Магнетит і його властивості.
У центрі дослідження «Електричні« фокуси »бджіл» знаходиться бджола. У цій же статті буде розглянуто питання опосередковано відноситься до «винуватиці». Проте, глибоке розуміння властивостей магнетиту необхідно в силу того, що він є частиною внутрішньої будови відомого комахи.
Сильний магнетизм магнетиту викликав великий інтерес з глибокої давнини. Про явище тяжіння заліза магнетитом було відомо китайцям з VI століття до нашої ери. Магнітний покажчик на південь (прабатько компаса) був загальновідомим приладом в Китаї з I-III століть нашої ери. Маса свідоцтв про властивості мінералу магнетиту збереглося в давньогрецьких і давньоримських джерелах. Протягом століть середньовіччя магнетит використовували для магічних фокусів і знахарства (лікування магнітом). Сьогодні магнітні властивості магнетиту використовуються в багатьох областях людської діяльності. Доводиться враховувати ці властивості і бджолярам.
Як сучасна наука описує магнетит і пояснює його магнітні властивості?
Магнетит або мінерал магнітний залізняк є закис-окис заліза Fe3O4. будучи однією зі складових залізної руди. За хімічним складом магнетит складається приблизно на 31% з FeO і на 69% з Fe2O3. Він не є феромагнетиком, як вважалося раніше. Магнетит відносить до компенсувати антиферомагнетики, інакше, феримагнетика. Має властивості одного і іншого.
Звичайнісінький магніт
Магнетит відноситься до сімейства феритів (шпінель). Кубічна кристалічна решітка шпінелі сформована аніонами кисню О2 -, з якими пов'язані катіони Fe3 + і Fe2 +. При цьому катіони заліза можуть бути оточені чотирма аніонами О2 - (тетраедр) і шістьма анионами О2 - (октаедр). Відповідно магнетит має кристалічну структуру зверненої шпінелі. (Fe3 +) [Fe2 + Fe3 +] О4. У першій частині структури - (Fe3 +) є катіони тільки з валентністю +3, а в другій частині - [Fe2 + Fe3 +] катіонів виходить в два рази більше і вони мають валентність як 2+, так і 3+.
Відповідно до гіпотези Ампера, в будь-якому тілі існують мікроскопічні струми, обумовлені рухом електронів в атомах і молекулах. Виходячи з теорії магнетизму, його істочнікомявляютсяелектрони і їх властивості. Електрон, маючи масу і заряд, володіє власним моментом кількості руху - спіном і відповідно, спіновим магнітним моментом (ms). За одиницю вимірювання магнітних моментів атомів і катіонів береться величина ms електрона або магнетон Бора (mВ). М s катіона Fe3 + (3d 5) дорівнює 5mB. а катіона Fe2 + (3d 6) - 4mB (по числа не скомпенсованих електронів в 3d-електронної оболонці). Упорядкування спінових моментів М s катіонів заліза відбувається під впливом обмінного взаємодії між електронами 3d-оболонки сусідніх катіонів. Головну роль у цій взаємодії грають напрямки спінів електронів S.
Розрізняють три основних види магнітного впорядкування (не вважаємо Діамагнетик і парамагнетики): феромагнітна, антиферомагнітне і феррімагнітном. В результаті упорядкування спінових моментів М s катіонів заліза в речовині виникає спонтанна, тобто при відсутності зовнішнього магнітного поля Н, намагніченість Is або ss (результуючий магнітний момент одиниці об'єму або маси магнетика (Is = М s в 1 см3 або ss = М s в 1 г) ). Відмінність антиферромагнетиков і феримагнетиків від феромагнетиків в тому, що обмінна взаємодія, про який йшла мова, призводить до періодичного зміни напрямків спінових моментів М s катіонів в кристалі на прямо протилежне.
При розгляді даного упорядкування необхідно враховувати наявність декількох подрешеток. В одній підгратці спонтанна намагніченість напрямки спінів в одну сторону, в інший напрямок спінів буде протилежним, в третій - в знову в зворотному. У магнетиті більше число магнітних катіонів знаходиться в частині [Fe2 + Fe3 +], менше в частині (Fe3 +). Якщо для феромагнетиків результуюча намагніченість дорівнює кінцевої величиною (так як магнітні моменти мають різні величини), то для антиферомагнетика вона дорівнює нулю (так як число магнітних катіонів в підгратках різному). У магнетиті результуюча (феррімагнітном) намагніченість відмінна від нуля. Концентрація перескокового електронів в магнетиті досить велика. Перескокового електрони виникають в октаедричної решітці між парами катіонів Fe3 + і Fe2 +. Між ними йде безперервний процес. Один перескокового електрон з 3d-електронів катіона Fe2 + відривається від останнього і рухається до катиону Fe3 +, перетворює його в Fe2 +, знову електрон відривається від катіона Fe2 + і рухається в зворотному напрямку і т.д. Перескокового електрони є основою у формуванні магнітних властивостей магнетиту. При додатку до зразка магнетиту різниці електричних потенціалів перескокового електрони переміщаються за зразком, створюючи напівпровідникові властивості.
