Magnetiske materialer: typer af magnetisme, applikationer og Oprindelse af magnetisme-Materials Science & Engineering

jeg har lyst til, at hver gang jeg lærer noget om magnetisme, indser jeg, at min tidligere forståelse på en eller anden måde var forkert eller forenklet. Mens jeg skriver dette, er jeg færdig med mine ph.d.-klasser, så forhåbentlig er jeg færdig med at genlære magnetiske egenskaber.

alle materialer har en form for magnetisme. Elementer kan være diamagnetiske, paramagnetiske eller ferromagnetiske. Forbindelser fremstillet af flere elementer kan også være ferrimagnetiske eller antiferromagnetiske.

i denne artikel vil jeg fortælle dig alt, hvad jeg ville ønske, jeg havde lært om magnetiske materialer, første gang. Jeg vil gøre tingene så enkle som muligt uden at forenkle på en sådan måde, at du bliver nødt til at aflære noget. Hvis du forfølger en ph.d. og en dag overstiger din viden om magnetisme min, håber jeg, at du ikke behøver at aflære noget, du har læst her.

når det er sagt, er jeg en materialeforsker, der specialiserer sig i mekaniske egenskaber, ikke magnetiske egenskaber. Jeg giver en kort baggrund om magnetfelter og det kvantemekaniske grundlag for magnetisme, men hvis du virkelig vil have disse detaljer, er det bedre at spørge en fysiker.

Hvad er magnetisme?

“Magnetisme” er et bredt udtryk, der vedrører halvdelen af den elektromagnetiske kraft. Du ved intuitivt, hvad en magnet er, så du har en ide om kræfter af tiltrækning og afstødning. Den bedste måde at beskrive magnetisme på er ved at bruge “magnetfelter.”

magnetfelter er et emne, som du måske har lært i gymnasiet, men muligvis glemt, så her er en hurtig genopfriskning.

Klik her for at lære om magnetfelter.

magnetfelter fungerer ligesom elektriske felter. Der er en magnetisk kilde og vask-vi kalder disse” Nordpolen ” og “Sydpolen” af en magnet.

magnetfeltlinjer rejser fra Nordpolen til Sydpolen (eller fra Sydpolen til Nordpolen, du gør dig).

hver Nord-og sydpol af en magnet skal også have sin modsatte side, men feltlinjer kan endda rejse fra en magnet til en anden.

magnetfeltlinjer findes ikke “virkelig”. De er et konceptuelt værktøj til at hjælpe os med at forstå magnetisk adfærd. Feltlinjerne sporer potentiel energi.

grundlæggende ville den nordlige magnetiske pol reducere sin potentielle energi ved at bevæge sig tættere på Sydpolen, hvis den bevægede sig i den retning, der er angivet af feltlinjerne. En stangmagnet kan ikke bringe sine Nord-og sydpoler tættere sammen, men den kan justere sine nord-eller sydpoler til en anden magnets syd-eller nordpoler.

jeg er sikker på, at du vidste det, men når du har flere magneter og komplekse arrangementer af Nord-og sydpoler, er det lettere at bare overveje, hvordan magnetfelter interagerer. Dette er især nyttigt, når man beskæftiger sig med den fulde elektromagnetisme, fordi elektricitet også kan generere magnetfelter.

ikke kun angiver magnetfeltlinjer polariteten (nord mod syd) af en magnet, de angiver også styrken eller strømmen af et magnetfelt. Jo tættere sammen linjer trækkes, desto stærkere er magnetfeltet.

for eksempel i rummet mellem disse atomer er feltlinjerne omtrent lige store, så den magnetiske strømning er nogenlunde konstant. Tæt på enhver individuel pol vil du dog se, at feltlinjerne kommer meget tæt på hinanden. Dette indikerer, at polerne har den stærkeste magnetiske kraft.

med andre ord ville et objekt, der ville blive tiltrukket af en sydpol, når det placeres hvor som helst, følge feltlinjerne, indtil det nåede sin minimale potentielle energi ved en af magnetens sydpoler.

