Kerentanan magnet

Dalam elektromagnetisme, kerentanan magnet (dilambangkan χ) ialah ukuran berapa banyak bahan akan menjadi magnet dalam suatu medan magnet. Ia ialah nisbah kemagnetan $M$ (momen magnet per unit isi padu) kepada keamatan medan pemagnet yang digunakan, $H$ . Ini membolehkan pengelasan mudah, kepada dua kategori, bagi kebanyakan tindak balas bahan terhadap medan magnet yang digunakan: penjajaran dengan medan magnet, $χ > 0$ , dipanggil paramagnetisme, dan penjajaran terhadap medan, $χ < 0$ , dipanggil diamagnetisme.

Kerentanan magnet menunjukkan sama ada bahan akan tertarik ke dalam atau ditolak keluar dari medan magnet. Bahan paramagnet sejajar dengan medan yang digunakan dan tertarik kepada kawasan yang mempunyai medan magnet yang lebih besar. Bahan diamagnet adalah antisejajar dan ditolak ke arah kawasan medan magnet yang lebih rendah. Di atas medan yang digunakan, kemagnetan bahan menambah medan magnetnya sendiri, menyebabkan garis medan tertumpu dalam paramagnetisme, atau dikecualikan dalam diamagnetisme.^[1] Ukuran kuantitatif kerentanan magnet juga memberikan pandangan tentang struktur bahan, memberikan pandangan tentang tahap ikatan dan tenaga. Tambahan pula, ia digunakan secara meluas dalam geologi dalam kajian paleomagnetik dan geologi struktur.^[2]

Kebolehmagnetan bahan berasal daripada sifat magnet peringkat atom zarah juzuk. Biasanya, ini dikuasai oleh momen magnet elektron. Elektron terdapat dalam semua bahan, tetapi tanpa sebarang medan magnet luar, momen magnet elektron biasanya sama ada berpasangan atau rawak supaya kemagnetan keseluruhan adalah sifar (pengecualian untuk kes biasa ini ialah feromagnetisme). Sebab asas mengapa momen magnet elektron berbaris atau tidak adalah sangat kompleks dan tidak dapat dijelaskan oleh fizik klasik. Walau bagaimanapun, peringkasan yang berguna adalah untuk mengukur kerentanan magnet bahan dan menggunakan bentuk makroskopik persamaan Maxwell. Ini membolehkan fizik klasik membuat ramalan berguna sambil mengelakkan butiran mekanik kuantum dasar.

Takrifan sunting

Kerentanan isi padu sunting

Kecenderungan magnetik ialah pemalar kekadaran tanpa dimensi yang menunjukkan tahap kemagnetan bahan sebagai tindak balas kepada medan magnet yang digunakan. Istilah yang berkaitan ialah kebolehmagnetan: perkadaran antara momen magnet dan ketumpatan fluks magnet.^[3] Parameter yang berkait rapat ialah kebolehtelapan, yang menyatakan jumlah kemagnetan bahan dan isipadu.

Kerentanan magnetik isi padu, diwakili oleh simbol $χ v$ (selalunya hanya $χ$ , kadang-kadang $χ m$ – magnetik, untuk membezakan daripada kerentanan elektrik), ditakrifkan dalam Sistem Unit Antarabangsa – dalam sistem lain mungkin terdapat pemalar tambahan – dengan hubungan berikut:^[4]^[5]

\mathbf {M} =\chi _{\text{v}}\mathbf {H} .

Di sini,

$M$ ialah kemagnetan bahan (momen dwikutub magnet per unit isi padu), dalam ampere per meter, dan
$H$ ialah kekuatan medan magnet, juga dalam unit ampere per meter.

Oleh sebab ini, $χ v$ bersifat tiada dimensi.

Dengan menggunakan unit SI, aruhan magnet $B$ dikaitkan dengan $H$ dengan hubungan

\mathbf {B} \ =\ \mu _{0}\left(\mathbf {H} +\mathbf {M} \right)\ =\ \mu _{0}\left(1+\chi _{\text{v}}\right)\mathbf {H} \ =\ \mu \mathbf {H}

dengan

μ 0

ialah kebolehtelapan vakum (lihat jadual pemalar fizik), dan

(1 + χ v)

ialah kebolehtelapan relatif bahan. Oleh itu, kebolehrentanan magnet isipadu

χ v

dan kebolehtelapan magnet

μ

dikaitkan dengan formula berikut:

\mu =\mu _{0}\left(1+\chi _{\text{v}}\right).

