ექსპერიმენტულმა კვლევებმა უჩვენეს, ნივთიერებებს მეტნაკლებად აქვთ მაგნიტური ველი. თუ ორი დენიან ხვიას რაიმე გარემოში მოვათავსებთ, მაშინ დენებს შორის ურთიერთქმედების მაგნიტური ძალა იცვლება. ეს ცდა უჩვენებს, რომ ნივთიერების ელექტრული ველებით შექმნილი მაგნიტური ველის ინდუქცია განსხვავდება იგივე დენების მიერ ვაკუუმში შექმნილი მაგნიტური ველის ინდუქციისაგან.
ფიზიკური სიდიდე, რომელიც უჩვენებს თუ სიდიდით რამდენჯერ განსხვავდება ერთგვაროვან გარემოში \(\vec{B}\) მაგნიტური ველის ინდუქცია ვაკუუმში \(\vec{B}_{0}\) მაგნიტური ველის ინდუქციისაგან, მაგნიტური შეღწევადობა ეწოდება:
\(\mu =\frac{B}{B_{0}}\).
ნივთიერებების მაგნიტური თვისებები განისაზღვრება იმ ატომებისა და ელემენტარული ნაწილაკების (ელექტრონების, პროტონების და ნეიტრონების) მაგნიტური თვისებებით, რომლებისაგან შედგება ატომი. დღეისათვის დადგენილია, რომ პროტონების და ნეიტრონების მაგნიტური თვისებები 1000-ჯერ უფრო ნაკლებია ელექტრონების მაგნიტურ თვისებებზე. ამიტომ ნივთიერების მაგნიტური თვისება ძირითადად მის შემადგენლობაში შემავალი ელექტრონებით განისაზღვრება.
ელექტრონის ერთერთ მნიშვნელოვან თვისებას წარმოადგენს, მის გარშემო არა მარტო ელექტრული, არამედ საკუთარი მაგნიტური ველის არსებობა. ელექტრონის საკუთარ მაგნიტურ ველს სპინურს (spin – ბრუნვა) უწოდებენ. ელექტრონი მაგნიტურ ველს ქმნის ატომგულის გარშემო ორბიტაზე ბრუნვის დროსაც. ეს ბრუნვა შეგვიძლია შევადაროთ წრიულ მიკროდენს. სწორედ ელექტრონების სპინური ველი და ორბიტალური მოძრაობით გამოწვეული მაგნიტური ველი განსაზღვრავს ნივთიერების მაგნიტური თვისებების ფართო სპექტრს.
ნივთიერებები მაგნიტური თვისებების მიხედვით უკიდურესად განსხვავდებებიან. ნივთიერებების უმრავლესიბაში ეს თვისებები სუსტადაა გამოსახული. სუსტად-მაგნიტული ნივთიერებები იყოფიან ორ დიდ ჯგუფად - პარამაგნიტები და დიამაგნიტები. ისინი იმით განსახვავდებიან, რომ გარე ველში შეტანისას პარამაგნიტური ნივთიერებები ისე დამაგნიტდებიან, რომ მათი საკუთარი მაგნიტური ველი გარე ველის მიმარტულების აღმოჩნდება მიმართული, ხოლო დიამაგნიტები კი მაგნიტდებიან გარე ველის საწინააღმდეგოდ. ამიტომ პარამაგნიტებსათვის μ > 1, ხოლო დიამგნიტებისათვის μ < 1. μ-ს ერთისაგან განსხვავება პარა- და დიემაგნიტებისათვის ძალიან მცირეა. მაგალითად, ალუმინისათვის, რომელიც პარამაგნიტებს განეკუთვნება, μ – 1 ≈ 2,1·10–5, რკინის ქლორიდისთვის კი (FeCl3)μ – 1 ≈ 2,5·10–3. პარამაგნიტებს განეკუთვნება ასევე პლატინა, ჰაერი და მარვალი სხვა ნივთიერება. დიამაგნიტებს განეკუთვნება სპილენძი (μ – 1 ≈ –3·10–6), წყალი (μ – 1 ≈ –9·10–6), ბისმუტი (μ – 1 ≈ –1,7·10–3) და სხვა ნივთიერებები. ელექტრომაგნიტის პოლუსებს შორის არაერთგავაროვან მაგნიტურ ველში მოთავსებული პარა- და დიამაგნიტები სხვადასხვანაირად იქცევიან - პარამაგნიტები მიიზიდებიან ძლიერი ველის არისკენ, დიამაგნიტები კი - გამოიდევნებიან (ნახ. 1).
