Magneettiset materiaalit: magnetismin tyypit, sovellukset ja magnetismin alkuperä-Materials Science & Engineering

tuntuu, että aina kun opin jotain magnetismista, tajuan, että aiempi käsitykseni oli jotenkin virheellinen tai liian yksinkertaistettu. Tätä kirjoittaessani olen lopettanut Tohtorintutkintoni, joten toivottavasti olen oppinut magneettisia ominaisuuksia uudelleen.

kaikissa materiaaleissa on jonkinlainen magnetismi. Alkuaineet voivat olla diamagneettisia, paramagneettisia tai ferromagneettisia. Useista alkuaineista valmistetut yhdisteet voivat olla myös ferrimagneettisia tai antiferromagneettisia.

tässä artikkelissa haluan kertoa kaiken, mitä olisin toivonut tietäväni magneettisista materiaaleista, ensimmäisellä kerralla. Teen asiat mahdollisimman yksinkertaisiksi yksinkertaistamatta asioita niin, että joudut unohtamaan jotain. Jos tutkitte tohtorin tutkintoa ja jonain päivänä tietonne magnetismista ylittää omani, toivon, ettei teidän tarvitse unohtaa mitään, mitä olette lukeneet täällä.

olen materiaalitieteilijä, joka on erikoistunut mekaanisiin ominaisuuksiin, En magneettisiin ominaisuuksiin. Esitän lyhyen taustatiedon magneettikentistä ja magnetismin kvanttimekaanisesta perustasta, – mutta jos todella haluat ne yksityiskohdat, sinun on parempi kysyä fyysikolta.

mitä magnetismi on?

“magnetismi” on laaja termi, joka koskee puolta sähkömagneettisesta voimasta. Tiedät intuitiivisesti, mikä magneetti on, joten sinulla on jonkinlainen käsitys vetovoima-ja vastenmielisyysvoimista. Paras tapa kuvata magnetismia on käyttää ” magneettikenttiä.”

magneettikentät ovat aihe, jonka olet ehkä oppinut lukiossa, mutta mahdollisesti unohtanut, joten tässä pikainen kertaus.

klikkaa TÄSTÄ oppiaksesi magneettikentistä.

magneettikentät toimivat aivan kuten sähkökentätkin. On magneettinen lähde ja uppouma–kutsumme näitä magneetin “pohjoisnavaksi” ja “etelänavaksi”.

Magneettikenttäviivat kulkevat pohjoisnavalta etelänavalle (tai etelänavalta pohjoisnavalle, you do you).

jokaisella magneetin Pohjois-ja etelänavalla on oltava myös vastakkainen puolensa, mutta kenttäviivat voivat jopa kulkea magneetista toiseen.

Magneettikenttäviivoja ei “oikeasti” ole olemassa. Ne ovat käsitteellinen työkalu, joka auttaa meitä ymmärtämään magneettista käyttäytymistä. Kenttäviivat seuraavat potentiaalienergiaa.

periaatteessa magneettinen pohjoinen napa vähentäisi potentiaalienergiaansa siirtymällä lähemmäs etelänapaa, jos se liikkuisi kenttäviivojen osoittamaan suuntaan. Tankomagneetti ei voi tuoda Pohjois-ja etelänavaansa lähemmäksi toisiaan, mutta se voi kohdistaa Pohjois-tai etelänavansa eri magneetin etelä-tai pohjoisnapaan.

sen varmasti tiesitkin, mutta kun on useita magneetteja ja pohjois-ja etelänavan monimutkaisia järjestelyjä, on helpompi vain miettiä, miten magneettikentät vuorovaikuttavat. Tämä on erityisen hyödyllistä käsiteltäessä täyttä sähkömagnetismia, koska sähköllä voidaan luoda myös magneettikenttiä.

magneettikenttäviivat eivät ainoastaan osoita magneetin napaisuutta (Pohjois-vs. Etelä), vaan myös magneettikentän voimakkuutta eli vuota. Mitä lähemmäs toisiaan viivat piirretään, sitä voimakkaampi on magneettikenttä.