Undskyld, hvis det ikke var den bedste forklaring, der er hele universitetsklasser, der diskuterer elektriske og magnetiske felter.

så hvis du forstår, hvad et magnetfelt er, ville et “magnetisk materiale” være et materiale, der reducerer dets potentielle energi ved at følge feltlinjerne. Med andre ord ville det blive tiltrukket af en nord-eller sydpol.

i det mindste er det sådan, de fleste mennesker bruger ordet “magnetisk.”I virkeligheden er hvert atom magnetisk. Der er dog forskellige typer atommagnetisme-og disse magnetiske effekter bliver endnu mere komplicerede, når atomer er arrangeret i krystalstrukturer.

hvis du er avanceret i dine studier, kan du vide, at den type magnetisme, der klæber til magneter, kaldes ferromagnetisme.

hvis du virkelig er avanceret, ved du måske, at ferromagnetisme ikke er den eneste slags magnetisk materiale. Faktisk er de fleste køleskabsmagneter faktisk ferrimagneter.

uanset din nuværende forståelse af magnetiske egenskaber, vil dette indlæg starte med det grundlæggende og dække det hele!

magnetismens Oprindelse

før vi dykker ned i typer magnetisme, er jeg nødt til at tage fat på magnetismens grundlæggende Oprindelse.

Magnetisme er en kvantemekanisk effekt, der er relateret til elektronspin. Kvantemekanik er notorisk svært at forklare på en intuitiv måde, men jeg vil gøre mit bedste for at forenkle tingene uden at præsentere løgn.

Klik her for en forklaring af kvantetal.

hver elektron i et atom har et specifikt sæt kvantetal. Du har måske lært dette i gymnasiet kemi.

princippet kvantetal, , beskriver elektronskallen. er den nærmeste skal til atomet. Blandt de aktuelt opdagede elementer 7 er den maksimale værdi for . Du kan se den maksimale værdi for n for ethvert element ved at se, hvilken række atomet er i det periodiske system. For eksempel er jern i række 4, så kan være 1, 2, 3 eller 4.

det vinklede (eller asimutale) kvantetal, , beskriver elektronbanen. kan være mellem 0 og . er en s orbital, er en p orbital, er en d orbital, er en f orbital, er en g orbital osv. For eksempel kan en elektron i den 4.skal have 3 orbitaler: og .

det magnetiske kvantetal, , spænder fra til . For eksempel kan en elektron i d-orbitalen have fem værdier på og .

spin-kvantetallet, , kan kun have to værdier: op eller ned.

måske vildledende er spin-kvantetallet det, der giver anledning til magnetisme. Ifølge Hund ‘ s regel fylder elektronerne hele orbitalen med det samme spin og fylder derefter orbitalen med det modsatte spin. For eksempel har jern 6 (ud af 10) elektroner i dets ydre d-suborbital. De første 5 elektroner vil være spin op, og den 6.vil være spin ned.

du kan bruge elektronkonfigurationen til at fortælle, hvilke elektroner der er i den ydre skal.

du kan søge om elektronkonfigurationer, hvis du har glemt det, men som en hurtig genopfriskning skrives elektronkonfigurationer ved at mærke kvantetallene og gå i linje med det periodiske system.

elektronkonfigurationen for jern er 1s22s22p63s23p64s23d6. Så du kan se, at jern har 6 elektroner i den ufyldte d orbital. I stenografi kan du sikkerhedskopiere til nærmeste ædelgas og skrive den som 4s23d6. Co ville være s23d7, og Ga ville være 4s23d104p1.

disse uparrede elektroner i hvert atom af jern har et netspin. Dette kaldes Bohr magneton. Som du kan se fra denne beregning for jern, jern har en teoretisk bohr magneton på 4. Elementer med fulde eller tomme orbitaler har ingen netto spin, fordi hver “up spin” elektron er parret med en “ned spin” elektron, og dermed atomet har en Bohr magneton på nul.

dette var et meget håndbølget argument; hvis du ønsker en mere stringent matematisk tilgang, kan du tjekke dette fremragende kapitel om oprindelsen af magnetiske dipoler.

som du vil se i næste afsnit, er der et koncept kaldet “udvekslingsinteraktion”, der relaterer Bohr magnetonen til materialets magnetiske egenskaber. (Spoiler: binding og elektrondeling ændrer tingene meget).

hvilken egenskab måler magnetisme?

