Magnetické materiály: typy magnetismu, aplikace a původ magnetismu-Materials Science & Engineering

mám pocit, že pokaždé, když se dozvím něco o magnetismu, uvědomuji si, že moje předchozí porozumění bylo nějak nesprávné nebo příliš zjednodušené. Když to píšu, dokončil jsem své doktorské kurzy, takže doufám, že jsem udělal re-learning magnetických vlastností.

všechny materiály mají nějakou formu magnetismu. Prvky mohou být diamagnetické, paramagnetické nebo feromagnetické. Sloučeniny vyrobené z více prvků mohou být také ferrimagnetické nebo antiferomagnetické.

v tomto článku vám chci říci vše, co bych si přál, abych se poprvé dozvěděl o magnetických materiálech. Udělám věci co nejjednodušší, aniž bych to zjednodušil tak, že se budete muset něco odnaučit. Pokud se věnujete doktorátu a jednoho dne vaše znalosti magnetismu překročí Moje, doufám, že se nebudete muset odnaučit nic, co jste zde četli.

to znamená, že jsem materiálový vědec, který se specializuje na mechanické vlastnosti, nikoli na magnetické vlastnosti. Poskytnu krátké pozadí magnetických polí a kvantově mechanického základu magnetismu, ale pokud opravdu chcete tyto podrobnosti, je lepší se zeptat fyzika.

co je magnetismus?

“magnetismus” je široký pojem, který se vztahuje k polovině elektromagnetické síly. Intuitivně víte, co je magnet, takže máte nějakou představu o silách přitažlivosti a odpuzování. Nejlepší způsob, jak popsat magnetismus, je použití ” magnetických polí.”

magnetická pole jsou téma, které jste se možná naučili na střední škole, ale možná jste na to zapomněli, takže zde je rychlé osvěžení.

kliknutím sem se dozvíte o magnetických polích.

magnetická pole fungují stejně jako elektrická pole. K dispozici je magnetický zdroj a dřez – nazýváme je “severní pól” a “jižní pól” magnetu.

magnetické pole se pohybuje od severního pólu k jižnímu pólu (nebo od jižního pólu k severnímu pólu, děláte vy).

každý Severní a jižní pól magnetu musí mít také svou opačnou stranu,ale polní čáry mohou dokonce cestovat z jednoho magnetu na jiný.

čáry magnetického pole “opravdu” neexistují. Jsou koncepčním nástrojem, který nám pomáhá porozumět magnetickému chování. Polní čáry sledují potenciální energii.

severní magnetický pól by v zásadě snížil svou potenciální energii pohybem blíže k jižnímu pólu, pokud by se pohyboval ve směru označeném polními čarami. Tyčový magnet nemůže přiblížit své severní a jižní póly, ale může sladit své severní nebo jižní póly s jižním nebo severním pólem jiného magnetu.

jsem si jistý, že jste to věděli, ale když máte více magnetů a složité uspořádání severního a jižního pólu, je snazší zvážit, jak magnetická pole interagují. To je zvláště užitečné při řešení plného elektromagnetismu, protože elektřina může také generovat magnetická pole.

nejen, že čáry magnetického pole označují polaritu (sever proti Jihu) magnetu, ale také označují sílu nebo tok magnetického pole. Čím blíže jsou čáry nakresleny, tím silnější je magnetické pole.

například v prostoru mezi těmito atomy jsou linie pole zhruba stejně rozmístěny, takže magnetický tok je zhruba konstantní. V blízkosti každého jednotlivého pólu však uvidíte, že polní linie jsou velmi blízko u sebe. To znamená, že póly mají nejsilnější magnetickou sílu.

jinými slovy, objekt, který by byl přitahován k jižnímu pólu, pokud by byl umístěn kdekoli, by sledoval polní čáry, dokud nedosáhne své minimální potenciální energie na jednom z jižních pólů magnetu.