esimerkiksi näiden atomien välisessä tilassa kenttäviivat ovat suurin piirtein tasavälein, joten magneettivuo on suurin piirtein vakio. Jokaisen yksittäisen tolpan läheltä näkee kuitenkin, että kenttäviivat tulevat hyvin lähelle toisiaan. Tämä osoittaa, että napojen magneettinen voima on voimakkain.

toisin sanoen kappale, joka vetäisi puoleensa etelänapaa, kun se sijoitettaisiin minne tahansa, seuraisi kenttäviivoja, kunnes se saavuttaisi minimipotentiaalienergiansa yhdellä magneetin etelänavasta.

anteeksi, jos se ei ollut paras selitys, on kokonaisia yliopistoluokkia, jotka keskustelevat sähkö-ja magneettikentistä.

joten jos ymmärtää, mikä magneettikenttä on, niin “magneettinen materiaali” olisi materiaali, joka vähentää potentiaalienergiaansa seuraamalla kenttäviivoja. Toisin sanoen sitä houkuteltaisiin Pohjois-tai etelänavalle.

ainakin siten useimmat käyttävät sanaa ” magneettinen.”Todellisuudessa jokainen atomi on magneettinen. Atomimagnetismia on kuitenkin erilaisia–ja nämä magneettiset vaikutukset monimutkaistuvat entisestään, kun atomit ovat järjestäytyneet kiderakenteisiin.

jos olet edistynyt opinnoissasi, saatat tietää, että magnetismiin tarttuvaa magnetismia kutsutaan ferromagnetismiksi.

jos olet todella kehittynyt, saatat tietää, että ferromagnetismi ei ole ainoa magneettisen materiaalin laji. Itse asiassa useimmat jääkaappimagneetit ovat itse asiassa ferrimagneetteja.

riippumatta nykyisestä käsityksestäsi magneettisista ominaisuuksista, tämä viesti alkaa perusteista ja kattaa kaiken!

magnetismin alkuperä

ennen kuin sukellamme magnetismin tyyppeihin, minun on käsiteltävä magnetismin perustavaa alkuperää.

magnetismi on elektronin spiniin liittyvä kvanttimekaaninen ilmiö. Kvanttimekaniikkaa on tunnetusti vaikea selittää intuitiivisesti, mutta teen parhaani yksinkertaistaakseni asioita esittämättä valheita.

Klikkaa tästä selitystä Kvanttiluvuille.

jokaisella atomin elektronilla on tietty kvanttilukujen joukko. Olet ehkä oppinut tämän lukiokemiassa.

periaatteellinen kvanttiluku kuvaa elektronikuorta. on atomia lähinnä oleva kuori. Nykyisin löydetyistä alkuaineista 7 on maksimiarvo . Voit nähdä n: n enimmäisarvon mille tahansa alkuaineelle katsomalla, millä rivillä atomi on jaksollisessa järjestelmässä. Esimerkiksi rauta on rivissä 4, joten voi olla 1, 2, 3 tai 4.

kulmikas (tai atsimutaali) kvanttiluku, , kuvaa elektroniorbitaalia. voi olla välillä 0 ja . on s-orbitaali, on p-orbitaali, on d-orbitaali, on f-orbitaali, on g-orbitaali jne. Esimerkiksi elektronilla 4. kuoressa voi olla 3 orbitaalia: ja .

magneettinen kvanttiluku, , vaihtelee – . Esimerkiksi elektronilla d-orbitaalilla voi olla viisi arvoa ja .

spin-kvanttiluvulla voi olla vain kaksi arvoa: ylös tai alas.

ehkä harhaanjohtavasti spin-kvanttiluku aiheuttaa magnetismin. Hundin säännön mukaan elektronit täyttävät koko orbitaalin samalla spinillä ja täyttävät sitten orbitaalin vastakkaisella spinillä. Esimerkiksi raudalla on 6 (10: stä) elektronia uloimmassa d-suborbitaalissaan. Ensimmäiset 5 elektronia spin ylös, ja 6th on spin alas.

elektronikonfiguraation avulla voi päätellä, mitkä elektronit ovat ulkokuoressa.

elektronikonfiguraatioita voi etsiä, jos on unohtanut, mutta nopeana kertauksena elektronikonfiguraatiot kirjoitetaan merkitsemällä kvanttiluvut jaksollisen järjestelmän mukaisesti.