ნახ. 1.
პარამაგნიტები და დიამაგნიტები არაერთგავაროვან მაგნიტურ ველში
პარა- და დიამაგნიტიზმი გარე მაგნიტურ ველში ელექტრონების ორბიტების ქცევით აიხსნება. დიამაგნიტური ნივთიერებების ატომებს გარე ველის არ არსებობის შემთხვევაში ელექტრონების საკუთარი მაგნიტური ველი და ორბიტული მოძრაიობით შექმნილი ველი მთლიანად კომპენსირებულია (გაწონასწორებულია). დიამაგნიტიზმის წარმოქმნა ლორენცის ძალის ელექტრულ ორბიტებზე ზემოქმედებასთანაა დაკავშირებული. ამ ძალის მოქმედებით ელექტრონების ორბიტული მოძრაობის ხასიათი იცვლება და მაგნიტური ველების კომპენსაცია ირღვევა. ამ დროს წარმოქმნილი ატომის საკუთარი ველი გარე ველი ინდუქციის საწინააღმდეგოდ აღმოჩნდება მიმართული.
პარამაგნიტური ნივთიერების ატომებში ელექტრონების მაგნიტური ველი მთლიანათ არ არის კომპენსირებული, და ატომი პატარა წრიულ დენს ემსგავსება. გარე ველის არ არსებობის შემთხვევაში ეს წლიული მიკროდენები თვითნებურადაა ორიენტირებული, ისე რომ ჯამური მაგნიტური ინდუქცია ნულის ტოლია. გარე მაგნიტური ველი მაორიენტირებემ ზემოქმედებას ახდენს - მიკროდენები ცდილობენ ისე განლაგდნენ, რომ მათი საკუთარი მაგნიტური ველი გარე ველის ინდიქციის მიმართულებას დაემთხვეს. ატომების სითბური მოძრაობის გამო მიკროდენების ორიენტაცია არასოდეს არ არის სრული. გარე ველი გაძლიერების შემთხვევაში მაორიენტირებელი ეფექტი ძლიერდება, ისე რომ პარამაგნიტური ნიმუშის საკუთარი მაგნიტური ველი იზრდება გარე მაგნიტური ველის ინდუქციის პირდაპირპროპორციულად. ნიმუშის მაგნიტური ველის სრული ინდუქცია გარე მაგნიტური ველის ინდუქციისა და დამაგნიტების პრიცესში წარმოქმნილი საკუთარი ველის ინდუქციის შეკრებით მიიღება. პარამაგნიტების დამაგნიტების მექანიზმი ძალიან ჰგავს პოლარული დიელექტრიკების პოლარიზაციის მექანიზმს. დიამაგნიტიზმს ნივთიერების ელექტრულ თვისებებს შორის ანალოგი არ გააჩნია.
უნდა აღინიშნოს, რომ დიამაგნიტური თვისებები აქვთ ნებისმიერი ნივთიერების ატომებს. მაგრამ ბევრ შემთხვევაში დიამაგნიტიზმი იფარება უფრო ძლიერი პარამაგნიტური ეფექტით. დიამაგნიტიზმის მოვლენა აღმოაჩინა მ.ფარადეიმ 1845 წელს.
ნივთიერებებს, რომლებსაც მაგნიტურ ველში შეუძლეათ ძლიერად დამაგნიტდნენ ფერომაგნიტებს უწოდებენ. მაგნიტების მაგნიტური შეღწევადობა სისდიდის რიგის მიძედვით 102–105 დიაპაზონში მდებარეობს. მაგალითად, ფოლადისთვის μ ≈ 8000, რკინისა და ნიკელის შენადნობისათვის მაგნიტური შეღწევადიბა აღწევს 250000 მნიშვნელობას.