Omlouvám se, jestli to nebylo nejlepší vysvětlení, existují celé univerzitní třídy, které diskutují o elektrických a magnetických polích.

takže pokud chápete, co je magnetické pole, pak “magnetický materiál” by byl materiál, který snižuje svou potenciální energii sledováním polních čar. Jinými slovy, přitahovalo by to severní nebo jižní pól.

alespoň tak většina lidí používá slovo ” magnetický.”Ve skutečnosti je každý atom magnetický. Existují však různé typy atomového magnetismu–a tyto magnetické efekty se ještě komplikují, když jsou atomy uspořádány v krystalových strukturách.

pokud jste pokročilí ve studiu, možná víte, že typ magnetismu, který se drží magnetů, se nazývá feromagnetismus.

pokud jste opravdu pokročilí, možná víte, že feromagnetismus není jediný druh magnetického materiálu. Ve skutečnosti je většina magnetů chladničky ve skutečnosti ferrimagnety.

ať už je vaše současné chápání magnetických vlastností jakékoli, tento příspěvek začne od základů a pokryje to všechno!

původ magnetismu

než se ponoříme do typů magnetismu, musím se zabývat základním původem magnetismu.

magnetismus je kvantově-mechanický jev, který souvisí se spinem elektronů. Kvantová mechanika je notoricky obtížně vysvětlitelná intuitivním způsobem, ale udělám vše pro to, abych věci zjednodušil, aniž bych prezentoval lži.

Klikněte zde pro vysvětlení kvantových čísel.

každý elektron v atomu má specifickou sadu kvantových čísel. Možná jste se to naučili na střední škole chemie.

princip kvantové číslo, , popisuje elektronový obal. je nejbližší skořápka atomu. Mezi aktuálně objevenými prvky 7 je maximální hodnota pro . Maximální hodnotu n pro jakýkoli prvek můžete vidět tak, že uvidíte, který řádek je atom v periodické tabulce. Například železo je v řádku 4, takže může být 1, 2, 3 nebo 4.

úhlové (nebo azimutální) kvantové číslo, , popisuje elektronový orbital. může být mezi 0 a . je orbital s, je orbital p, je orbital d, je orbital f, je Orbital g atd. Například elektron ve 4. skořápce by mohl mít 3 orbitaly: a .

magnetické kvantové číslo, , se pohybuje od do . Například elektron v D orbitalu by mohl mít pět hodnot a .

spinové kvantové číslo, , může mít pouze dvě hodnoty: nahoru nebo dolů.

možná zavádějící, spin kvantové číslo je to, co vede k magnetismu. Podle Hundova pravidla vyplní elektrony celý orbitál stejným spinem a potom vyplní orbitál opačným spinem. Například železo má ve svém vnějším d suborbitalu 6 (z 10) elektronů. Prvních 5 elektronů se roztočí nahoru a 6. se roztočí dolů.

pomocí konfigurace elektronů můžete zjistit, které elektrony jsou ve vnějším plášti.

pokud jste zapomněli, můžete hledat elektronové konfigurace, ale jako rychlý opakovač se elektronové konfigurace zapisují označením kvantových čísel v souladu s periodickou tabulkou.

elektronová konfigurace pro železo je 1s22s22p63s23p64s23d6. Takže vidíte, že železo má 6 elektronů v nevyplněném d orbitalu. Ve zkratce byste mohli zálohovat nejbližší vzácný plyn a napsat jej jako 4s23d6. Co by bylo s23d7 a Ga by bylo 4s23d104p1.

tyto nepárové elektrony v každém atomu železa mají čistou rotaci. Tomu se říká Bohr magneton. Jak můžete vidět z tohoto výpočtu pro železo, železo má teoretický Bohr magneton 4. Prvky s plnými nebo prázdnými orbitaly nemají žádné čisté spiny, protože každý elektron “up spin” je spárován s elektronem” down spin”, a atom má tedy Bohrův magneton nula.

to byl velmi ručně zvlněný argument; pokud chcete přísnější matematický přístup, můžete se podívat na tuto vynikající kapitolu o původu magnetických dipólů.

jak uvidíte v další části, existuje koncept nazvaný “výměnná interakce”, který spojuje Bohrův magneton s magnetickými vlastnostmi materiálu. (Spoiler: lepení a sdílení elektronů hodně mění věci).

jaká vlastnost měří magnetismus?