raudan elektronikonfiguraatio on 1s22s22p63s23p64s23d6. Raudalla on siis 6 elektronia täyttämättömällä d-orbitaalilla. Pikakirjoituksessa voisi varmuuskopioida lähimpään jalokaasuun ja kirjoittaa sen 4s23d6: ksi. Co olisi s23d7 ja Ga olisi 4s23d104p1.

näillä parittomilla elektroneilla jokaisessa rauta-atomissa on netto-spin. Tätä kutsutaan Bohrin Magnetoniksi. Kuten tästä laskutoimituksesta raudalle näkyy, raudan teoreettinen Bohr-magneton on 4. Alkuaineilla, joilla on täydet tai tyhjät orbitaalit, ei ole netto-spiniä, koska jokainen “up spin” – elektroni on paritettu “down spin” – elektronin kanssa, ja näin atomilla on Bohr-magneton nolla.

tämä oli hyvin käsin aaltoileva argumentti; jos haluat tiukempaa matemaattista lähestymistapaa voit tarkistaa tämän erinomaisen luvun alkuperästä magneettisia dipoleja.

kuten seuraavassa jaksossa nähdään, on olemassa käsite “vaihtovirtaus”, joka suhteuttaa Bohr-magnetonin materiaalin magneettisiin ominaisuuksiin. (Spoileri: liimaus ja elektronin jakaminen muuttaa asioita paljon).

mitä ominaisuutta magnetismi mittaa?

kun puhutaan materiaalin magneettisista ominaisuuksista, puhutaan siitä, miten materiaali reagoi ulkoiseen magneettikenttään. Kutsumme tätä ulkoista magneettikenttää H: ksi.

aineiston kaikkien magneettisten momenttien yhteenlaskua kutsutaan M: ksi.voidaan käyttää myös B: tä, joka on samanlainen ja yleisempi, mutta vähemmän intuitiivinen (olen selittänyt B: n ja M: n eron tässä artikkelissa).

eli periaatteessa jotain magneettista tekee se, että B muuttuu H: n muuttuessa.

koska B on funktio h, on olemassa kaltevuus välillä kaksi. Tätä kaltevuutta kutsutaan magneettiseksi permeabiliteetiksi, on vapaan tilan permeabiliteetti. Tämä tarkoittaa, että jos tyhjiössä luodaan magneettikenttä , tyhjiön olisi .

hyvin samankaltainen mitta läpäisevyyden kanssa on herkkyys, jota edustaa . on kaltevuus M-H-käyrällä, samoin μ on kaltevuus B-H-käyrällä. (Jälleen, voit lukea lisää näistä eroista tässä artikkelissa). Tyhjiön herkkyys on 0.

voidaan määritellä myös suhteellinen permeabiliteetti, , joka on vain materiaalin permeabiliteetin suhde vapaan tilan permeabiliteettiin.

magneettisten materiaalien tyypit

Magneettiset aineet määritellään niiden ulkoisen kentän vasteen (toisin sanoen niiden permeabiliteetin) perusteella.

magneettisia materiaaleja on 3 päätyyppiä: ferromagneettinen, paramagneettinen ja diamagneettinen. Käsittelen myös kahta muuta tyyppiä: ferrimagneettista ja antiferromagneettista.

Diamagneettien suhteellinen läpäisevyys on hieman pienempi kuin yksi. Paramagneettien suhteellinen läpäisevyys on hieman suurempi kuin 1. Antiferromagneteilla on suhteellinen läpäisevyys lähes täsmälleen yhtä suuri kuin 1. Ferromagneeteilla ja ferrimagneeteilla on hyvin suuri, epälineaarinen suhteellinen permeabiliteetti.

Diamagnetismi

kaikissa materiaaleissa on diamagnetismi. Diamagnetismi on vastenmielinen ominaisuus, joka syntyy Lenzin laista.

