Magnetische Materialien: Arten von Magnetismus, Anwendungen und Ursprung des Magnetismus – Materialwissenschaft und -technik

Ich habe das Gefühl, dass ich jedes Mal, wenn ich etwas über Magnetismus lerne, merke, dass mein vorheriges Verständnis irgendwie falsch oder zu stark vereinfacht war. Während ich dies schreibe, habe ich meine Doktorarbeit beendet, also bin ich hoffentlich damit fertig, magnetische Eigenschaften neu zu lernen.

Alle Materialien haben irgendeine Form von Magnetismus. Elemente können diamagnetisch, paramagnetisch oder ferromagnetisch sein. Verbindungen aus mehreren Elementen können auch ferrimagnetisch oder antiferromagnetisch sein.

In diesem Artikel möchte ich Ihnen alles erzählen, was ich gerne zum ersten Mal über magnetische Materialien gelernt hätte. Ich werde die Dinge so einfach wie möglich machen, ohne sie so zu stark zu vereinfachen, dass Sie etwas verlernen müssen. Wenn Sie promovieren und eines Tages Ihr Wissen über Magnetismus meines übersteigt, hoffe ich, dass Sie nichts verlernen müssen, was Sie hier gelesen haben.

Das heißt, ich bin ein Materialwissenschaftler, der sich auf mechanische Eigenschaften spezialisiert hat, nicht auf magnetische Eigenschaften. Ich werde einen kurzen Hintergrund über Magnetfelder und die quantenmechanische Basis für Magnetismus geben, aber wenn Sie diese Details wirklich wollen, sind Sie besser dran, einen Physiker zu fragen.

Was ist Magnetismus?

“Magnetismus” ist ein weit gefasster Begriff, der sich auf die Hälfte der elektromagnetischen Kraft bezieht. Sie wissen intuitiv, was ein Magnet ist, also haben Sie eine Vorstellung von Anziehungs- und Abstoßungskräften. Der beste Weg, den Magnetismus zu beschreiben, ist die Verwendung von “Magnetfeldern”.”

Magnetfelder sind ein Thema, das Sie vielleicht in der High School gelernt, aber möglicherweise vergessen haben, also hier eine kurze Auffrischung.

Klicken Sie hier, um mehr über Magnetfelder zu erfahren.

Magnetfelder funktionieren genauso wie elektrische Felder. Es gibt eine magnetische Quelle und Senke – wir nennen diese den “Nordpol” und “Südpol” eines Magneten.

Magnetische Feldlinien bewegen sich vom Nordpol zum Südpol (oder vom Südpol zum Nordpol, Sie tun Sie).

Jeder Nord- und Südpol eines Magneten muss auch seine gegenüberliegende Seite haben, aber Feldlinien können sogar von einem Magneten zu einem anderen wandern.

Magnetische Feldlinien existieren nicht “wirklich”. Sie sind ein konzeptionelles Werkzeug, um das magnetische Verhalten zu verstehen. Die Feldlinien verfolgen die potentielle Energie.

Grundsätzlich würde der magnetische Nordpol seine potentielle Energie reduzieren, indem er sich dem Südpol nähert, wenn er sich in die durch die Feldlinien angegebene Richtung bewegt. Ein Stabmagnet kann seine Nord- und Südpole nicht näher zusammenbringen, aber er kann seine Nord- oder Südpole an den Süd- oder Nordpolen eines anderen Magneten ausrichten.

Ich bin mir sicher, dass Sie das wussten, aber wenn Sie mehrere Magnete und komplexe Anordnungen von Nord- und Südpolen haben, ist es einfacher zu überlegen, wie Magnetfelder interagieren. Dies ist besonders nützlich, wenn es um den vollen Elektromagnetismus geht, da Elektrizität auch Magnetfelder erzeugen kann.

Magnetische Feldlinien zeigen nicht nur die Polarität (Nord gegen Süd) eines Magneten an, sie zeigen auch die Stärke oder den Fluss eines Magnetfeldes an. Je näher die Linien beieinander liegen, desto stärker ist das Magnetfeld.