když mluvíte o magnetických vlastnostech materiálu, mluvíte o tom, jak materiál reaguje na vnější magnetické pole. Tomuto vnějšímu magnetickému poli říkáme h.

přidání všech magnetických momentů v materiálu se nazývá M. můžeme také použít B, což je podobné a běžnější,ale méně intuitivní (v tomto článku jsem vysvětlil rozdíl mezi B A M).

takže v podstatě to, co dělá něco magnetického, je skutečnost, že B se mění, když se mění H.

protože B je funkce H, je mezi nimi sklon. Tento sklon se nazývá magnetická permeabilita, je propustnost volného prostoru. To znamená, že pokud jste vytvořili magnetické pole ve vakuu, vakua by bylo .

velmi podobným měřením permeability je susceptibilita, reprezentovaná . je sklon na křivce M-H, stejným způsobem μ je sklon na křivce B-H. (Opět si můžete přečíst více o těchto rozdílech v tomto článku). Citlivost vakua je 0.

můžeme také definovat relativní propustnost, což je právě poměr propustnosti materiálu k propustnosti volného prostoru.

typy magnetických materiálů

magnetické materiály jsou definovány jejich reakcí na vnější pole(jinými slovy jejich propustnost).

existují 3 hlavní typy magnetických materiálů: feromagnetické, paramagnetické a diamagnetické. Budu také pokrývat další dva typy: ferimagnetické a antiferomagnetické.

Diamagnety mají relativní propustnost o něco menší než jedna. Paramagnety mají relativní propustnost mírně větší než 1. Antiferomagnety mají relativní propustnost téměř přesně rovnající se 1. Feromagnety a ferrimagnety mají velmi velkou nelineární relativní propustnost.

Diamagnetismus

všechny materiály mají diamagnetismus. Diamagnetismus je odpudivá vlastnost, která vyplývá z Lenzova zákona.

Lenzův zákon říká, že vytvoření magnetického pole bude pohybovat elektrony. Pohybující se elektrony také vytvářejí magnetické pole a nově vytvořené magnetické pole bude proti původnímu.

to platí i pro elektrony na atomu. U jakéhokoli materiálu vystavení materiálu magnetickému poli způsobí, že se elektrony v atomu budou pohybovat způsobem, který vytvoří malé magnetické pole v opačném směru.

podle této logiky by všechny materiály měly být odpuzovány magnetickým polem, bez ohledu na směr magnetického pole. Tento odpor je však tak malý, že k měření vyžaduje velmi specializované vybavení.

diamagnetické materiály mají Bohr magneton nula, takže diamagnetismus je jediný magnetický efekt, který zažívají. Všechny materiály mají diamagnetismus, ale jiné formy magnetismu jsou silnější, takže materiály, které mají také jiný druh magnetismu, jsou kategorizovány podle jejich nejsilnějšího typu.

příklady Diamagnetických kovů s (relativními) hodnotami magnetické Permeability:

• měď (Cu): µr = 0,99999
• rtuť (Hg): µr = 0,99997
• vizmut (Bi): µr = 0,99984-nejsilnější diamagnetické vlastnosti

Ostatní diamagnetické kovy:

• zinek (Zn)
• hořčík (Mg)
• zlato (Au)

příklady Diamagnetických materiálů, které nejsou kovy:

• křemík (Si)
• fosfor (P)
• voda
• grafit
• DNA a další proteiny

vztah mezi B (tok magnetické hustoty) a H (síla magnetického pole):

paramagnetismus

Diamagnetismus je slabé zarovnání proti aplikovanému magnetickému poli, takže paramagnetismus je slabé zarovnání s aplikovaným magnetickým polem. Existuje několik typů paramagnetismu (více viz tento článek), ale čistý efekt je stejný: elektrony vytvářejí magnetické pole, které se vyrovnává s vnějším polem.

u některých kovů, v závislosti na kvantových mechanických účincích, mohou tyto elektrony skutečně zažít silnější diamagnetický účinek kromě paramagnetického účinku. Atomy jako Cu nebo Ag v podstatě zažívají 2 druhy diamagnetismu a 1 Druh paramagnetismu, takže prvky jsou celkově diamagnetické.