Kadangkala^[6] kuantiti tambahan yang dipanggil keamatan kemagnetan

I

(juga dirujuk sebagai polarisasi magnet

J

) dan dengan unit tesla, ditakrifkan sebagai

\mathbf {I} =\mu _{0}\mathbf {M} .

Ini membenarkan penerangan alternatif bagi semua fenomena kemagnetan dari segi kuantiti

I

dan

B

, berbanding

M

dan

H

yang biasa digunakan.

Kerentanan molar dan jisim sunting

Terdapat dua lagi ukuran kerentanan, kerentanan magnet molar ( $χ m$ ) dengan unit m³/mol, dan kerentanan magnet jisim ( $χ ρ$ ) dengan unit m³/kg yang ditakrifkan di bawah, di mana $ρ$ ialah ketumpatan dengan unit kg/m³ dan $M$ ialah jisim molar dengan unit kg/mol:

{\begin{aligned}\chi _{\rho }&={\frac {\chi _{\text{v}}}{\rho }};\\\chi _{\text{m}}&=M\chi _{\rho }={\frac {M}{\rho }}\chi _{\text{v}}.\end{aligned}}

Dalam unit CGS sunting

Takrifan di atas adalah mengikut Sistem Kuantiti Antarabangsa (ISQ) yang menjadi asas SI. Walau bagaimanapun, banyak jadual kerentanan magnet memberikan nilai kuantiti sepadan sistem CGS (lebih khusus CGS-EMU, EMU: electromagnetic units, "unit elektromagnet", atau Gauss-CGS; kedua-duanya adalah sama dalam konteks ini). Kuantiti yang mencirikan kebolehtelapan ruang bebas untuk setiap sistem mempunyai persamaan pentakrifan yang berbeza:^[7]

\mathbf {B} ^{\text{CGS}}=\mathbf {H} ^{\text{CGS}}+4\pi \mathbf {M} ^{\text{CGS}}=\left(1+4\pi \chi _{\text{v}}^{\text{CGS}}\right)\mathbf {H} ^{\text{CGS}}.

Kerentanan CGS masing-masing didarab dengan 4π untuk memberikan kuantiti ISQ yang sepadan (sering dirujuk sebagai kuantiti SI) dengan unit yang sama:^[7]

\chi _{\text{m}}^{\text{SI}}=4\pi \chi _{\text{m}}^{\text{CGS}}

\chi _{\text{ρ}}^{\text{SI}}=4\pi \chi _{\text{ρ}}^{\text{CGS}}

\chi _{\text{v}}^{\text{SI}}=4\pi \chi _{\text{v}}^{\text{CGS}}

Sebagai contoh, kerentanan magnet isi padu CGS air pada 20 °C ialah 7.19×10⁻⁷, iaitu 9.04×10⁻⁶ dengan sistem SI, kedua-dua kuantiti tidak berdimensi. Ketika kebanyakan kuantiti elektromagnet pula, di mana sistem kuantiti mana yang dimilikinya boleh dinyahkekaburan oleh ketidakserasian unitnya, ini tidak benar untuk kuantiti kerentanan.

Dalam fizik adalah perkara biasa untuk melihat kerentanan jisim CGS dengan unit cm³/g atau emu/g⋅Oe⁻¹, dan kerentanan molar CGS dengan unit cm³/mol atau emu/mol⋅Oe⁻¹.

Paramagnetisme dan diamagnetisme sunting

Jika $χ$ positif, bahan boleh menjadi paramagnet . Dalam kes ini, medan magnet dalam bahan diperkuatkan oleh kemagnetan teraruh. Sebaliknya, jika $χ$ adalah negatif, bahan itu adalah diamagnet. Dalam kes ini, medan magnet dalam bahan dilemahkan oleh kemagnetan teraruh. Secara amnya, bahan bukan magnet dikatakan para- atau diamagnet kerana ia tidak mempunyai kemagnetan kekal tanpa medan magnet luar. Bahan feromagnetik, ferimagnetik atau antiferomagnetik mempunyai kemagnetan kekal walaupun tanpa medan magnet luar dan tidak mempunyai kerentanan medan sifar yang jelas.