Zum Beispiel sind die Feldlinien im Raum zwischen diesen Atomen ungefähr gleich beabstandet, so dass der magnetische Fluss ungefähr konstant ist. In der Nähe eines einzelnen Pols werden Sie jedoch sehen, dass die Feldlinien sehr nahe beieinander liegen. Dies zeigt an, dass die Pole die stärkste Magnetkraft haben.

Mit anderen Worten, ein Objekt, das von einem Südpol angezogen wird, wenn es irgendwo platziert wird, würde den Feldlinien folgen, bis es seine minimale potentielle Energie an einem der Südpole des Magneten erreicht.

Entschuldigung, wenn das nicht die beste Erklärung war, es gibt ganze Universitätsklassen, die elektrische und magnetische Felder diskutieren.

Wenn Sie also verstehen, was ein Magnetfeld ist, dann wäre ein “magnetisches Material” ein Material, das seine potentielle Energie reduziert, indem es den Feldlinien folgt. Mit anderen Worten, es würde von einem Nord- oder Südpol angezogen.

Zumindest verwenden die meisten Menschen das Wort “magnetisch.” In Wirklichkeit ist jedes Atom magnetisch. Es gibt jedoch verschiedene Arten von Atommagnetismus – und diese magnetischen Effekte werden noch komplizierter, wenn Atome in Kristallstrukturen angeordnet sind.

Wenn Sie in Ihrem Studium fortgeschritten sind, wissen Sie vielleicht, dass die Art des Magnetismus, der an Magneten haftet, Ferromagnetismus genannt wird.

Wenn Sie wirklich fortgeschritten sind, wissen Sie vielleicht, dass Ferromagnetismus nicht die einzige Art von magnetischem Material ist. Tatsächlich sind die meisten Kühlschrankmagnete Ferrimagnete.

Was auch immer Ihr aktuelles Verständnis der magnetischen Eigenschaften ist, dieser Beitrag wird mit den Grundlagen beginnen und alles abdecken!

Der Ursprung des Magnetismus

Bevor wir uns mit den Arten des Magnetismus befassen, muss ich mich mit dem grundlegenden Ursprung des Magnetismus befassen.

Magnetismus ist ein quantenmechanischer Effekt, der mit dem Elektronenspin zusammenhängt. Quantenmechanik ist bekanntermaßen schwer intuitiv zu erklären, aber ich werde mein Bestes tun, um die Dinge zu vereinfachen, ohne Unwahrheiten zu präsentieren.

Klicken Sie hier für eine Erklärung der Quantenzahlen.

Jedes Elektron in einem Atom hat eine bestimmte Menge von Quantenzahlen. Vielleicht haben Sie das in der Chemie der High School gelernt.

Die prinzipielle Quantenzahl beschreibt die Elektronenhülle. ist die dem Atom am nächsten gelegene Schale. Unter den derzeit entdeckten Elementen ist 7 der Maximalwert für . Sie können den Maximalwert für n für jedes Element sehen, indem Sie sehen, in welcher Zeile sich das Atom im Periodensystem befindet. Eisen befindet sich beispielsweise in Zeile 4, sodass 1, 2, 3 oder 4 sein kann.

Die Winkel- (oder Azimut-) Quantenzahl beschreibt das Elektronenorbital. kann zwischen 0 und liegen. ist ein s-Orbital, ist ein p-Orbital, ist ein d-Orbital, ist ein f-Orbital, ist ein g-Orbital usw. Zum Beispiel könnte ein Elektron in der 4. Schale 3 Orbitale haben: und .

Die magnetische Quantenzahl reicht von bis . Zum Beispiel könnte ein Elektron im d-Orbital fünf Werte von und .

Die Spinquantenzahl kann nur zwei Werte haben: aufwärts oder abwärts.

Vielleicht irreführend ist die Spin-Quantenzahl, was zu Magnetismus führt. Nach der Hundschen Regel füllen die Elektronen das gesamte Orbital mit demselben Spin und dann das Orbital mit dem entgegengesetzten Spin. Zum Beispiel hat Eisen 6 (von 10) Elektronen in seinem äußeren d-Suborbital. Die ersten 5 Elektronen werden hochgedreht und das 6. wird heruntergedreht.

Sie können die Elektronenkonfiguration verwenden, um festzustellen, welche Elektronen sich in der äußeren Hülle befinden.

