaihtovuorovaikutuksen energiaan on suuruusluokkaa , missä v on elektronin nopeus atomissa, c on valon nopeus . Ne johtavat tilastollisen tasapainon muodostumiseen ja valittujen magnetointisuuntien muodostumiseen kiteissä. [56]
Dipoli-dipoli vuorovaikutus ja magnetostaattinen energiaDipoli-dipoli-vuorovaikutuksen allaymmärtää elementaaristen magneettidipolien vuorovaikutusta keskenään. Se pienenee suhteessa etäisyyden kuutioon ja hallitsee vaihtovuorovaikutusta suurilla etäisyyksillä, mikä on syynä ferromagneettien makroskooppiseen magnetoitumiseen. [57] Dipoli - dipoli-vuorovaikutus Hamiltonin voidaan saavuttaa korvaamalla klassiset dipolit kahden magneettisen momentin vuorovaikutusenergian kaavassa.
operaattoreihin , jossa on dipolien paikat yhdistävä sädevektori , on Bohrin magnetoni , on kokonaisliikkeen liikemomenttioperaattori ja on Dirac Lande -tekijän ja atomin kokonaisspin operaattorin tulo hilapaikassa numerolla n . Sitten dipolivuorovaikutuksen Hamiltonin muoto saa muodon
jossa summaus suoritetaan magneettisen alihilan kaikille solmuille. [58]
Siirtyminen makroskooppiseen kuvaukseen antaa ilmaisun muodossa olevalle energialle
Ensimmäinen anisotrooppinen termi integrandissa heijastaa magneettikentän vaihteluita atomietäisyyksien suuruusluokan etäisyyksillä ja riippuu tensorin kautta kiteen primitiivisen solun rakenteesta . Toinen ja kolmas termi esiintyvät ratkaisuina magnetostaattisiin yhtälöihin . [59]
Magneettinen anisotropiaSpinien vuorovaikutus kidehilan sähkömagneettisen kentän kanssa tai spin-kiertoradan vuorovaikutus sekä spin-spin-vuorovaikutus johtavat magneettisen anisotropian ilmenemiseen. Makroskooppisella tasolla se havaitaan kiteen eri suuntien energiaepäekvivalenssina, kun yksi tai toinen magnetoitumissuunta kristallografisiin akseleihin nähden osoittautuu edullisemmaksi. Yksinkertaisimmassa tapauksessa yksiakselisille ferromagneettisille kiteille magneettisen anisotropian energiatiheys voidaan kirjoittaa kahdessa ekvivalentissa muodossa yksikkönormalisoidulla magnetointivektorilla projektioilla ja ( ekvivalenssi tarkoittaa tässä tarkkuutta magnetointisuunnasta riippumattomaan vakioon):
taijossa kerrointa K kutsutaan anisotropiavakioksi, ja se on kulma magnetointivektorin suunnan ja kiteen pääsymmetria-akselin välillä . K :n merkistä riippuen energiatyypin annetulla valinnalla puhutaan easy- akselista ( , magnetointi on suunnattu akselia pitkin energian minimoimiseksi: ) ja easy-plane magneeteista ( , magnetointi on suunnattu kohtisuoraan akseliin energian minimoimiseksi: ). [60]
Kuutiokiteet eroavat merkittävästi yksiaksiaalisista ja biaksiaalisista, koska niiden anisotropiaenergia määräytyy laajennuksen neljännen kertaluvun termien mukaan yksikköön normalisoidun magnetointivektorin komponenttien suhteen:
Tämän seurauksena niiden anisotropia on vähemmän korostunut. ( Esimerkiksi raudan) minimienergia saavutetaan kuution [100] , [010] ja [001] reunojen suuntiin, eli on kolme ekvivalenttia helpon magnetoinnin akselia. Muuten helpon magnetoinnin akselit ovat kuution avaruudelliset lävistäjät. [61]
Ferromagneetti yksiakselisella anisotropialla. Helposti magnetoituva akseli [001]
Kuutiosysteemillä ja positiivisella anisotropialla varustettu kristalli ( )
Kuutiosysteemillä ja negatiivisella anisotropialla varustettu kristalli ( )
Pierre Weiss esitteli magneettisen alueen käsitteen vuonna 1907 vastatakseen kysymykseen, miksi raudalla, joka on ferromagneetti, on nolla magneettinen momentti ulkoisen kentän puuttuessa. Ferromagneettiset domeenit ovat magneettisten kiteiden makroskooppisia alueita, joissa spontaanin magnetointivektorin suunta on erilainen. Niitä esiintyy Curie-pisteen alapuolella olevissa lämpötiloissa . [62] Puhutaan myös antiferromagneettisista domeeneista, mikä tarkoittaa antiferromagnetismin vektoria magnetoinnin sijaan. Niiden olemassaolo ei kuitenkaan tiukasti sanottuna johda energian nousuun, ja se liittyy yleensä useiden antiferromagneettisen rakenteen ytimien olemassaoloon, joilla on satunnainen magnetoitumissuunta, kun antiferromagneetti kulkee Neel-pisteen läpi [63] .
