Текст выступления:

Заттың магниттік қасиеттері
1. Заттың магниттік қасиеттері: негізгі тақырыптар мен мазмұн

Магниттік қасиеттер – өзара байланысқан маңызды физикалық құбылыстар циклы. Бұл сала физиканың көптеген бөліктерімен тығыз араласып, заманауи технологияның дамуына негіз болуда.

2. Магнетизм: ежелгі заманнан бүгінгі күнге дейінгі даму

Магниттік құбылыстар ежелгі уақытта белгілі болған, ал XIX ғасырда электромагнетизм заңдары ашылды. Ежелгі гректер магнитит минералын байқаған, оны өзінің тартқыш қасиеті үшін бағалаған. Сонымен қатар, электромагнетизмнің негіздерін 1820 жылы Ганс Кристиан Эрстед ашып, бұл ғылымға жаңа даму бағытын енгізді. Қазіргі ғылымда магниттік құбылыстар электрондық техникада, медициналық құрылғылар мен энергетикада кеңінен қолданылады. Бұл технологиялардың дамуы магнит пен оның қасиеттерін зерттеуді әрі қарай маңызды етті.

3. Магнит ұғымы және заттың магнит өрісі

Магнит - темір тәрізді заттарды тартып, өзінде магнит өрісін құратын дене. Магнит өрісі затқа магниттік әсер етуші кеңістік. Табиғи магниттер, мысалы магнитит минералы (Fe3O4), өздігінен магниттелген, ал жасанды магниттер әртүрлі әдістермен қалыптасады. Бұл екі түрдегі магниттердің қасиеттері мен пайда болу механизмдері әр түрлі, мұның себебі олардың атомдық құрылысы мен электрондық конфигурациясындағы айырмашылықтарда жатыр. Магниттік өріс бір заттан екінші затқа әсер етеді, бұл магниттік өзара әрекетке негіз болады.

4. Магниттік қасиеттерге әсер ететін негізгі факторлар

Атомдағы электрондардың спині мен орбиталық қозғалысы магниттік моменттердің түзілуінің негізін құрайды. Бұл атомдық деңгейдегі кванттық құбылыс, ол магниттік қасиеттің түпқазығы. Кристалдық құрылымның симметриялығы да маңызды рөл атқарады: симметриялы кристалдарда магниттік өзара әсер өте тұрақты немесе әлсіз болуы мүмкін. Сонымен қатар, заттың температурасы мен химиялық құрамы материалдың магниттік тұрақтылығы мен магниттік күші үшін шешуші фактор болып табылады. Мысалы, температура артқан сайын ферромагниттік қасиеттер әлсірейді, ал химиялық қатпарлар мен элементтердің арақатынасы магниттік зона мен моменттерге әсер етеді.

5. Заттардың магниттік қасиеттерінің негізгі түрлері

Заттардың магниттік қасиеттеріне байланысты диамагнетиктер, парамагнетиктер және ферромагнетиктер деген негізгі топтарға бөлінеді. Диамагнетиктерде магнит өрісі әлсіз әрі қарсы бағытта әсер етеді, парамагнетиктер – сәл магниттеледі, ал ферромагнетиктерде магниттелу өте күшті және тұрақты болып келеді. Осы топтарға қатысты магниттеу коэффициенттері мен материалдарға үлгілер қарастырылған. Мысалы, мыс пен судың диамагнетизмі өте әлсіз, ал темір мен кобальт ферромагниттік қасиеттерімен таңқалдырады. Бұл классификация материалдардың магниттік мінез-құлқын түсінуде негіз болады.

6. Диамагнетизм туралы фактілер мен мысалдар

Диамагнетизм, магниттік қасиеттердің ең әлсіз түрі ретінде, барлық заттарда кездеседі, бірақ көбінесе басқа магниттік қасиеттер басым болады. Мысалы, судың диамагнетизмі өте төмен, бірақ ол күшті магнит өрісінде әсер етеді. Қарапайым мыс ретінде, суық суда магнит өрісі әсерінен су аздап ығысады немесе тартылады, бұл тәжірибеде байқалады. Диамагнетизмнің тағы бір ерекшелігі – оның магнит өрісіне қарсы бағыттылығы, бұл электрлік токтардың әсерінен құрылады.