Pengukuran eksperimen sunting

Kerentanan magnet isi padu diukur dengan perubahan daya yang dirasai pada bahan apabila kecerunan medan magnet digunakan.^[8] Pengukuran awal dibuat menggunakan neraca Gouy, di mana sampel digantung di antara kutub elektromagnet. Perubahan berat apabila elektromagnet dihidupkan adalah berkadar dengan kerentanan. Hari ini, sistem pengukuran mewah menggunakan magnet superkonduktif. Satu alternatif ialah mengukur perubahan daya pada magnet padat yang kuat apabila sampel dimasukkan. Sistem ini, yang digunakan secara meluas hari ini, dipanggil neraca Evans.^[9] Bagi sampel cecair, kerentanan boleh diukur daripada pergantungan frekuensi NMR sampel pada bentuk atau orientasinya.^[10]^[11]^[12]^[13]

Kaedah lain menggunakan teknik NMR melibatkan ukuran herotan medan magnet di sekeliling sampel yang direndam dalam air di dalam pengimbas MR. Kaedah ini sangat tepat bagi bahan diamagnet dengan nilai kerentanan yang serupa dengan air.^[14]

Rujukan sunting

^ Roger Grinter, The Quantum in Chemistry: An Experimentalist's View, John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0470017627 page 364
^ Tauxe, Lisa (2019). Essentials of Paleomagnetism: Fifth Web Edition. UC Press.
^ "magnetizability, $ξ$ ". IUPAC Compendium of Chemical Terminology—The Gold Book (ed. 2nd). International Union of Pure and Applied Chemistry. 1997. Diarkibkan daripada yang asal pada 2016-03-04. Dicapai pada 2011-10-13.
^ O'Handley, Robert C. (2000). Modern Magnetic Materials. Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 9780471155669.
^ Freeman, Richard; King, James; Lafyatis, Gregory (2019). "Essentials of Electricity and Magnetism". Electromagnetic Radiation. Oxford University Press. doi:10.1093/oso/9780198726500.003.0001. ISBN 978-0-19-872650-0. Dicapai pada 2022-02-18.
^ Richard A. Clarke. "Magnetic properties of materials". Info.ee.surrey.ac.uk. Dicapai pada 2011-11-08.
^ ^a ^b Bennett, L. H.; Page, C. H.; Swartzendruber, L. J. (1978). "Comments on units in magnetism". Journal of Research of the National Bureau of Standards. NIST, USA. 83 (1): 9–12. doi:10.6028/jres.083.002. PMC 6752159. PMID 34565970 Check |pmid= value (bantuan).
^ L. N. Mulay (1972). A. Weissberger; B. W. Rossiter (penyunting). Techniques of Chemistry. 4. Wiley-Interscience: New York. m/s. 431.
^ "Magnetic Susceptibility Balances". Sherwood-scientific.com. Dicapai pada 2011-11-08.
^ J. R. Zimmerman, and M. R. Foster (1957). "Standardization of NMR high resolution spectra". J. Phys. Chem. 61 (3): 282–289. doi:10.1021/j150549a006.
^ Robert Engel; Donald Halpern; Susan Bienenfeld (1973). "Determination of magnetic moments in solution by nuclear magnetic resonance spectrometry". Anal. Chem. 45 (2): 367–369. doi:10.1021/ac60324a054. PMID 4762356.
^ Kuchel, P.W.; Chapman, B.E.; Bubb, W.A.; Hansen, P.E.; Durrant, C.J.; Hertzberg, M.P. (2003). "Magnetic susceptibility: Solutions, emulsions, and cells". Concepts in Magnetic Resonance. 18A (1): 56–71. arXiv:q-bio/0601030. doi:10.1002/cmr.a.10066.
^ K. Frei; H. J. Bernstein (1962). "Method for determining magnetic susceptibilities by NMR". J. Chem. Phys. 37 (8): 1891–1892. Bibcode:1962JChPh..37.1891F. doi:10.1063/1.1733393.
^ Wapler, M. C.; Leupold, J.; Dragonu, I.; von Elverfeldt, D.; Zaitsev, M.; Wallrabe, U. (2014). "Magnetic properties of materials for MR engineering, micro-MR and beyond". JMR. 242: 233–242. arXiv:1403.4760. Bibcode:2014JMagR.242..233W. doi:10.1016/j.jmr.2014.02.005. PMID 24705364.