Lev Landau ja Evgeny Lifshitz ehdottivat syyn magneettisten domeenien esiintymiseen ferromagneeteissa vuonna 1937. He ehdottivat, että niiden muodostuminen johtaa magneetin kokonaisenergian ja hajakentän (eli spontaanin magnetisoinnin ja magneetin yli menevän magneettikentän) minimoimiseen. Käytännössä alueilla normaaliolosuhteissa havaittu magnetoitumisen suunta muodostaakin suljetun magneettivuon . [64]
Alueiden välistä rajaa kutsutaan toimialueen seinäksi . Sen leveys määräytyy vaihtovakion ja anisotropiavakion välisestä suhteesta. Tuloksena olevasta magnetoinnin kiertokulmasta riippuen erotetaan 180°, 90° ja muut alueen seinämät. Riippuen magnetoinnin kiertotavasta 180° alueen seinämien sisällä, puhutaan Bloch - seinästä ja Neel -seinästä . Jälkimmäinen on ominaista ohuille magneettikalvoille, koska sillä on pienempi hajakenttä kuin Blochin seinällä. [65]
Ferromagneeteissa on monia menetelmiä domeenien havainnointiin. Vuonna 1932 Francis Bitter ehdotti yksinkertaista menetelmää hajakenttien visualisoimiseksi käyttämällä magneettisten hiukkasten kolloidisia suspensioita , jotka eivät vaadi erikoislaitteita. Se koostuu siitä, että magneetin pinnalle kerrostuvat magneettiset mikrohiukkaset, jotka käytännöllisesti katsoen ilman kitkaa keskittyvät suurimman kenttägradientin paikkoihin, eli domeenien rajoihin. Niiden jakautumista voidaan tarkkailla optisella mikroskoopilla. [66] Käytetään valon polarisaation kiertoon perustuvia magneto-optisia menetelmiä. Läpinäkyville kalvoille tämä on Faraday-ilmiö (polarisaation muutos kulkiessaan näytteen läpi), muille magneto-optinen Kerr-ilmiö (polarisaation muutos, kun se heijastuu näytteestä). Kerr-mikroskopian etuna on kyky tarkkailla alueita suoraan, tämä on tuhoamaton menetelmä, mutta näytteiden tulee olla tasaisia ja kontrastin lisäämiseksi on käytettävä lisäkuvankäsittelyä. [67] Edellä mainittujen menetelmien lisäksi käytetään lähikenttämikroskopiaa , gamma- ja neutronien sirontaa , transmissioelektronimikroskooppia jne. [68]
Hystereesi ja termodynamiikka Magneettimomentin liike Landau-Lifshitzin yhtälöDielektrisissä ja puolijohteissa ei ole liikkuvia elektroneja , toisin kuin metalleissa . Seurauksena on magneettisten momenttien lokalisoituminen yhdessä ionitilassa olevien elektronien kanssa. Tämä on tärkein ero eristeiden magnetismin ja metallien magnetismin välillä, jota kuvaa kaistateoria . [69]
Kaistateorian mukaan primitiivisessä solussa parillisen määrän elektroneja sisältävät kiteet voivat olla dielektrisiä. Tämä tarkoittaa, että dielektrikot voivat olla vain diamagneetteja , mikä ei selitä monien aineiden ominaisuuksia. Curie-paramagnetismin (paikallisten elektronien paramagnetismin), eristeiden ferro- ja antiferromagnetismin syy on elektronien Coulombin hylkiminen , joka selitetään Hubbard-mallilla seuraavassa esimerkissä. Ylimääräisen elektronin ilmaantuminen eristettyyn atomiin lisää sen energiaa jonkin verran . Seuraava elektroni tulee energiatasolle , jossa on elektronien Coulombin vuorovaikutuksen energia todellisissa atomeissa 1 eV - yli 10 eV. Kiteessä näiden kahden elektronin energiatasot jakautuvat kaistoiksi ja kide on dielektrinen tai puolijohde niin kauan kuin niiden välillä on kaistaväli . Yhdessä molemmat vyöhykkeet voivat sisältää parillisen määrän elektroneja, mutta voi olla tilanne, jossa vain alempi vyöhyke on täytetty ja sisältää parittoman määrän elektroneja. Eristettä, jolle tämä ehto täyttyy, kutsutaan Mott-Hubbardin dielektriseksi . Jos limitysintegraalit ovat pieniä, dielektristä tulee paramagneetti, muuten se on antiferromagneetti . [70] Supervaihtovuorovaikutus on vastuussa EuO :n tai CrBr 3 :n kaltaisten eristeiden ferromagnetismista . [71]