når du taler om et materiales magnetiske egenskaber, taler du om, hvordan materialet reagerer på et eksternt magnetfelt. Vi kalder dette eksterne magnetfelt H.

tilføjelsen af alle magnetiske øjeblikke i et materiale kaldes M. Vi kan også bruge B, som er ens og mere almindelig, men mindre intuitiv (jeg har forklaret forskellen mellem B og M i denne artikel).

så dybest set, hvad der gør noget magnetisk er det faktum, at B ændres, når H ændres.

da B er en funktion af H, er der en hældning mellem de to. Denne hældning kaldes magnetisk permeabilitet, er permeabiliteten af ledig plads. Det betyder, at hvis du oprettede et magnetfelt i et vakuum, ville af vakuumet være .

en meget lignende måling til permeabilitet er modtagelighed, repræsenteret af . er hældningen på M-H-kurven, på samme måde som pri er hældningen på B-H-kurven. (Igen kan du læse mere om disse forskelle i denne artikel). Følsomheden af et vakuum er 0.

vi kan også definere relativ permeabilitet, hvilket kun er forholdet mellem materialets permeabilitet og permeabiliteten af frit rum.

typer af magnetiske materialer

magnetiske materialer defineres af deres respons på et eksternt felt (med andre ord deres permeabilitet).

der er 3 hovedtyper af magnetiske materialer: ferromagnetisk, paramagnetisk og diamagnetisk. Jeg vil også dække de to andre typer: ferrimagnetisk og antiferromagnetisk.

Diamagneter har en relativ permeabilitet lidt mindre end en. Paramagneter har en relativ permeabilitet lidt større end 1. Antiferromagneter har en relativ permeabilitet næsten nøjagtigt lig med 1. Ferromagneter og ferrimagneter har en meget stor, ikke-lineær relativ permeabilitet.

diamagnetisme

alle materialer har diamagnetisme. Diamagnetisme er en frastødende ejendom, der stammer fra Lens lov.

Lens lov siger, at oprettelse af et magnetfelt vil flytte elektroner. Bevægelige elektroner skaber også et magnetfelt, og det nyoprettede magnetfelt vil modsætte sig det oprindelige.

dette gælder selv for elektroner på et atom. For ethvert materiale vil udsættelse af materialet for et magnetfelt få elektronerne i atomet til at bevæge sig på en måde, der skaber et lille magnetfelt i den modsatte retning.

ved denne logik skal alle materialer afvises af et magnetfelt, uanset magnetfeltets retning. Denne frastødning er imidlertid så lille, at den kræver meget specialiseret udstyr til måling.

diamagnetiske materialer har en Bohr magneton på nul, så diamagnetisme er den eneste magnetiske effekt, de oplever. Alle materialer har diamagnetisme, men andre former for magnetisme er stærkere, så materialer, der også har en anden form for magnetisme, kategoriseres efter deres stærkeste type.

eksempler på diamagnetiske metaller med (Relative) magnetiske Permeabilitetsværdier:

• kobber (Cu): liter = 0,99999
• kviksølv (Hg): liter = 0,99997
• Bismuth (Bi): liter = 0,99984-stærkeste diamagnetiske egenskaber

andre diamagnetiske metaller:

• Sinc (NN)
• Magnesium (Mg)
• Guld (Au)

eksempler på diamagnetiske materialer, der ikke er metaller:

• silicium (Si)
• fosfor (P)
• vand
• grafit
• DNA og andre proteiner

forholdet mellem B (magnetisk tæthedsstrøm) og H (magnetfeltstyrke):

paramagnetisme

diamagnetisme er en svag tilpasning mod et anvendt magnetfelt, så paramagnetisme er en svag tilpasning til et anvendt magnetfelt. Der er et par typer paramagnetisme (se denne artikel for mere), Men nettoeffekten er den samme: elektronerne skaber et magnetfelt, der stemmer overens med det eksterne felt.

i nogle metaller, afhængigt af kvantemekaniske effekter, kan disse elektroner faktisk opleve en stærkere diamagnetisk effekt ud over den paramagnetiske effekt. Atomer som Cu eller Ag oplever i det væsentlige 2 slags diamagnetisme og 1 slags paramagnetisme, så elementerne er overordnede diamagnetiske.