Lenzin lain mukaan magneettikentän luominen liikuttaa elektroneja. Liikkuvat elektronit luovat myös magneettikentän,ja vasta luotu magneettikenttä vastustaa alkuperäistä.

tämä pätee myös atomin elektroneihin. Minkä tahansa aineen altistaminen magneettikentälle saa atomin elektronit liikkumaan siten, että syntyy pieni magneettikenttä vastakkaiseen suuntaan.

tämän logiikan mukaan magneettikentän pitäisi karkottaa kaikki materiaalit magneettikentän suunnasta riippumatta. Tämä hylkimisreaktio on kuitenkin niin pieni, että sen mittaaminen vaatii hyvin erikoistuneita laitteita.

Diamagneettisten materiaalien Bohr-magneton on nolla, joten diamagnetismi on ainoa magneettinen vaikutus, jonka ne kokevat. Kaikilla materiaaleilla on diamagnetismi, mutta muut magnetismin muodot ovat vahvempia, joten materiaalit, joilla on myös toisenlaista magnetismia, luokitellaan niiden vahvimman tyypin mukaan.

esimerkkejä Diamagneettisista metalleista, joilla on (suhteellinen) magneettinen permeabiliteetti:

• kupari (Cu): µr = 0, 99999
• elohopea (Hg): µr = 0, 99997
• vismutti (Bi): µr = 0, 99984-vahvimmat diamagneettiset ominaisuudet

muut Diamagneettiset Metallit:

• Sinkki (Zn)
• Magnesium (Mg)
• kulta (Au)

esimerkkejä Diamagneettisista materiaaleista, jotka eivät ole metalleja:

• pii (Si)
• fosfori (P)
• vesi
• grafiitti
• DNA ja muut proteiinit

B: n (magneettisen tiheysvuon) ja h: n (magneettikentän voimakkuus):

Paramagneettisuus

Diamagnetismi on heikko kohdistus sovellettua magneettikenttää vastaan, joten paramagnetismi on heikko kohdistus sovelletun magneettikentän kanssa. Paramagneettisuutta on muutamia tyyppejä (KS.tästä artikkelista lisää), mutta nettovaikutus on sama: elektronit luovat magneettikentän, joka tasaantuu ulkoisen kentän kanssa.

joillakin metalleilla nämä elektronit saattavat kvanttimekaanisista vaikutuksista riippuen itse asiassa kokea voimakkaamman diamagneettisen vaikutuksen paramagneettisen vaikutuksen lisäksi. Atomit, kuten Cu tai Ag, kokevat pääasiassa 2 erilaista diamagneettisuutta ja 1 erilaista paramagneettisuutta, joten alkuaineet ovat yleisesti diamagneettisia.

lukiossa on saatettu opettaa yksinkertaisesti laskemaan Bohr-magneton ja julistamaan, että alkuaineet, joilla on , olivat diamagneettisia ja kaikki muut paramagneettisia; valitettavasti tosielämän kvanttimekaniikka ei ole niin yksinkertaista ja on parempi etsiä, millaista magnetismia materiaalissa on (älä huoli, minulla on kaavio myöhemmin artikkelissa).

esimerkkejä Paramagneettisista aineista, joilla on (suhteellinen) magneettinen permeabiliteetti:

• Platinium (Pt): µr = 1.00027
• alumiini (Al): µr = 1.0000196
• ilma µr = 1.00000037

muita esimerkkejä Paramagneettisista materiaaleista:

• natrium (Na)
• Tina (Sn)
• happi (O2)
• vety (H2)

B: n (magneettisen tiheysvuon) ja h: n (magneettikentän voimakkuus) välinen suhde):

Ferromagnetismi

Ferromagneettisilla materiaaleilla on myös paramagneettisia ja diamagneettisia vaikutuksia, mutta ferromagneettinen vaikutus on paljon näitä vaikutuksia suurempi.

Ferromagnetismi syntyy vaihtokytkennästä, joka aiheuttaa magneettisten domeenien muodostumisen.

domeenit ovat alueita, joissa kaikki atomit osallistuvat magneettiseen momenttiinsa samaan suuntaan.

kuten useissa selityksissäni, en valitettavasti voi antaa intuitiivisempaa vastausta kuin

on olemassa Beth-Slaterin malli, joka ennustaa ferromagnetismin perustuen atomiväliin ja elektroneihin d-orbitaalilla.

tämän mallin mukaan koboltti on itse asiassa kaikkein ferromagneettisin metalli.