Supervaihto ja antisymmetrinen vaihtovuorovaikutusSuurin osa ferro- ja ferrimagneettisista eristeistä ja muut-Cl,Br-,-2O, jotka erotetaan toisistaan sellaisilla ei-magneettisilla ioneilla, kutenioneistakoostuu magneettisista 3d , magneettisten ionien 3d-orbitaalien ja ei-magneettisten ionien p-orbitaalien funktiot. Orbitaalit hybridisoituvat ja niiden elektronit tulevat yhteisiksi useille ioneille. Tällaista vuorovaikutusta kutsutaan supervaihdoksi . Sen etumerkki (eli onko dielektri ferro- vai antiferromagneetti) määräytyy d-orbitaalien tyypin, niissä olevien elektronien lukumäärän ja kulman, jossa magneetti-ionipari on näkyvissä paikasta, jossa ei-magneettinen ioni sijaitsee. [72]
Antisymmetrinen vaihtovuorovaikutus ( Dzyaloshinskii -Moriya-vuorovaikutus) kahden solun välillä spinvektorilla, ja sitä kuvaa ilmaisu
Ilmeisesti vuorovaikutusenergia on nollasta poikkeava vain, jos solut eivät ole magneettisesti ekvivalentteja. Dzyaloshinskii-Moriya-vuorovaikutus ilmenee tietyissä antiferromagneeteissa. Tuloksena on heikko spontaani magnetointi . Tätä vaikutusta kutsutaan heikoksi ferromagneettisuudeksi , koska tuloksena oleva magnetointi on prosentin kymmenesosa tyypillisten ferromagneettien magnetisaatiosta. Hematiitissa , koboltin karbonaateissa , mangaanissa ja joissakin muissa metalleissa on heikko ferromagnetismi . [73] [5] [74]
Kupari (ei-magneettinen metalli). F on Fermin taso. Pystyakselilla energia on eV .
Koboltti (perääntyy)
Metallien vaihtovuorovaikutus voidaan toteuttaa olennaisesti erilaisilla mekanismeilla riippuen vaihtovuorovaikutuksesta vastuussa olevien atomiorbitaalien tyypistä. Tällaisissa 3D-siirtymämetalleissa , kuten rauta tai koboltti , kidehilan viereisten atomien päällekkäiset 3d- aaltofunktiot ovat ratkaisevassa roolissa vaihdossa , kun taas 4f-elementeissä vaihtovuorovaikutus tapahtuu johtumiselektronien kautta . Lantaanimanganiiteilla on monimutkainen riippuvuus niiden magneettisista ominaisuuksista doping -asteesta . [75]
3d-metallit3d-metalleille on ominaista merkittävä Coulombin vuorovaikutuksen energia 3d-kaistan elektronien välillä verrattuna niiden kineettiseen energiaan . [76] Se on itse asiassa ferromagneettisen järjestyksen syy. [77] Sekä 3d- että 4f-elementtien magneettinen järjestys riippuu vastaavan kaistan täyttöasteesta. 3D-siirtymämetalli on ferromagneetti, jos sen 3d-kaista sisältää pienen määrän elektroneja tai reikiä (eli sen täytyy olla joko heikosti täytetty tai lähes kokonaan täytetty). Tätä kuvaa hyvin rauta, koboltti ja nikkeli , joissa tämä vyöhyke on lähes kokonaan täytetty. Antiferromagneettinen tila on perustila, jos se on puolitäytetty. [76]