na střední škole jste se možná naučili jednoduše vypočítat Bohr magneton a prohlásit, že prvky s byly diamagnetické a všechny ostatní byly paramagnetické; bohužel skutečná kvantová mechanika není tak jednoduchá a je lepší se podívat, jaký druh magnetismu má materiál (nebojte se, mám graf později v článku).

příklady Paramagnetik s (relativními) hodnotami magnetické Permeability:

• Platinium (Pt): µr = 1.00027
• hliník (Al): µr = 1.0000196
• vzduch µr = 1.00000037

další příklady paramagnetických materiálů:

• sodík (Na)
• cín (Sn)
• kyslík (O2)
• vodík (H2)

vztah mezi B (tok magnetické hustoty) a H (síla magnetického pole):

Feromagnetismus

feromagnetické materiály také zažijí paramagnetické a diamagnetické účinky, ale feromagnetický účinek je mnohem větší než tyto účinky.

Feromagnetismus vzniká výměnnou vazbou, která způsobuje tvorbu magnetických domén.

domény jsou oblasti, kde všechny atomy přispívají svým magnetickým momentem stejným směrem.

stejně jako u několika mých vysvětlení bohužel nemohu poskytnout intuitivnější odpověď než

existuje něco, čemu se říká Beth-Slaterův model, který předpovídá feromagnetismus založený na atomových rozestupech a elektronech v D-orbitalu.

podle tohoto modelu je kobalt ve skutečnosti nejvíce feromagnetickým kovem.

kvantová mechanika stranou, myšlenka domén není ve skutečnosti příliš obtížná, pokud jste ochotni přijmout jejich existenci na víře. Domény jsou oblasti materiálu, kde jsou všechny momenty atomů zarovnány ve stejném směru.

různé domény jsou však zpočátku náhodně orientovány. Ale když zavedete vnější magnetické pole, každá doména se s tímto polem zarovná a vytvoří své vlastní magnetické pole. I po odstranění vnějšího pole se všechny domény navzájem posilují a materiál udržuje své magnetické pole.

tím se vytvoří vlastnost zvaná magnetická hystereze, o které si můžete přečíst vše zde.

je možné odstranit vnitřně vytvořené magnetické pole zvýšením teploty feromagnetu. Jak se teplota zvyšuje, atomy (a domény) vibrují více, dokud nepřestane výměnná vazba a domény již nemohou udržovat své náhodné zarovnání.

tato teplota se nazývá vytvrzovací teplota. Nad Curieovou teplotou se feromagnetické materiály stávají paramagnetickými.

Antiferomagnetické materiály

Antiferomagnetické materiály mají spinové zarovnání jako feromagnetické materiály; zatímco feromagnety vyrovnávají atomové magnetické momenty stejným směrem, antiferomagnety vyrovnávají magnetické momenty v opačných směrech.

jinými slovy, antiferomagnetické momenty se dokonale spárují proti sobě, což vede k 0 celkovému magnetismu (teoreticky, ale v praxi existují krystalové vady, takže momenty nejsou dokonale proti sobě, takže celkový magnetický moment je větší než 0).

tento jev se nazývá ” spin energy superexchange.”(Superexchange se také používá k popisu zarovnání feromagnetických domén). To je trochu komplikované a spoléhá se na znalosti několika základů kvantové chemie, tak mi dovolte vysvětlit v sbalitelném textu.

kliknutím sem se dozvíte o superexchange v antiferromagnetech.

MnO je klasickým příkladem antiferromagnetu. Iontová keramika má ionty Mn2+ , které by chtěly ukrást 2 elektrony, a O2-by chtěly darovat 2 elektrony. Vzhledem k Pauliho vylučovacímu principu musí mít O2-1 elektron se spinem nahoru a jeden elektron se spinem dolů.

Hundovo pravidlo říká, že elektrony vyplní d orbital se spiny ve stejném směru jako první. Protože Mn2 + má 5 nepárových elektronů v D orbitalu, všech 5 elektronů musí být stejné-představme si, že se točí nahoru. To znamená, že 6. a 7. elektrony se musí točit dolů.

takže O2-musí darovat svůj spin down elektron Mn2 + vlevo. O2-má jeden spin up elektron zbývající, který dostane daroval Mn2+ na pravé straně. Ale stejná úvaha, kterou jsem použil, pokud spin up jde doprava, ostatní 5 elektrony musí být spin dolů.