kvanttimekaniikka sikseen, ajatus domeeneista ei itse asiassa ole kovin vaikea ymmärtää, jos on valmis hyväksymään niiden olemassaolon uskon varassa. Domeenit ovat materiaalin alueita, joissa kaikkien atomien momentit ovat samansuuntaisia.

eri verkkotunnukset ovat kuitenkin aluksi satunnaisesti suunnattuja. Mutta kun otetaan käyttöön ulkoinen magneettikenttä, jokainen domeeni on linjassa kyseisen kentän kanssa ja tuottaa oman magneettikenttänsä. Vaikka olet poistanut ulkoisen kentän, kaikki verkkotunnukset vahvistavat toisiaan ja materiaali säilyttää magneettikenttänsä.

tämä luo ominaisuuden nimeltä magneettinen hystereesi, josta voit lukea kaiken täältä.

sisäisesti syntynyt magneettikenttä on mahdollista poistaa nostamalla ferromagneetin lämpötilaa. Lämpötilan noustessa atomit (ja domeenit) värähtelevät enemmän, kunnes vaihtokytkentä lakkaa eivätkä domeenit voi enää säilyttää ei-satunnaista linjaustaan.

tätä lämpötilaa kutsutaan Parannuslämpötilaksi. Curien lämpötilan yläpuolella ferromagneettiset aineet muuttuvat paramagneettisiksi.

Antiferromagneettisilla materiaaleilla

Antiferromagneettisilla materiaaleilla on spin-kohdistus kuten ferromagneettisilla materiaaleilla; kuitenkin siinä missä ferromagneetit kohdistavat atomimagneettiset momentit samaan suuntaan, antiferromagneetit kohdistavat magneettiset momentit vastakkaisiin suuntiin.

toisin sanoen antiferromagnetit momentit pariutuvat täydellisesti toisiaan vastaan, mikä johtaa 0: n kokonaismagnetismiin (teoriassa, mutta käytännössä on kidevirheitä, joten momentit eivät ole täysin vastakkaisia keskenään, joten kokonaismagneettimomentti on suurempi kuin 0).

tätä ilmiötä kutsutaan nimellä ” spin energy superexchange.”(Superexchangea käytetään myös kuvaamaan ferromagneettisten domeenien yhdenmukaisuutta). Tämä on hieman monimutkainen ja perustuu tietoon muutaman perusasiat kvanttikemian, joten sallikaa minun selittää romahdettavissa tekstiä.

klikkaa TÄSTÄ oppiaksesi superexchangesta antiferromagneteissa.

MnO on klassinen esimerkki antiferromagnetista. Ionisessa keramiikassa on Mn2 + – ioneja, jotka haluaisivat varastaa 2 elektronia ja O2-haluaisi luovuttaa 2 elektronia. Paulin poissulkuperiaatteesta johtuen O2 – on oltava 1 elektroni spin ylös ja yksi elektroni spin alas.

Hundin säännön mukaan elektronit täyttävät d-orbitaalin ensin samansuuntaisilla pyörähdyksillä. Koska Mn2+ : lla on 5 paritonta elektronia d–orbitaalilla, Kaikkien 5 elektronin on oltava samat-kuvitellaan, että ne pyörivät ylöspäin. Tämä tarkoittaa, että 6.ja 7. elektronit on spin alas.

joten O2-on luovutettava spin down-elektroninsa vasemmalla olevalle Mn2+: lle. O2-on yksi spin up elektroni jäljellä, joka saa lahjoittaa MN2+ oikealla. Mutta sama päättely käytin juuri, jos spin ylös menee oikealle, muut 5 elektronit on spin alas.