Sie können nach Elektronenkonfigurationen suchen, wenn Sie es vergessen haben, aber als schnelle Auffrischung werden Elektronenkonfigurationen geschrieben, indem die Quantenzahlen entsprechend dem Periodensystem beschriftet werden.

Die Elektronenkonfiguration für Eisen ist 1s22s22p63s23p64s23d6. Sie können also sehen, dass Eisen 6 Elektronen im ungefüllten d-Orbital hat. In Kurzform könnten Sie bis zum nächsten Edelgas sichern und es als 4s23d6 schreiben. Co wäre s23d7 und Ga wäre 4s23d104p1.

Diese ungepaarten Elektronen in jedem Eisenatom haben einen Nettospin. Dies wird als Bohr-Magneton bezeichnet. Wie Sie aus dieser Berechnung für Eisen sehen können, hat Eisen ein theoretisches Bohr-Magneton von 4. Elemente mit vollen oder leeren Orbitalen haben keinen Netto-Spin, da jedes “Up-Spin” -Elektron mit einem “Down-Spin” -Elektron gepaart ist und somit das Atom ein Bohr-Magneton von Null hat.

Dies war ein sehr handfestes Argument; wenn Sie einen strengeren mathematischen Ansatz wünschen, können Sie dieses hervorragende Kapitel über den Ursprung magnetischer Dipole lesen.

Wie Sie im nächsten Abschnitt sehen werden, gibt es ein Konzept namens “Austauschinteraktion”, das das Bohr-Magneton mit den magnetischen Eigenschaften des Materials in Beziehung setzt. (Spoiler: Bindung und Elektronenaustausch verändern die Dinge sehr).

Welche Eigenschaft misst Magnetismus?

Wenn Sie über die magnetischen Eigenschaften eines Materials sprechen, sprechen Sie darüber, wie das Material auf ein äußeres Magnetfeld reagiert. Wir nennen dieses externe Magnetfeld H.

Die Addition aller magnetischen Momente in einem Material heißt M. Wir können auch B verwenden, das ähnlich und häufiger, aber weniger intuitiv ist (ich habe den Unterschied zwischen B und M in diesem Artikel erklärt).

Was also etwas magnetisch macht, ist die Tatsache, dass sich B ändert, wenn sich H ändert.

Da B eine Funktion von H ist, gibt es eine Steigung zwischen den beiden. Diese Steigung wird als magnetische Permeabilität bezeichnet, ist die Permeabilität des freien Raums. Das heißt, wenn Sie ein Magnetfeld in einem Vakuum erzeugen, wäre des Vakuums .

Eine der Permeabilität sehr ähnliche Messung ist die Suszeptibilität, dargestellt durch . ist die Steigung auf der MW-Kurve, genauso wie μ die Steigung auf der BH-Kurve ist. (Auch hier können Sie mehr über diese Unterschiede in diesem Artikel lesen). Die Suszeptibilität eines Vakuums ist 0.

Wir können auch die relative Permeabilität definieren, Dies ist nur das Verhältnis der Permeabilität des Materials zur Permeabilität des freien Raums.

Arten von magnetischen Materialien

Magnetische Materialien werden durch ihre Reaktion auf ein äußeres Feld (mit anderen Worten, ihre Permeabilität) definiert.

Es gibt 3 Haupttypen von magnetischen Materialien: ferromagnetisch, paramagnetisch und diamagnetisch. Ich werde auch die beiden anderen Arten behandeln: ferrimagnetisch und antiferromagnetisch.

Diamagnete haben eine relative Permeabilität von etwas weniger als eins. Paramagnete haben eine relative Permeabilität etwas größer als 1. Antiferromagnete haben eine relative Permeabilität fast genau gleich 1. Ferromagnete und Ferrimagnete haben eine sehr große, nichtlineare relative Permeabilität.

Diamagnetismus

Alle Materialien haben diamagnetismus. Diamagnetismus ist eine abstoßende Eigenschaft, die sich aus dem Lenzschen Gesetz ergibt.

Das Lenzsche Gesetz besagt, dass die Erzeugung eines Magnetfeldes Elektronen bewegen wird. Das Bewegen von Elektronen erzeugt auch ein Magnetfeld, und das neu erzeugte Magnetfeld wird dem ursprünglichen entgegengesetzt.