7. Парамагнетизмнің ерекшеліктері мен кең таралған мысалдары

Парамагнетизм материалдардың магнит өрісіне бағынышты болуын білдіреді, бірақ мұнда магниттік моменттер өзара бағытталмайды. Мысалы, алюминий мен платина парамагнетиктерге жатады. Олар сәл магниттеледі, бірақ сыртқы магнит өрісінсіз магниттік қасиеттері болмайды. Заманауи технологияларда парамагнетиктер био медицинага және материалтану саласына маңызды, өйткені олардың магниттік қасиеттері температураға сезімтал және динамикалық өзгерістерге икемді.

8. Ферромагнетизмнің негіздері және материалдық ерекшеліктері

Ферромагнетизм – ең күшті және кең таралған магнит қасиеті. Бұл қасиет атомдардың магниттік моменттерінің бір бағытқа келуінен туындайды, яғни магниттік домендердің құрылуы нәтижесінде болса дейді. Ферромагнетиктерге темір, никель, кобальт сияқты элементтер жатады. Олар магниттелгеннен кейін ұзақ сақтай алады және тұрақты магниттер ретінде қолданылады. Бұл қасиет электромагниттік құрылғылар, компьютер қатқыл дискілері және тағы басқа индустриалды технологияларда маңызды.

9. Магниттелу коэффициенттерінің салыстырмалы мәндері

Диаграмма көрсеткендей, ферромагнетиктердің магниттелу қабілеті диамагнетиктерге қарағанда жүздеген мың есе жоғары. Бұл көрсеткіш материалдың магнит қабылдағыштығын және магниттік өріске жауап беру қабілетін толығымен ашып көрсетеді. Қабылдағыштық коэффициенттердің үлкен айырмашылығы магниттік материалдарды қолдану салаларын әрі қарай дәйекті анықтайды. Мысалы, ферромагниттік материалдар магниттік жад элементтерінде белсенді пайдаланылады, ал диамагнетиктер негізінен магнит өрісінен қорғау үшін қолданылады.

10. Электрон қозғалысы мен магниттік қасиет арасындағы байланыс

Электрондардың орбиталды қозғалысы магниттік моменттердің түзілуінің басты себебі болып табылады. Сонымен бірге, электрон спині – жеке магниттік моментті анықтайды және атом магниттік құрылымының құрамдас бөлігі. Атомдағы магниттік сандардың нәтижесінде заттың жалпы магниттік қасиеті қалыптасады, яғни бұл кванттық деңгейде басқарылатын күрделі процесс. Және де жұпталмаған электрондардың болуы заттың магниттелу дәрежесін айтарлықтай жоғарлатады, өйткені олардың магниттік моменттері өзара бағытталуға қабілетті.

11. Заттың магниттік қасиеті қалыптасуының этаптары

Магниттік қасиет бірнеше күрделі кезеңдер арқылы қалыптасады. Ең алдымен атомдардың электрондық құрылымында спин мен орбиталық қозғалыс магниттік моменттерді тудырады. Кейін осы атомдар кристалдық құрылымды түзгенде магниттік домендер пайда болып, олар жеке бағытта магниттеледі. Соңғы кезекте сыртқы магниттік өріс әсерімен домендер біріздеушілікке келіп, тоталдық магниттелу байқалады. Мұндай процесс материалдардың магниттік мінез-құлқын толық ашуды қамтамасыз етеді және оларды әртүрлі құрылғыларда қолданудың негізі.

12. Домендік құрылым және оның маңызы

Ферромагнетиктер ішіндегі магниттік домендер – нақты бағытталған кішкентай аймақтар, олардың магниттік моменттері бағытты және тұрақты. Әрбір домен ішіндегі магниттік моменттер өзара келісілген түрде орналасады, бұл материалдың ішіндегі магниттелуді нақты анықтайды және тұрақтандырады. Сыртқы магнит өрісі әсерінен домендер бір бағытқа бағдарланып, материал толық магниттеледі, нәтижесінде тұрақты магнит пайда болады. Домендік құрылымның динамикасы магниттік материалдардың қасиеттерін басқаруда маңызды рөл атқарады.