Olosuhteet, jotka määräävät, tuleeko metalli ferro- vai antiferromagneettiksi, johtuu siitä, että elektronin on edullista siirtyä uudelleen, koska Heisenbergin epävarmuusperiaatteen mukaan tämä mahdollistaa sen liike-energian pienentämisen. Laadullisesti se voidaan selittää seuraavasti. Elektronien osalta on noudatettava Hundin sääntöä (elektronien kokonaisspin kiertoradalla on oltava maksimi). Sitten esimerkiksi vyöhykkeellä, joka on täytetty alle puoleen, kahden vierekkäisen atomin elektroneilla voi olla sama pyörimissuunta, mutta eri magneettiset kvanttiluvut , mikä määrää ferromagneettisen järjestyksen. Puolitäytetyn kaistan tapauksessa viereisten atomien 3d-elektronien pakotetaan olemaan kokonaisspin vastakkainen suunta jakaakseen samat magneettiset luvut keskenään. [78]
4f-metallitHarvinaisten maametallien elementeillä on osittain täytetty 4f - kiertorata , jonka ominaiskoko on paljon pienempi kuin atomien väliset etäisyydet kidehilassa. Siksi naapuri-ionien 4f-elektroni ei voi olla suoraan vuorovaikutuksessa toistensa kanssa. Niiden välinen vaihtovuorovaikutus tapahtuu johtumiselektronien avulla . Jokainen harvinaisen maametallin ioni luo itseensä melko voimakkaan tehokkaan kentän, joka polarisoi johtavuuselektroneja. Tällaista epäsuoraa vaihtovuorovaikutusta 4f-elektronin välillä kutsutaan Rudermann-Kittel-Kasuya-Yoshida-vuorovaikutukseksi (RKKY-vaihtovuorovaikutus). [79] Se, onko metalli ferro- vai antiferromagneetti riippuu 4f-kaistan rakenteesta ja ionien välisestä etäisyydestä Vaihtointegraalin riippuvuus elektronien aaltovektorin tulosta Fermi-tasolla k F ja magneettisten ionien välisellä etäisyydellä a on vuorotteleva värähtelevä luonne. Tämä selittää erityisesti helikoidisten ja joidenkin muiden magneettisten rakenteiden olemassaolon. RKKY-vuorovaikutus riippuu olennaisesti vapaiden varauksenkuljettajien pitoisuudesta ja voi olla paljon pidemmän kantaman kuin suora vaihto [80] .
TuplavaihtoSiirtymämetallioksidit voivat olla sekä johtimia että dielektrisiä aineita. Supervaihtovuorovaikutus tapahtuu dielektrikissä. Seostusta säätelemällä on kuitenkin mahdollista saavuttaa oksidin siirtyminen johtavaan tilaan. La 1 - x Ca x MnO 3 -tyyppisissä lantaanimanganiiteissa parametrin x tietyillä arvoilla joidenkin mangaani-ionien valenssi voi olla 3+ ja toisten 4+. Niiden välistä vaihtovuorovaikutusta, joka tapahtuu O 2 -ionien kautta , kutsutaan kaksoisvaihdoksi . Nämä yhdisteet ovat myös ferro- tai antiferromagneettisia x :n arvosta riippuen . Ferromagneettinen järjestys tapahtuu, jos 3- ja 4-valenssisten ionien kokonaisspinit ovat samansuuntaisia, kun taas neljäs elektroni voidaan siirtää. Muutoin se sijoittuu ionille, jolla on pienempi valenssi. La 1 – xSr x MnO 3: lle siirtyminen antiferromagneettisesta ferromagneettiseen vaiheeseen tapahtuu klo (suuremmat x:n arvot vastaavat ferromagneettia). [81]
Maan magneettikenttää käyttävät monet eläinlajit avaruudessa suuntautumiseen. Syistä, joita ei täysin ymmärretä, linnut ja kilpikonnat käyttävät magneettista kaltevuustietoa , kun taas lohikalat ja lepakot reagoivat kentän vaakasuoraan komponenttiin. [82] Lintujen "kompassi" normaalitilassa toimii kentillä 43 - 56 μT , mutta mukautuksen jälkeen se pystyy havaitsemaan kenttiä 16 - 150 μT. [83] Samanaikaisesti linnut eivät erota pohjoista ja eteläistä magneettinapaa ja tarvitsevat lisävalotietoa orientoitumiseen. [84] Merisimpukat, salamanterit (esim. Eurycea lucifuga ), newtit (esim. vihertävä newt ), hornetit, mehiläiset ja alligaattorit [85] [86] ovat myös herkkiä magneettikentälle . Merikilpikonnat ja jotkut selkärangattomat sekä linnut pystyvät tekemään "magneettikarttoja" auttaakseen niitä löytämään tiensä [87] .