Dies gilt auch für Elektronen an einem Atom. Wenn Sie das Material einem Magnetfeld aussetzen, bewegen sich die Elektronen im Atom so, dass ein winziges Magnetfeld in die entgegengesetzte Richtung entsteht.

Nach dieser Logik sollten alle Materialien unabhängig von der Richtung des Magnetfelds durch ein Magnetfeld abgestoßen werden. Diese Abstoßung ist jedoch so gering, dass für die Messung sehr spezielle Geräte erforderlich sind.

Diamagnetische Materialien haben ein Bohr-Magneton von Null, daher ist Diamagnetismus der einzige magnetische Effekt, den sie erfahren. Alle Materialien haben Diamagnetismus, aber andere Formen des Magnetismus sind stärker, so dass Materialien, die auch eine andere Art von Magnetismus haben, nach ihrem stärksten Typ kategorisiert werden.

Beispiele für diamagnetische Metalle mit (relativen) magnetischen Permeabilitätswerten:

• Kupfer (Cu): µr = 0,99999
• Quecksilber (Hg): µr = 0,99997
• Wismut (Bi): µr = 0,99984 – stärkste diamagnetische Eigenschaften

Andere diamagnetische Metalle:

• Zink (Zn)
• Magnesium (Mg)
• Gold (Au)

Beispiele für diamagnetische Materialien, die keine Metalle sind:

• Silizium (Si)
• Phosphor (P)
• Wasser
• Graphit
• DNA und andere Proteine

Beziehung zwischen B (magnetischer Dichtefluss) und H (magnetische Feldstärke):

Paramagnetismus

Diamagnetismus ist eine schwache Ausrichtung gegen ein angelegtes Magnetfeld, daher ist Paramagnetismus eine schwache Ausrichtung mit einem angelegten Magnetfeld. Es gibt einige Arten von Paramagnetismus (weitere Informationen finden Sie in diesem Artikel), aber der Nettoeffekt ist derselbe: Die Elektronen erzeugen ein Magnetfeld, das sich an das externe Feld anpasst.

In einigen Metallen können diese Elektronen in Abhängigkeit von quantenmechanischen Effekten zusätzlich zum paramagnetischen Effekt tatsächlich einen stärkeren diamagnetischen Effekt erfahren. Atome wie Cu oder Ag erfahren im Wesentlichen 2 Arten von Diamagnetismus und 1 Art von Paramagnetismus, so dass die Elemente insgesamt diamagnetisch sind.

In der High School wurde Ihnen vielleicht beigebracht, einfach das Bohr-Magneton zu berechnen und zu erklären, dass Elemente mit diamagnetisch und alle anderen paramagnetisch waren; Leider ist die reale Quantenmechanik nicht so einfach und Sie sollten besser nachschlagen, welche Art von Magnetismus ein Material hat (keine Sorge, ich habe eine Tabelle später im Artikel).

Beispiele für Paramagnetik mit (relativen) magnetischen Permeabilitätswerten:

• Platinium (Pt): µr = 1,00027
• Aluminium (Al): µr = 1,0000196
• Luft µr = 1.00000037

Andere Beispiele für paramagnetische Materialien:

• Natrium (Na)
• Zinn (Sn)
• Sauerstoff (O2)
• Wasserstoff (H2)

Beziehung zwischen B (magnetischer Dichtefluss) und H (magnetische Feldstärke):

Ferromagnetismus

Ferromagnetische Materialien erfahren auch paramagnetische und diamagnetische Effekte, aber der ferromagnetische Effekt ist viel größer als diese Effekte.

Ferromagnetismus entsteht durch Austauschkopplung, die die Bildung magnetischer Domänen verursacht.

Domänen sind Bereiche, in denen alle Atome ihr magnetisches Moment in die gleiche Richtung beitragen.

Wie bei einigen meiner Erklärungen kann ich leider keine intuitivere Antwort geben als

Es gibt das sogenannte Beth-Slater-Modell, das den Ferromagnetismus basierend auf dem Atomabstand und den Elektronen im d-Orbital vorhersagt.

Nach diesem Modell ist Kobalt tatsächlich das ferromagnetischste Metall.