ამავე ჯგუფს მიეკუთნება ოთხი ქიმიური ელემენტი: რკინა, ნიკელი, კობალტი და გადოლინი. მათ შორის ყველაზე დიდი მაგნიტური შეღწევადობა რკინას აქვს. ამიტომ მთელმა ამ ჯგუფმა მიიღო ფერომაგნიტების სახელწოდება.
ფერამაგნიტებს შეიძლება სხვადსხვა, ფერომაგნიტური ელემენტის შემცველი, შენადნობები წარმოადგენდნენ. ტექნიკაში ფართოდ გამოიყენება კერამიკული ფერომაგნიტური მასალები - ფერიტები.
ყოველი ფერომაგნიტისთვის არსებობს გარკვეული ტემპერატურა (ე.წ კიურის ტემპერატურა ან წერტილი), რომელს ზევითაც ფერომაგნიტური თვისებები ქრებიან და ნივთიერბა პარამაგნიტად გადაიქცევა. რკინისთვის, მაგალითად, კიურის ტემპერატურა ტოლია 770 °C, კობალტისათვის 1130 °C, ნიკელისათვის 360 °C.
ფერომაგნიტური მასალები იყოფიან ორ დიდ ჯგუფად მაგნიტურად-რბილ და მაგნიტურად-ხისტ მასალებად. რბილი ფერომაგნიტური მასალები თითქმის მთლიანად განმაგნიტდებიან, როცა გარე მაგნიტური ველი ნულის ტოლი ხდება. მაგნიტურად-რბილ მასალებს მიეკუთნებიან, მაგალითად, სუფთა რკინა, ელექტროტექნიკური ფოლადი და ზოგიერთი შენადნობი. ეს მასალების ცვალდაი დენის ხელასწყოებში გამოიყენებიან, როლებშიც უწყვეტი გადამაგნიტება მიმდინარეობს, ანუ მაგნიტური ველის მიმართულება იცვლება (ტრანსფორმატორები, ელექტროძრავები და სხვა).
მაგნიტურად-ხისტი მასალები დამაგნიტებულობას მაგნიტური ველიდან გამოტანის მერეც მნიშვნელოვნად ინარშუნებენ. მაგნიტურად-ხისტი მასალების მაგალითებს წარმოადგენენ ნახშირბადიანი ფოლადი და რიგი სპეციალური შენადნობებისა. მაგნიტურად-ხისტ მასალებს ძირითადად მუდმივი მაგნიტების დასამზადებლად გამოიყებებიან.
ფერომაგნიტების მაგნიტური შეღწევადობა μ არ არის მუდმივი სიდიდე; ის B0 გარე ველის იმდუქციაზე ძლიერადაა დამოკიდებული. ნახ. 2-ზე ტიპური μ (B0) დამოკიდებულებაა მოყვანილი. ცხილებში ჩვეულებრივ მაგნიტური შეღწევადობის მაქსიმალური სიდიდეა მოყვანილი.
ნახ. 2.
ფერომაგნიტის მაგნიტური შეღწევადობის ტიპური დამოკიდებულება გარე ველის ინდუქციაზე
მაგნიტური შეღწევადობის არა მუდმივობას რთულ არაწრფივ დამოკიდებულებებთან მივყავართ ფერომაგნიტში B მაგნიტური ველის ინდუქციასა და გარე B0 მაგნიტური ველის ინდუქციას შორის. ფერომაგნიტის დამაგნიტების პროცესის დამახასიათებელ თავისებურებას ე.წ. ჰისტერეზისის მოვლევა წარმოადგენს, ანუ დამაგნიტების დამოკიდებულება ნიმუშის პრეისტორიასთან. ფერომაგნიტური ნიმუშის დამაგნიტების B (B0) მრუდი რთული ფორმის მარყუჟს წარმოადგენს, რომელსაც ჰისტერეზისის მარყუჟს უწოდებენ (ნახ. 3).
ნახ. 3.