i gymnasiet er du måske blevet lært at blot beregne Bohr magnetonen og erklære, at elementer med var diamagnetiske og alle andre var paramagnetiske; desværre er virkelige kvantemekanik ikke så enkle, og det er bedre at se op, hvilken slags magnetisme et materiale har (bare rolig, jeg har et diagram senere i artiklen).

eksempler på Paramagnetik med (Relative) magnetiske Permeabilitetsværdier:

• Platinium (Pt): lartr = 1.00027
• aluminium (Al): lartr = 1.0000196
• Luftlarr = 1.00000037

andre eksempler på paramagnetiske materialer:

• natrium (Na)
• Tin (SN)
• ilt (O2)
• Hydrogen (H2)

forholdet mellem B (magnetisk tæthedsstrøm) og H (magnetfeltstyrke):

ferromagnetisme

ferromagnetiske materialer vil også opleve paramagnetiske og diamagnetiske effekter, men den ferromagnetiske virkning er meget større end disse effekter.

ferromagnetisme stammer fra udvekslingskobling, der forårsager dannelsen af magnetiske domæner.

domæner er regioner, hvor alle atomer bidrager med deres magnetiske øjeblik i samme retning.

som med flere af mine forklaringer kan jeg desværre ikke give et mere intuitivt svar end

der er noget, der hedder Beth-Slater-modellen, som forudsiger ferromagnetisme baseret på atomafstand og elektroner i d-orbitalen.

ifølge denne model er kobolt faktisk det mest ferromagnetiske metal.

kvantemekanik til side er ideen om domæner faktisk ikke for svært at forstå, hvis du er villig til at acceptere deres eksistens på tro. Domæner er områder af materialet, hvor alle atomernes øjeblikke justeres i samme retning.

forskellige domæner er imidlertid tilfældigt orienteret i starten. Men når du introducerer et eksternt magnetfelt, justeres hvert domæne med dette felt og producerer deres eget magnetfelt. Selv efter at du har fjernet det eksterne felt, forstærker alle domæner hinanden, og materialet opretholder sit magnetfelt.

dette skaber en egenskab kaldet magnetisk hysterese, som du kan læse alt om her.

det er muligt at fjerne det internt oprettede magnetfelt ved at hæve temperaturen på ferromagnet. Når temperaturen stiger, vibrerer atomerne (og domænerne) mere, indtil udvekslingskobling ophører, og domænerne kan ikke længere opretholde deres ikke-tilfældige justering.

denne temperatur kaldes Hærdningstemperaturen. Over Curie-temperaturen bliver ferromagnetiske materialer paramagnetiske.

Antiferromagnetiske materialer

Antiferromagnetiske materialer har spinjustering som ferromagnetiske materialer; mens ferromagneter imidlertid justerer atommagnetiske øjeblikke i samme retning, justerer antiferromagneter de magnetiske øjeblikke i modsatte retninger.

med andre ord parrer antiferromagnets øjeblikke perfekt mod hinanden, hvilket fører til 0 total magnetisme (i teorien, men i praksis er der krystalfejl, så øjeblikke er ikke perfekt imod hinanden, så det samlede magnetiske øjeblik er større end 0).

dette fænomen kaldes ” spin energi superudveksling.”(Superudveksling bruges også til at beskrive, hvordan ferromagnetiske domæner justeres). Dette er lidt kompliceret og er afhængig af viden om et par grundlæggende kvantekemi, så lad mig forklare i sammenklappelig tekst.

Klik her for at lære om superudveksling i antiferromagneter.

MnO er det klassiske eksempel på en antiferromagnet. Den ioniske keramik har MN2 + ioner, der gerne vil stjæle 2 elektroner, og O2 – vil gerne donere 2 elektroner. På grund af Pauli – udelukkelsesprincippet skal O2-have 1 Elektron med spin op og en elektron med spin ned.

hundens regel siger, at elektronerne først vil fylde d-orbitalen med spins i samme retning. Da Mn2 + har 5 uparrede elektroner i d–orbitalen, skal alle 5 elektroner være de samme-lad os forestille os, at de er spin up. Det betyder, at den 6.og 7. elektroner skal være spin ned.

så O2 – skal donere sin spin ned elektron til Mn2+ til venstre. O2 – har en spin up electron tilbage, som bliver doneret til Mn2+ til højre. Men det samme ræsonnement jeg lige brugt, hvis spin op går til højre, de andre 5 elektroner skal spin ned.