MnO má krystalovou strukturu kamenné soli. Pokud se podíváte na jednoduchou kubickou mřížku, každý atom Mn má magnetický moment 3, ale ukazuje v opačném směru jako magnetický moment dalšího nejbližšího atomu Mn. Všechny momenty se tedy navzájem ruší.

stejně jako se feromagnety stávají paramagnety nad Curieovou teplotou, antiferomagnety se stávají paramagnety nad néelovou teplotou. V obou případech tepelná energie způsobuje kolísání a náhodnost, která může překonat superexchange.

pokud si chcete přečíst přesnější, ale velmi matematický popis superexchange, můžete se podívat na tento dokument Andersona.

není mnoho praktických magnetických aplikací pro antiferomagnety (protože jsou v podstatě nemagnetické), ale mohou být použity jako referenční bod v magnetických experimentech. Mají také velkou teoretickou hodnotu a mohou vědcům pomoci lépe porozumět supravodičům.

Ferrimagnetické materiály

pokud jste někdy viděli keramický magnet na ledničku, byl to pravděpodobně ferrimagnet. Ferimagnetické materiály se chovají velmi podobně jako feromagnetické materiály. Ferrimagnety však pracují stejnou nepřímou superexchange jako antiferromagnetty.

zatímco antferromagnety se navzájem úplně vyruší, protože každá dvojice magnetických momentů je stejná, ferrimagnety mají pouze částečné zrušení. Což znamená, že mají opravdu částečnou magnetizaci.

každý magnetický moment je spárován se slabším magnetickým momentem v opačném směru. Protože všechny silné momenty se seřadí ve stejném směru a slabé momenty se seřadí v opačném směru, silné momenty vyhrají a materiál má celkový magnetický moment.

Fe3O4, nejstarší známý magnetický materiál, je ferrimagnet. Tento materiál má inverzní spinelovou strukturu s Fe3 + na tetrahedrálních místech a Fe2+ a Fe3+ zabírají oktaedrální intersticiální místa. Fe3+ v oktrahedrálních a čtyřstěnných lokalitách se navzájem ruší, ale zbývající Fe2+ se nezruší, což vede k čistému magnetickému momentu.

Ferrimagnety se chovají téměř identicky s feromagnety, včetně Curieovy teploty.

pokud si chcete přečíst článek samotného Néela, můžete se podívat na tento.

Závěrečné myšlenky

nyní víte o všech 5 typech magnetismu, proč existuje magnetismus a příklady každého druhu magnetického materiálu.

než půjdete, podívejte se na tento praktický graf, který vám pomůže zapamatovat si, jak se magnetické momenty chovají v každém druhu materiálu.

odkazy a další čtení

kliknutím sem se dozvíte více o magnetické hysterezi. Pokud chcete znát rozdíl mezi magnetickou indukcí B a magnetizací M, přečtěte si tento článek.

pro více matematiky za původem magnetických dipólů doporučuji tento článek profesora Fölla.

více o magnetické susceptibilitě si můžete přečíst tento článek Alana Elstera nebo tento článek Richarda Fitzpatricka.

pro více informací o struktuře spinell doporučuji tento článek Aditya vardhan.

pokud si chcete přečíst přesnější, ale velmi matematický popis superexchange, můžete se podívat na tento dokument Andersona.

Yang et al.papír, který kreslí strukturu Fe3O4, najdete zde.

zde je jeden z néelových článků o feromagnetismu a antiferomagnetismu.

pokud se chcete dozvědět více o antiferromagnetismu, Katherine Wellmon napsala tento užitečný článek.

Tato stránka Bruce Moscowitze má vynikající rozpis typů magnetů. Zvláštní důraz kladl na teplotní závislost, kterou jsem v tomto článku opravdu nepokryl.

pokud se chcete dozvědět více o konkrétních materiálech používaných pro magnety, University of Birmingham hostí dva vynikající články o tvrdých magnetech a měkkých magnetech.