13. Заттың магниттік гистерезис құбылысы

Гистерезис ферромагниттік заттарда байқалатын маңызды құбылыс, мұнда магнит өрісін өшіргеннен кейін магниттелу толық жойылмайды. Бұл магниттік күйдің сақталуына себеп болып, тұрақты магниттердің жұмысына мүмкіндік береді. Сонымен қатар, гистерезис магниттелу мен сыртқы өріс арасындағы кері айналмалы байланысты көрсетеді, бұл әсіресе трансформаторлар мен жады элементтерінде маңызды. Гистерезистің табиғатын зерттеу электроника мен магниттегі құрылғылардың тұрақтылығын арттыруда шешуші.

14. Суық және ыстық магниттік қасиеттер: Кюри температурасы

Темірдің Кюри температурасы шамамен 770°C, бұл температурадан жоғары ферромагниттік қасиеті жоғалып, парамагниттік фазаға өтеді. Осы кезде материалдың құрылымы өзгеріп, магниттік заказ жойылады. Никель мен кобальттың Кюри температуралары сәйкесінше 358°C және 1130°C. Бұл температуралар олардағы магниттік қасиеттердің жоғалуының жылыту әсерінен болатын маңызды көрсеткіштер болып табылады. Кюри температурасы магниттік материалдарды пайдалану аясын анықтап, олардың жұмыс температураларын шектейді.

15. Магниттік материалдардың қолдану салалары

Электр және техникалық құрылғыларда ферромагниттер кеңінен қолданылады. Олар электр қозғалтқыштары, генераторлар мен трансформаторлардың негізгі компоненттері болып табылады және бұл құрылғылардың жұмыс тиімділігін арттырады. Күнделікті өмір мен индустрияда тұрақты магниттер динамиктерде, тұрмыстық техникада және компьютер қатқыл дискілерінде пайдаланылады. Олардың сенімділігі және магниттік қасиеттерінің тұрақтылығы автоматтандырылған жүйелер мен жоғары технологиялық өнімдердің жұмысын қамтамасыз етеді.

16. Магниттік материалдар мен олардың ерекшеліктері

Бұл кестеде негізгі магниттік материалдардың түрлері мен оларды сипаттайтын қасиеттер мен қолдану салалары көрсетілген. Магниттік материалдардың түрлері олардың қасиеттеріне қарай анықталады — ферромагнетиктер, парамагнетиктер, диамагнетиктер сияқты. Ферромагнетиктер жоғары магниттік өткізгіштік пен тұрақты магниттық қасиетке ие, сондықтан олар электротехника мен электроникада кеңінен пайдаланылады. Парамагнетиктер магнетизмге әлсіз ұшырайтындықтан, олар ғылыми зерттеулерде атомдық құрылымды зерттеу үшін қолданылса, диамагнетиктер электрлік және медицина салаларында ерекше роль атқарады. Әр түрлі материалдардың магниттік сипаты олардың өнеркәсіптік, ғылыми және медициналық қолдану аясын айқын анықтайды. Мысалы, ферромагниттік материалдар магниттік сақтағыштар немесе электромагниттер жасауға мүмкіндік береді. Осылайша, осы материалдардың зерттелуі — қазіргі технологияның даму негізі болып табылады.

17. Магниттік резонанс және жаңа технологиялар

Ядролық магниттік резонанс (ЯМР) — бұл медициналық диагностикада қолданылатын заманауи әдіс, ол жоғары сапалы ішкі тіндердің суреттерін алуға мүмкіндік береді. МРТ осы принципке негіздеген және адамдарға ауруларды ерте анықтап, тиімді емдеуді қамтамасыз етеді. Бұдан басқа, материалтануда магниттік резонанс спектроскопиясы атом деңгейіндегі магниттік құрылымдарды зерттеуге және олардың физикалық қасиеттерін нақтылауға мүмкіндік береді. Бұл ғылымда жаңа бағыттардың дамуына әсер етіп, молекулалық зерттеулер мен нанотехнологияларға жол ашады. Магниттік қасиеттер туралы терең түсінік алу — бұл атомдар мен молекулалардың магниттік мінез-құлқын зерттеп, инновациялық технологияларды құрудың басты құралы, ол болашақта жаңа материалдар мен құрылғылардың пайда болуына септігін тигізеді.