MnO: lla on vuorisuolainen kiderakenne. Jos tarkastellaan yksinkertaista kuutiohilaa, jokaisen Mn-atomin magneettinen momentti on 3, mutta osoittaa vastakkaiseen suuntaan kuin seuraavaksi lähimmän Mn-atomin magneettinen momentti. Näin kaikki hetket kumoavat toisensa.

aivan kuten ferromagneetit muuttuvat paramagneteiksi Curien lämpötilan yläpuolella, antiferromagnetit muuttuvat paramagneteiksi Néelin lämpötilan yläpuolella. Molemmissa tapauksissa lämpöenergia aiheuttaa vaihtelua ja satunnaisuutta, jotka voivat voittaa superekschangen.

jos haluat lukea tarkemman, mutta hyvin matemaattisen kuvauksen superexchangesta, voit tarkistaa tämän Andersonin kirjoittaman paperin.

antiferromagneetteille ei ole monia käytännön magneettisia sovelluksia (koska ne ovat pääosin ei-magneettisia), mutta niitä voidaan käyttää vertailukohtana magneettisissa kokeissa. Niillä on myös suuri teoreettinen arvo, ja ne voivat auttaa tutkijoita ymmärtämään suprajohteita paremmin.

Ferrimagneettiset aineet

jos olet joskus nähnyt keraamista jääkaappimagneettia, se oli todennäköisesti ferrimagneetti. Ferrimagneettiset aineet käyttäytyvät hyvin samalla tavalla kuin ferromagneettiset aineet. Ferrimagnetit toimivat kuitenkin samalla epäsuoralla superexchangella kuin antiferromagnetit.

vaikka antferromagnetit kumoavat toisensa täysin, koska jokainen magneettimomenttipari on yhtä suuri, ferrimagneteilla on vain osittainen peruutus. Eli niissä on osittainen magnetointi.

jokainen magneettinen momentti parittaa heikomman magneettisen momentin vastakkaiseen suuntaan. Koska kaikki vahvat hetket asettuvat samaan suuntaan ja heikot hetket vastakkaiseen suuntaan, vahvat hetket voittavat ja materiaalilla on yleinen magneettinen momentti.

Fe3O4, vanhin tunnettu magneettinen materiaali, on ferrimagnetti. Tämä materiaali on käänteinen Spinelli rakenne Fe3+ on tetraedriset sivustoja, ja Fe2 + ja Fe3 + molemmat miehittävät oktaedriset interstitiaalinen sivustoja. Oktatraedristen ja tetraedristen paikkojen Fe3+ kumoaa toisensa, mutta loput Fe2+ eivät kumoa, mikä johtaa magneettiseen momenttiin.

Ferrimagneetit käyttäytyvät jokseenkin identtisesti ferromagneettien kanssa, mukaan lukien Curien lämpötila.

jos haluat lukea néelin itsensä kirjoittaman tutkielman, voit katsoa tämän.

lopulliset ajatukset

nyt tiedätte kaikki 5 magnetismin tyyppiä, miksi magnetismi on olemassa, ja esimerkkejä jokaisesta magneettisesta aineesta.

ennen kuin menet, vilkaise tätä kätevää kaaviota, joka auttaa sinua muistamaan, miten magneettiset hetket käyttäytyvät kussakin materiaalissa.

referenssejä ja lisätietoja

Klikkaa tästä saadaksesi lisätietoja magneettisesta hystereesistä. Jos haluat tietää eron magneettisen induktion B ja magnetoinnin M välillä, lue tämä artikkeli.

lisää matematiikkaa magneettisten dipolien alkuperän takana suosittelen tätä professori Föllin artikkelia.

lisää magneettiherkkyydestä voit lukea Alan Elsterin artikkelin tai Richard Fitzpatrickin artikkelin.

lisää Spinellin rakenteesta suosittelen tätä Aditya vardhanin artikkelia.

jos haluat lukea tarkemman, mutta hyvin matemaattisen kuvauksen superexchangesta, voit tarkistaa tämän Andersonin kirjoittaman paperin.

Yang ym.’s paperi, joka piirtää rakenteen Fe3O4, löytyy täältä.

tässä on yksi néelin tutkielmista ferromagnetismista ja antiferromagnetismista.

jos haluat oppia lisää antiferromagnetismista, Katherine Wellmon kirjoitti tämän hyödyllisen artikkelin.

Bruce Moscowitzin tällä sivulla on erinomainen magneettityyppien erittely. Hän painotti erityisesti lämpötilariippuvuutta, jota en oikeastaan käsitellyt tässä artikkelissa.

jos haluat oppia lisää magneeteissa käytettävistä materiaaleista, Birminghamin yliopistossa on kaksi erinomaista artikkelia kovista magneeteista ja pehmeistä magneeteista.