ფერომაგნიტის ჰისტერეზისის მარყუჟი. ისრებით ფერომაგნიტური ნიმუშის დამაგნიტებისა და განმაგნიტების პროცესის მიმართულებაა მითითებული გარე ველის B0 ინდუქციის ცვლილებისას
ნახ. 3-ზე ჩანს, რომ როცა \(\left | B_{0} \right |> B_{0S}\) მაგნიტური გაჯერება ხდება - ნიმუშის დამაგნიტებულობა მაქსიმუმს აღწევს.
თუ ახლა გარე ველის მაგნიტურ B0 ინდუქციას შევამცირებთ და ისევ ნულოვან მნიშვნელობამდე დავიყვანთ, ფერომაგნიტი შეინარჩუნებს ნარჩენ დამაგნიტებას - ნიმუშის შიგნით ველი Br-ს ტოლი იქნება. ნიმუშების ნარჩენი დამაგნიტება მუდმივი მაგნიტების შექმნის საშუალებას იძლევა. ნიმუშის სრული განმაგნიტებისთვის აუცილებელია, გარე ველის ნიშნის შეცვლით, მაგნიტური B0 ინდუქციის მნიშვნელობის მიყვანა B0c-მდე, რომელსაც კოერციტიულ ძალას უწოდებენ. შემდეგ გადამაგნიტების პროცესი შეიძლება გაგრძელდეს, ისე როგორც ნახ. 3-ზეა ნაჩვენები.
მაგნიტურად-რბილი მასალებისთვის კოერციტიული ძალა B0c დიდი არ არის - ჰისტერეზისის მარყუჟი ასეთი მასალებისთვის საკმაოდ ვიწროა. კოერციტიული ძალის დიდი მნიშვნელობის მასალები, ანუ ჰისტერეზისის ფართო მარყუჟის მქონე მასალები, მაგნიტურად-ხისტ მასალებს განეკუთვნებიან.
ფერომაგნიტიზმის ბუნება ბოლომდე მხოლოდ ქვანტური წარმოდგენების საფუძველზე შეიძლება იქნეს გაგებული. ფერომაგნიტიზმი თვისობრივად ელექტრონების საკუთარი (სპინური) მაგნიტური ველების არსებობით შეიძლება იქნეს ახსნილი. ფერომაგნიტური მასალების კრისტალებში იქმნება პირობები, როცა მეზობელი ელექტრონების სპინური მაგნიტური ველების ძლიერი ურთიერთქმედების შედეგად, ენერგეტიკულად ხელსაყრელი ხდება მათი პარალელური ორიენტაცია. ასეთი ურთიერთქმედების შედეგად ფერომაფნიტის კრისტალის შიგნით წარმოიქმნება თვითნებურად დამაგნიტებილი არეები 10–2–10–4 სმ რიგის ზომებით. ამ არეებს დომენებს უწოდებენ. ყოველი დომენი პატარა მუდმივ მაგნიტს წარმოადგენს.
გარე მაგნიტური ველის არ არსებობის შემთხვევაში დიდი კრისტალის სხვადასხვა დომენში მაგნიტური ველის ინდუქციის ვექტორები ქაოტურადაა ორიენტირებულია. ასეთი კრისტალები საშუალოდ დამაგნიტებული არ არის. გარე მაგნიტურ B0 ველში მოხვედრისას ხდება დომენების საზღვრების გადანაცვლება, ისე რომ გარე ველის გასწვრივ ორიენტირებული დომენების მოცულობა იზრდება. გარე ველის ინდუქციის გაზრდით დამაგნიტებული ნივთიერების მაგნიტური ველის ინდუქციაც იზრდება. ძალიან ძლიერ გარე ველში, დომენები, რომელთა საკუთარი მაგნიტური ველი ემთხვევა გარე ველის მიმართულებას, ყველა დანარჩენ დომენს შთანთქავენ იქმნება მაგნიტური გაჯერაბა. ნახ. 4 ფერომაგნიტური ნიმუშის დამაგნიტების პროცესის ილუსტრაციას წარმოადგენს.
ნახ. 4.
ფერომაგნიტური ნიმუშის დამაგნიტება. (1) B0 = 0; (2) B0 = B01; (3) B0 = B02 > B01