«Молодці» все. хто ігнорував чотири нудних абзацу, коротко, в них йшлося про кристалічному речовині магнетиті зі структурою у вигляді двох і більше подрешеток. Його магнітні властивості визначаються електронами, що входять до складу атомів. Електрони створюють магнітне поле за рахунок орбітального руху навколо ядра і власного обертання (спіновий поле). Серед них в кристалічних підгратками є перескокового 3d-електрони. Спінові поля перескокового електронів з урахуванням особливостей кристалічної структури обумовлюють електропровідність магнетиту і беруть участь у формуванні його магнітних властивостей. Магнітні моменти електронів перебувають в стані самовільного магнітного впорядкування, в якому результуючий магнітний момент відмінний від нуля.
З огляду на викладене вище, внесемо деякі пояснення щодо магнетиту.
Отже, магнетит - володіє мимовільної намагніченістю, яка може сильно змінюється під впливом зовнішніх впливів - магнітного поля, деформації, температури.
Крім цього, важливою умовою при розгляді магнітних властивостей магнетиту є його розмір і форма. Уявленняпро доменах є основним в розумінні магнетизму. Магнітними доменами називаються частинки магнітного матеріалу. в яких намагніченість однорідна і спрямована всюди однаково. Йдеться про розміри частинок магнетиту в межах від сотень ангстрем до сотень мікрон. Магнетит може перебувати (в порядку збільшення) в суперпарамагнітна. однодоменних. псевдодоменном і багатодоменному станах. Однодоменних частка завжди намагнічена до максимуму насичення і має два полюси. Полюса і дають внесок в енергію частинки. У багатодоменному частці намагніченість в кожному з доменів спрямована в різні боки, щоб компенсувати такий дисбаланс, в сусідніх доменах відбувається безперервний поворот намагніченості стінок між доменами (стінки з кутами на 90 ° або 180 °). В результаті енергія полюсів зменшується, але компенсується за рахунок енергії доменних стінок. Результатом є поява рівноважної конфігурації доменів. В ідеалі такого практично не буває і багатодоменному частка зазвичай знаходиться в якомусь метастабільних станів. Кілька однодоменних частинок можуть вести себе як багатодоменному. Псевдодоменним називається перехідний стан від однодоменних до багатодоменному. Властивості псевдодоменних частинок схожі на властивості однодоменних за рахунок більшої коерцитивності і більш стабільною намагніченості останніх. Перехід з одного стану в інший відбувається не різко, а поступово. Суперпарамагнетізмпредполагает дуже маленький розмір частки (прагне від малого до однодоменних станом), в якому енергія теплових флуктуацій достатня для спонтанного перемагничивания. Взаємодіючі між собою суперпарамагнітні частинки можуть вести себе як однодоменних. Характеристики по всім станам магнетиту досліджувалися в межах 10 - 20 мкм. (Розміри біогенного магнетиту істотно менше, тому доменні стану магнетиту у бджіл визначалися за допомогою теоретичних розрахунків і результатів сторонніх експериментів.)
На відміну від ферромагнетиков магнетит має високе значення питомої опору, меншу величину індукції насичення, більш складну температурну залежність індукції. Феромагнетизм в металах утворюється між дотичними атомами. У магнетиті магнітоактивного катіони знаходяться далеко один від одного, оскільки розділені аніонами кисню, що не володіють магнітним моментом, і пряме обмінна взаємодія між катіонами окази-ється дуже слабким або відсутній взагалі (непрямий обмін).
Через високу питому електричного опору магнетит має низькі втрати на вихрові струми. Індукція насичення становить приблизно 20 -25% від індукції насичення заліза. При виході з зовнішнього магнітного поля, якщо напруженість поступово знижувати, то навіть при нульовій напруженості. намагніченість буде зберігатися магнетит залишається намагніченим. тобто створює магнітне поле в навколишньому просторі. Щоб повністю розмагнітити феромагнетик, необхідно докласти напруженість протилежного знака. До магнетиту застосовні майже всі магнітні властивості, введені для феромагнетиків.
Якщо магнетит нагріти до певної температури, а потім охолодити в постійному магнітному полі, то в ньому виникає термонамагніченность. Спонтанна намагніченість в магнетиті при-нимает найбільше можливе значення за умови, коли енергія теплового руху дорівнює нулю (Т = 0 ° С). Магнітна сприйнятливість зменшується з істотним підвищенням температури. Руйнування феррімагнітном упорядкування магнетиту відбувається при температурі Кюрі ТС = 574 - 585 ° С.