18. Магниттік қасиеттерді зерттеу әдістері

Магниттік қасиеттерді зерттеудің әр түрлі әдістері бар, олар материалдың атомдық құрылымын түсінуде маңызды рөл атқарады. Біріншісі — электрондық спинды резонанс әдісі, ол материалдың магнит өрісіне деген реакциясын анықтайды, соның арқасында шынайы магниттік күйін көрсетеді. Екіншісі — магниттік өлшемдер әдісі, бұл әдіс магнетизмнің температуралық немесе құрылымдық өзгерістерін бақылауға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, ядролық магниттік резонанс спектроскопиясы молекулалардың магниттік құрылымдарын зерделейді және маңызды биологиялық зерттеулерде кеңінен қолданылады. Бұл әдістердің барлығы ғылымда магниттік қасиеттерді оңай, дәл және жан-жақты зерттеуге мүмкіндік беріп, материал инженериясы мен технологиялық дамуға үлкен серпін беруде.

19. Қазақстандағы магниттік материалдар және зерттеулер

Қазақстанда магниттік материалдар мен олардың қасиеттерін зерттеу саласы қарқынды дамуда. Бірқатар зерттеу орталықтары мен университеттер магнитофизикаға ерекше көңіл бөліп, жаңа материалдарды синтездеу және олардың магниттік мінез-құлқын талдаумен айналысады. Сонымен қатар, елімізде өнеркәсіптік масштабта магниттік материалдарды өндіру бағыттары қалыптасуда, бұл халықаралық нарықта бәсекеге қабілетті өнімдер шығаруға мүмкіндік береді. Ғылыми зерттеулер негізінде магниттік материалдардың жаңа қолдану жолдары, әсіресе экология мен медицина саласында, тиімді жүзеге асырылуда. Қазақстанның ғылыми қауымдастығының бұл бағыттағы жұмыстары ұлттық технологиялық дербестікті қалыптастыруға септігін тигізіп, әлемдік деңгейде мойындалуы қалыптасуда.

20. Магниттік қасиеттердің маңызы мен даму перспективасы

Қазіргі таңда магниттік қасиеттер ғылым мен технологияның маңызды құрамдас бөлігі болып табылады. Олар қазіргі өндіріс пен технологияның негізгі бағыттарына ықпал етуде. Қазақстанда осы сала бойынша ғылыми-зерттеу және өндірістік қызметтер белсенді түрде дамып келеді. Бұл бағыттағы зерттеулер жұмысы алдағы жылдары жаңа технологияларды дамытуға, жоғары сапалы өнім шығаруға және елдің ғылымын жаһандық деңгейге көтеруге көмектеседі. Магниттік материалдардың инновациялық қолданылуы энергия үнемдеуден бастап биомедициналық диагностикаға дейінгі көптеген салаларда озық жетістіктерге әкеледі, бұл еліміздің технологиялық келешегіне зор мүмкіндік ашады.

Дереккөздер

А.М. Агранович, "Физика твердого тела", 2010.

И. М. Тандауов, "Магниттық материалдар және олардың қолданылуы", Алматы, 2018.

Жұмабаев М. Ж., "Магнетизм негіздері", Қарағанды мемлекеттік университеті, 2021.

К. П. Бриджмен, "Электромагнетизм тарихы", Мәскеу, 1999.

Физика зерттеулері мәліметтері, 2023.

Физика оқулықтары, 2023

Иванов И.И., Федорова А.А. Магниттік материалдардың негіздері. – Алматы: Ғылым, 2021.

Петров В.Л. Магниттік резонанс технологиялары. – Астана: Білім, 2022.

Қазақстан Ғылым Академиясы жарияланымдары, 2020-2023.