Магнетизм

Визначення і загальна характеристика

МАГНЕТИ́ЗМ — комплекс явищ і властивостей, повʼязаний з існува­н­ням магнітного поля. Магнітні властивості притаман­ні певною мірою усім тілам (речовинам). М. проявляється як взаємодія між електр. струмами, струмами та магнітами (тілами, що мають магніт. момент). Магнітне поле виникає як результат М. мікрочастинок (див. Магнетизм мікро- та наночастинок), так і при їх по­ступал. русі. Разом з електр. полем воно є особливим станом простору-часу, в якому проявляється електромагнітна форма руху матерії. Між магніт. і електр. полями не існує повної симетрії. У класич. електродинаміці джерелом магніт. поля є рухомі електр. заряди (струми), а також змін­ні електр. поля. Водночас аналогіч. магніт. зарядів, які могли б бути джерелом магніт. поля, поки не виявлено, хоча квантова теорія поля це допускає (магніт. монополь Дірака). М. речовин може бути пояснений тільки в межах квант. теорії. Магнітні властивості речовини ви­значаються внутр. електр. струмами, зокрема й атомними, а також М. частинок (електронів, протонів, нейтронів), які утворюють речовину. Ві­домі 2 осн. реакції на дію магніт. поля на речовини. За законом електромагніт. індукції Фарадея, зовн. магнітне поле завжди створює у речовині такий індукцій. струм, магнітне поле якого спрямоване проти початк. поля (правило Ленця). Тому магніт. момент, що створює зовн. магнітне поле, завжди спрямований проти зовн. поля (діамагнетизм). Якщо атоми речовини мають від­мін­ні від нуля магнітні моменти (спін., орбітал.), то зовн. магнітне поле буде орієнтувати ці моменти вздовж поля. У результаті виникає паралел. полю магніт. момент (парамагнетизм). Вільні електрони у речовині також роблять не­знач. парамагніт. внесок. Сут­тєвий вплив на магнітні властивості також мають і внутр. взаємодії (електр. і магніт. природи) між мікрочастинками, що є носіями магніт. моменту (атомами та ін.). У деяких випадках завдяки цим взаємодіям енергетично вигідно, щоб у речовині існувало спонтан­не впорядкува­н­ня в орієнтації магніт. моментів (атом. магніт. порядок). Речовини, в яких магнітні моменти орієнтовані паралельно один до одного в окремих областях (магніт. доменах), називають феромагнетиками. У випадку антипаралел. орієнтації сусід. магніт. моментів такі речовини називають антиферомагнетиками. Окрім таких колінеар. магніт. структур, є і неколінеарні структури (гвинт., трикутні та ін.). Якщо виключити випадок ядер. М., то для ро­зумі­н­ня природи атом. М., впорядкува­н­ня магніт. моментів у конденсов. середовищах (кри­сталах, рідинах) і властивостей сильних магнетиків, зокрема феромагнетиків Fe, Co, Ni, сут­тєвою є обмін­на взаємодія — електро­стат. взаємодія квант. природи, яка залежить від взаєм. орієнтації магніт. моментів електронів. Залежно від знака цієї взаємодії реалізується або паралельна (при додат. знаку) орієнтація магніт. моментів у феромагнетиках, або антипаралел. у антиферомагнетиках (при від­ʼєм. знаку взаємодії між сусід. магніт. моментами). Складність атом. структури речовин, що побудовані із дуже великої кількості атомів, призводить до практично невичерп. роз­маї­т­тя їхніх магніт. властивостей. Великий діапазон магніт. явищ, що роз­по­всюджується від М. елементар. часток до М. косміч. тіл (Землі, Сонця, зірок та ін.), пояснює глибокий інтерес до М. з боку багатьох наук (фізики, астрофізики, хімії, біо­логії) і його широке викори­ста­н­ня у техніці. Тех. за­стосува­н­ня М. входить до найважливіших про­блем електротехніки, приладобудува­н­ня, обчислюв. техніки, навігації, автоматики, телемеханіки та ін. У техніці широко за­стосовують магнітну дефекто­скопію та магнітні методи контролю. Магнітні матеріали за­стосовують для виготовле­н­ня магніто­проводів, генераторів, моторів, транс­форматорів, реле, магніт. під­силювачів, елементів магніт. памʼяті та ін. Успіхи у ви­вчен­ні природи магніт. явищ до­зволили реалізувати синтез нових пер­спектив. магніт. матеріалів: феритів для високо- і надвисокочастот. приладів, висококоерцитив. сполук для по­стій. магнітів, аморф. магнетиків (зокрема й спін. скла, в якому магнітні моменти на вузлах кри­сталіч. ґратки орієнтовані хаотично), феро- і антиферомагніт. аморф. матеріалів (т. зв. метал. скла, або метгласа). Остан. часом зʼявилися нові пер­спективні напрями у М. Це, насамперед, спінтроніка — галузь електроніки, що використовує квант. властивості спіну електрону, вона виникла з екс­периментів спін-за­­леж. транс­порту в приладах з твердих тіл і від­кри­т­тя гігант. магнітоопору у нано­структурах (1988). Ефекти спінтроніки нині за­стосовують у створен­ні високочутливих магніт. сенсорів і головок зчитува­н­ня у компʼютерах. Пер­спективним також є напрям створе­н­ня високоефектив. магніт. памʼяті (MRAM). Гол. метою магноніки є ви­вче­н­ня поведінки спін. хвиль у нано­структуров. системах. Зокрема досягне­н­ня магноніки спін. хвилі використовують для реалізації елементів логіки та баз зберіга­н­ня інформації.

Літ.: Ахиезер А. И., Барьяхтар В. Г., Пелетминский С. В. Спиновые волны. Москва, 1967; Тябликов С. В. Методы квантовой теории магнетизма. Москва, 1975; Косевич А. М., Иванов Б. А., Ковалев А. С. Нелинейные волны намагничен­ности. Динамические и топологические солитоны. К., 1983; Барьяхтар В. Г., Криворучко В. Н., Яблонский Д. А. Функции Грина в теории магнетизма. К., 1984; Барьяхтар В. Г., Ива­­нов Б. А. В мире магнитных доменов. К., 1986; Кучерук І. М., Горбачук І. Т. Загальна фізика. Електрика і магнетизм: Навч. посіб. К., 1990; Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнит­­ные колебания и волны. Москва, 1994; G. L. Verschuur. Hidden attraction: the his­­to­­ry and mystery of magnetism. Oxford, 1996; Третяк О. В., Львов В. А., Барабанов О. В. Фізичні основи спінової електроніки. К., 2002; B. S. Baigrie. Electricity and magnetism: a historical perspective. Westport, 2007; R. T. Merrill. Our Magnetic Earth: The Science of Geomagnetism. Chicago, 2010.

В. Ф. Лось

Завантажити статтю