On olemassa erilaisia reseptoreita , jotka reagoivat ulkoiseen magneettikenttään. Drosophilan ja joidenkin lintujen silmät sisältävät kryptokromimolekyylejä , toiset (esimerkiksi ruskea lepakko ( eng. Big brown bat )) sisältävät yksidomeenisia hiukkasia kehossaan. Jotkut bakteerit käyttävät erityisiä organelleja, joita kutsutaan magnetosomeiksi . Samaan aikaan monet eläimet pystyvät määrittämään auringonvalon polarisaation ja navigoimaan tähtien mukaan. Siksi huolimatta monien lajien todistetusta kyvystä käyttää magneettikenttiä suunnan määrittämiseen, ei ole yksiselitteistä vastausta kysymykseen siitä, kuinka tarkalleen tämä tai toinen eläin on suunnattu avaruudessa ollessaan luonnossa. [88]
Sähkömagneettisten kenttien vaikutuksen tehokkuus eläviin organismeihin liittyy "herkkyysikkunoiden" esiintymiseen amplitudissa, gradientissa ja taajuudessa, joskus tietyn muodon signaalisarjalla voi olla erityinen vaikutus. [89] Eläinten sisäinen kompassi voi liittyä magnetiittihiukkasten esiintymiseen kehossa , esimerkiksi ferritiinin muodossa . Magnetiittia löytyy myös ihmisen aivoista ja vielä suurempina pitoisuuksina lintujen aivoissa. Ihmisen aivoissa on noin 5 miljoonaa kiteitä grammaa kohti ja sen kalvoissa noin 100 miljoonaa kiteitä grammaa kohti. Magnetiitin vaste magneettikenttään on yli miljoona kertaa suurempi kuin tavanomaisen para- tai diamagneettisen väliaineen vaste, ja oletettavasti tämä voi vaikuttaa ionien kulkeutumiseen solujen välillä. [83] Nisäkkään aivojen käpyrauhasen herkkyys magneettikentille liittyy verkkokalvon toimintaan. Tämä johtaa siihen, että verkkokalvo sisältyy kehon magnetoreseptiiviseen järjestelmään. Sen roolia havainnollistaa se, että kun Maan magneettikentän gradientti pienennetään arvoon 30 nT/m, välkkyvän valon havaitseminen vakiona ( englanniksi Flicker fusion threshold ) vähenee useimmilla ihmisillä.
On olemassa useita anaerobisia bakteereja ( Magnetotaktiset bakteerit : Aquaspirillum mangetotacticum jne .), jotka voivat reagoida ulkoisiin magneettikenttiin . Ne sisältävät magnetosomeiksi kutsuttuja organelleja , joiden kalvot sisältävät yksidomeenisia magnetiitti Fe 3 O 4 tai melnikoviitti Fe 3 S 4 (joskus molempia) kiteitä . Kiteen koko vaihtelee välillä 40-100 nm. Magnetosomit muodostavat ketjuja, jotka on kiinnitetty bakteerin sisään siten, että magneettisten nanokiteiden magnetoitumissuunta on sama kuin ketjujen suunta [90] .
Magnetotaktiset bakteerit ovat luonnollisia kompasseja , jotka suuntautuvat maan magneettikentän suuntaan . Koska ne reagoivat heikkoihin kenttiin, joiden vahvuus on noin 0,5 oersted, niitä käytetään nopeissa, erittäin herkissä menetelmissä magneettien aluerakenteen visualisointiin (esimerkiksi muuntajateräksen testaamiseen ). Kun magnetotaktiset bakteerit asetetaan magneettipinnalle, ne liikkuvat muutamassa sekunnissa voimalinjoja pitkin pohjoisnapoihin ja kerääntyvät paikkoihin, joissa magneettikenttä on kohtisuorassa pintaan nähden. Magnetotaktisia bakteereja käyttävät menetelmät antavat paremman kontrastin kuin klassiset Bitter - tai seinäkontrastit . Niiden resoluution luonnollinen rajoitus on mikrometrin luokkaa olevan bakteerin koko. [91]
Sanakirjat ja tietosanakirjat |
| |||
---|---|---|---|---|
|
Magneettiset tilat | |
---|---|
|