Kerentanan 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. 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.

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.

Kerentanan isi padu

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. 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:

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

 

• 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

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

 

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

 

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

 

Kerentanan molar dan jisim

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:

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

 

Dalam unit CGS

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:

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

 

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

 

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

 

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

 

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.

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.

Kerentanan magnet isi padu diukur dengan perubahan daya yang dirasai pada bahan apabila kecerunan medan magnet digunakan. 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. Bagi sampel cecair, kerentanan boleh diukur daripada pergantungan frekuensi NMR sampel pada bentuk atau orientasinya.

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.