MnO har en sten salt krystalstruktur. Hvis man ser på det enkle kubiske gitter, har hvert mn-atom et magnetisk øjeblik på 3, men peger i den modsatte retning som det magnetiske øjeblik for det næste nærmeste mn-atom. Således annullerer alle øjeblikke hinanden.

ligesom ferromagneter bliver paramagneter over Curie-temperaturen, bliver antiferromagneter paramagneter over n-Larsel-temperaturen. I begge tilfælde forårsager den termiske energi udsving og tilfældighed, der kan overvinde superudvekslingen.

hvis du vil læse en mere præcis, men meget matematisk beskrivelse af superudveksling, kan du tjekke dette papir af Anderson.

der er ikke mange praktiske magnetiske anvendelser til antiferromagneter (da de i det væsentlige ikke er magnetiske), men de kan bruges som referencepunkt i magnetiske eksperimenter. De har også stor teoretisk værdi og kan hjælpe forskere med at forstå superledere bedre.

ferrimagnetiske materialer

hvis du nogensinde har set en keramisk Køleskabsmagnet, var det sandsynligvis en ferrimagnet. Ferrimagnetiske materialer opfører sig meget på samme måde som ferromagnetiske materialer. Ferrimagneter fungerer imidlertid ved den samme indirekte superudveksling som antiferromagnetts.

mens antferromagneter fuldstændigt annullerer hinanden, fordi hvert par magnetiske øjeblikke er ens, har ferrimagneter kun delvis annullering. Hvilket betyder, at de virkelig har delvis magnetisering.

hvert magnetisk øjeblik er parret med et svagere magnetisk øjeblik i modsat retning. Da alle de stærke øjeblikke stemmer overens i samme retning, og de svage øjeblikke stemmer overens i den modsatte retning, vinder de stærke øjeblikke, og materialet har et samlet magnetisk øjeblik.

Fe3O4, det ældste kendte magnetiske materiale, er en ferrimagnet. Dette materiale har en invers spinelstruktur med Fe3 + på tetraedriske steder, og Fe2+ og Fe3+ begge besætter oktaedriske interstitielle steder. Fe3 + i de oktraedriske og tetraedriske steder annullerer hinanden, men de resterende Fe2+ annullerer ikke, hvilket fører til et magnetisk netmoment.

Ferrimagneter opfører sig stort set identisk med ferromagneter, herunder at have en Curie-temperatur.

hvis du ønsker at læse et papir af N Kurtel selv, du kan tjekke denne ene.

Endelige tanker

nu ved du om alle 5 typer magnetisme, hvorfor magnetisme eksisterer og eksempler på hver slags magnetisk materiale.

før du går, skal du kigge på dette praktiske diagram, som hjælper dig med at huske, hvordan de magnetiske øjeblikke opfører sig i hver slags materiale.

referencer og yderligere læsning

Klik her for at lære mere om magnetisk hysterese. Hvis du vil vide forskellen mellem magnetisk induktion B og magnetisering M, skal du læse denne artikel.

For mere matematik bag oprindelsen af magnetiske dipoler, anbefaler jeg denne artikel af Professor f Larstll.

for mere om magnetisk modtagelighed kan du læse denne artikel af Alan Elster eller denne artikel af Richard Fitpatrick.

for mere om spinell-strukturen anbefaler jeg denne artikel af Aditya Vardhan.

hvis du vil læse en mere præcis, men meget matematisk beskrivelse af superudveksling, kan du tjekke dette papir af Anderson.

Yang et al.’s papir, der trækker strukturen af Fe3O4, kan findes her.

her er et af N. L. ‘ S artikler om ferromagnetisme og antiferromagnetisme.

hvis du vil lære mere om antiferromagnetisme, skrev Katherine Godtmon denne nyttige artikel.

denne side af Bruce Moskva har en fremragende opdeling af typer af magneter. Han lagde særlig vægt på temperaturafhængighed, som jeg ikke rigtig dækkede i denne artikel.

hvis du vil lære mere om specifikke materialer, der bruges til magneter, er University of Birmingham vært for to fremragende artikler om hårde magneter og bløde magneter.