Abgesehen von der Quantenmechanik ist die Idee der Domänen eigentlich nicht allzu schwer zu verstehen, wenn man bereit ist, ihre Existenz im Glauben zu akzeptieren. Domänen sind Bereiche des Materials, in denen sich die Momente aller Atome in die gleiche Richtung ausrichten.

Verschiedene Domänen sind jedoch zunächst zufällig orientiert. Wenn Sie jedoch ein externes Magnetfeld einführen, richtet sich jede Domäne an diesem Feld aus und erzeugt ihr eigenes Magnetfeld. Selbst nachdem Sie das externe Feld entfernt haben, verstärken sich alle Domänen gegenseitig und das Material behält sein Magnetfeld bei.

Dies erzeugt eine Eigenschaft namens magnetische Hysterese, über die Sie hier alles lesen können.

Es ist möglich, das intern erzeugte Magnetfeld durch Erhöhen der Temperatur des Ferromagneten zu entfernen. Mit zunehmender Temperatur schwingen die Atome (und Domänen) mehr, bis die Austauschkopplung aufhört und die Domänen ihre nicht zufällige Ausrichtung nicht mehr beibehalten können.

Diese Temperatur wird als Härtungstemperatur bezeichnet. Oberhalb der Curie-Temperatur werden ferromagnetische Materialien paramagnetisch.

Antiferromagnetische Materialien

Antiferromagnetische Materialien haben eine Spinausrichtung wie ferromagnetische Materialien; Während Ferromagnete jedoch atomare magnetische Momente in die gleiche Richtung ausrichten, richten Antiferromagnete die magnetischen Momente in entgegengesetzte Richtungen aus.

Mit anderen Worten, Antiferromagnete Momente paaren sich perfekt gegeneinander, was zu 0 Gesamtmagnetismus führt (in der Theorie, aber in der Praxis gibt es Kristalldefekte, so dass sich die Momente nicht perfekt gegenüberstehen, so dass das gesamte magnetische Moment größer ist als 0).

Dieses Phänomen wird als “Spin Energy Superexchange” bezeichnet.” (Superaustausch wird auch verwendet, um zu beschreiben, wie sich ferromagnetische Domänen ausrichten). Dies ist ein bisschen kompliziert und beruht auf der Kenntnis einiger Grundlagen der Quantenchemie.

Klicken Sie hier, um mehr über den Superaustausch in Antiferromagneten zu erfahren.

MnO ist das klassische Beispiel eines Antiferromagneten. Die Ionenkeramik hat Mn2 + -Ionen, die 2 Elektronen stehlen möchten, und O2- möchte 2 Elektronen spenden. Aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips muss O2- 1 Elektron mit Spin up und ein Elektron mit Spin Down haben.

Hunds Regel besagt, dass die Elektronen zuerst das d-Orbital mit Spins in derselben Richtung füllen. Da Mn2 + 5 ungepaarte Elektronen im d-Orbital hat, müssen alle 5 Elektronen gleich sein – stellen wir uns vor, sie drehen sich hoch. Das bedeutet, dass das 6. und 7. Elektron abgeschaltet werden müssen.

Also muss das O2- sein Spin-Down-Elektron an das Mn2 + auf der linken Seite abgeben. O2- hat noch ein Spin-Up-Elektron, das an das Mn2 + auf der rechten Seite gespendet wird. Aber die gleiche Argumentation, die ich gerade verwendet habe, wenn der Spin nach rechts geht, müssen die anderen 5 Elektronen nach unten gedreht werden.

MnO hat eine Steinsalzkristallstruktur. Wenn Sie sich das einfache kubische Gitter ansehen, hat jedes Mn-Atom ein magnetisches Moment von 3, das jedoch in die entgegengesetzte Richtung zeigt wie das magnetische Moment des nächstgelegenen Mn-Atoms. Somit heben sich alle Momente gegenseitig auf.

So wie Ferromagnete zu Paramagneten oberhalb der Curie-Temperatur werden, werden Antiferromagnete zu Paramagneten oberhalb der Néel-Temperatur. In beiden Fällen verursacht die thermische Energie Schwankungen und Zufälligkeiten, die den Superaustausch überwinden können.