Pautan luar sunting

Linear Response Functions in Eva Pavarini, Erik Koch, Dieter Vollhardt, and Alexander Lichtenstein (eds.): DMFT at 25: Infinite Dimensions, Verlag des Forschungszentrum Jülich, 2014 ISBN 978-3-89336-953-9

[1] Roger Grinter, The Quantum in Chemistry: An Experimentalist's View, John Wiley & Sons, 2005, ISBN 0470017627 page 364

[:0-2] Tauxe, Lisa (2019). Essentials of Paleomagnetism: Fifth Web Edition. UC Press.

[3] "magnetizability, $ξ$ ". IUPAC Compendium of Chemical Terminology—The Gold Book (ed. 2nd). International Union of Pure and Applied Chemistry. 1997. Diarkibkan daripada yang asal pada 2016-03-04. Dicapai pada 2011-10-13.

[4] O'Handley, Robert C. (2000). Modern Magnetic Materials. Hoboken, NJ: Wiley. ISBN 9780471155669.

[5] Freeman, Richard; King, James; Lafyatis, Gregory (2019). "Essentials of Electricity and Magnetism". Electromagnetic Radiation. Oxford University Press. doi:10.1093/oso/9780198726500.003.0001. ISBN 978-0-19-872650-0. Dicapai pada 2022-02-18.

[6] Richard A. Clarke. "Magnetic properties of materials". Info.ee.surrey.ac.uk. Dicapai pada 2011-11-08.

[bennett-7] Bennett, L. H.; Page, C. H.; Swartzendruber, L. J. (1978). "Comments on units in magnetism". Journal of Research of the National Bureau of Standards. NIST, USA. 83 (1): 9–12. doi:10.6028/jres.083.002. PMC 6752159. PMID 34565970 Check |pmid= value (bantuan).

[8] L. N. Mulay (1972). A. Weissberger; B. W. Rossiter (penyunting). Techniques of Chemistry. 4. Wiley-Interscience: New York. m/s. 431.

[9] "Magnetic Susceptibility Balances". Sherwood-scientific.com. Dicapai pada 2011-11-08.

[10] J. R. Zimmerman, and M. R. Foster (1957). "Standardization of NMR high resolution spectra". J. Phys. Chem. 61 (3): 282–289. doi:10.1021/j150549a006.

[11] Robert Engel; Donald Halpern; Susan Bienenfeld (1973). "Determination of magnetic moments in solution by nuclear magnetic resonance spectrometry". Anal. Chem. 45 (2): 367–369. doi:10.1021/ac60324a054. PMID 4762356.

[12] Kuchel, P.W.; Chapman, B.E.; Bubb, W.A.; Hansen, P.E.; Durrant, C.J.; Hertzberg, M.P. (2003). "Magnetic susceptibility: Solutions, emulsions, and cells". Concepts in Magnetic Resonance. 18A (1): 56–71. arXiv:q-bio/0601030. doi:10.1002/cmr.a.10066.

[13] K. Frei; H. J. Bernstein (1962). "Method for determining magnetic susceptibilities by NMR". J. Chem. Phys. 37 (8): 1891–1892. Bibcode:1962JChPh..37.1891F. doi:10.1063/1.1733393.

[Wapler_JMR-14] Wapler, M. C.; Leupold, J.; Dragonu, I.; von Elverfeldt, D.; Zaitsev, M.; Wallrabe, U. (2014). "Magnetic properties of materials for MR engineering, micro-MR and beyond". JMR. 242: 233–242. arXiv:1403.4760. Bibcode:2014JMagR.242..233W. doi:10.1016/j.jmr.2014.02.005. PMID 24705364.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]