Wenn Sie eine genauere, aber sehr mathematische Beschreibung von Superexchange lesen möchten, können Sie dieses Papier von Anderson lesen.

Es gibt nicht viele praktische magnetische Anwendungen für Antiferromagnete (da sie im Wesentlichen nicht magnetisch sind), aber sie können als Referenzpunkt in magnetischen Experimenten verwendet werden. Sie haben auch einen großen theoretischen Wert und können Wissenschaftlern helfen, Supraleiter besser zu verstehen.

Ferrimagnetische Materialien

Wenn Sie jemals einen keramischen Kühlschrankmagneten gesehen haben, war das wahrscheinlich ein Ferrimagnet. Ferrimagnetische Materialien verhalten sich sehr ähnlich wie ferromagnetische Materialien. Ferrimagnete arbeiten jedoch nach dem gleichen indirekten Superaustausch wie Antiferromagnete.

Während Ferromagnete sich gegenseitig vollständig aufheben, weil jedes Paar magnetischer Momente gleich ist, haben Ferrimagnete nur eine teilweise Aufhebung. Was bedeutet, dass sie wirklich partielle Magnetisierung haben.

Jedes magnetische Moment wird mit einem schwächeren magnetischen Moment in der entgegengesetzten Richtung gepaart. Da sich alle starken Momente in die gleiche Richtung und die schwachen Momente in die entgegengesetzte Richtung ausrichten, gewinnen die starken Momente und das Material hat ein magnetisches Gesamtmoment.

Fe3O4, das älteste bekannte magnetische Material, ist ein Ferrimagnet. Dieses Material hat eine inverse Spinellstruktur mit Fe3 + an tetraedrischen Stellen und Fe2 + und Fe3 + besetzen beide oktaedrische interstitielle Stellen. Das Fe3 + in den oktaedrischen und tetraedrischen Stellen hebt sich gegenseitig auf, aber das verbleibende Fe2 + hebt sich nicht auf, was zu einem magnetischen Nettomoment führt.

Ferrimagnete verhalten sich ziemlich identisch mit Ferromagneten, einschließlich einer Curie-Temperatur.

Wenn Sie ein Papier von Néel selbst lesen möchten, können Sie sich dieses ansehen.

Abschließende Gedanken

Jetzt wissen Sie über alle 5 Arten von Magnetismus, warum Magnetismus existiert, und Beispiele für jede Art von magnetischem Material.

Bevor Sie gehen, werfen Sie einen Blick auf diese praktische Tabelle, die Ihnen helfen wird, sich daran zu erinnern, wie sich die magnetischen Momente in jeder Art von Material verhalten.

Referenzen und weiterführende Literatur

Klicken Sie hier, um mehr über die magnetische Hysterese zu erfahren. Wenn Sie den Unterschied zwischen magnetischer Induktion B und Magnetisierung M wissen möchten, lesen Sie diesen Artikel.

Für mehr Mathematik hinter dem Ursprung magnetischer Dipole empfehle ich diesen Artikel von Professor Föll.

Weitere Informationen zur magnetischen Suszeptibilität finden Sie in diesem Artikel von Alan Elster oder in diesem Artikel von Richard Fitzpatrick.

Für mehr über die Spinellstruktur empfehle ich diesen Artikel von Aditya vardhan.

Wenn Sie eine genauere, aber sehr mathematische Beschreibung von Superexchange lesen möchten, können Sie dieses Papier von Anderson lesen.

Yang et al.das Papier, das die Struktur von Fe3O4 zeichnet, kann hier gefunden werden.

Hier ist eine von Néels Arbeiten über Ferromagnetismus und Antiferromagnetismus.

Wenn Sie mehr über Antiferromagnetismus erfahren möchten, hat Katherine Wellmon diesen hilfreichen Artikel geschrieben.

Diese Seite von Bruce Moscowitz hat eine ausgezeichnete Aufschlüsselung der Arten von Magneten. Er legte besonderen Wert auf die Temperaturabhängigkeit, die ich in diesem Artikel nicht wirklich behandelt habe.

Wenn Sie mehr über bestimmte Materialien für Magnete erfahren möchten, bietet die University of Birmingham zwei hervorragende Artikel über Hartmagnete und Weichmagnete.