Mágneses anyagok: a mágnesesség típusai, alkalmazások és a mágnesesség eredete-Materials Science & Engineering

úgy érzem, hogy minden alkalommal, amikor megtudok valamit a mágnesességről, rájövök, hogy korábbi megértésem valahogy helytelen vagy túlságosan leegyszerűsített volt. Ahogy ezt írom, befejeztem a PhD óráimat, így remélhetőleg befejeztem a mágneses tulajdonságok újbóli megtanulását.

minden anyagnak van valamilyen mágnesessége. Az elemek lehetnek diamágneses, paramágneses vagy ferromágneses. A több elemből készült vegyületek ferrimágneses vagy antiferromágneses is lehetnek.

ebben a cikkben mindent el akarok mondani neked, bárcsak először tanultam volna a mágneses anyagokról. A lehető legegyszerűbbé fogom tenni a dolgokat anélkül, hogy túlságosan leegyszerűsíteném oly módon, hogy valamit el kell felejtenie. Ha PhD-t folytat, és egy nap a mágnesesség ismerete meghaladja az enyémet, remélem, hogy nem kell elfelejtenie semmit, amit itt olvasott.

ennek ellenére anyagtudós vagyok, aki a mechanikai tulajdonságokra szakosodott, nem pedig a mágneses tulajdonságokra. Adok egy rövid hátteret a mágneses mezőkről és a mágnesesség kvantummechanikai alapjairól, de ha igazán kíváncsi ezekre a részletekre, jobb, ha egy fizikust kérdez.

mi a mágnesesség?

a”mágnesesség” egy tág kifejezés, amely az elektromágneses erő felére vonatkozik. Ösztönösen tudjátok, mi a mágnes, tehát van némi fogalmatok a vonzás és taszítás erőiről. A mágnesesség leírásának legjobb módja a “mágneses mezők” használata.”

a mágneses mezők olyan téma, amelyet a középiskolában tanulhattál, de valószínűleg elfelejtettél, ezért itt egy gyors frissítés.

kattintson ide a mágneses mezők megismeréséhez.

a mágneses mezők ugyanúgy működnek, mint az elektromos mezők. Van egy mágneses forrás és mosogató–ezeket hívjuk a mágnes” északi pólusának” és “Déli pólusának”.

mágneses mező vonalak utazik az Északi-sark a Déli-sark (vagy a Déli-sark az Északi-sark, te).

a mágnes minden északi és Déli pólusának rendelkeznie kell az ellenkező oldalával is, de a mezővonalak akár az egyik mágnesről a másikra is eljuthatnak.

mágneses mező vonalak nem “igazán” léteznek. Ezek egy fogalmi eszköz, amely segít megérteni a mágneses viselkedést. A mezővonalak nyomon követik a potenciális energiát.

alapvetően az északi mágneses pólus csökkentené potenciális energiáját, ha közelebb kerülne a déli pólushoz, ha a mezővonalak által jelzett irányba mozogna. A rúdmágnes nem tudja közelebb hozni északi és Déli pólusait, de északi vagy déli pólusait egy másik mágnes déli vagy északi pólusához igazíthatja.

biztos vagyok benne, hogy ezt tudtad, de ha több mágnesed van, és összetett elrendezésed van az északi és a déli póluson, könnyebb csak arra gondolni, hogy a mágneses mezők hogyan hatnak egymásra. Ez különösen akkor hasznos, ha a teljes elektromágnesességgel foglalkozunk, mert az elektromosság mágneses mezőket is generálhat.

a mágneses mező vonalai nemcsak a mágnes polaritását (Észak vs Dél) jelzik, hanem a mágneses mező erősségét vagy fluxusát is. Minél közelebb vannak a vonalak, annál erősebb a mágneses mező.

például az atomok közötti térben a térvonalak nagyjából egyenlő távolságra vannak egymástól, tehát a mágneses fluxus nagyjából állandó. Bármely pólus közelében azonban látni fogja, hogy a mezővonalak nagyon közel vannak egymáshoz. Ez azt jelzi, hogy a pólusok a legerősebb mágneses erővel rendelkeznek.

más szavakkal, egy olyan tárgy, amelyet egy déli pólushoz vonzanak, ha bárhol elhelyezik, követi a mezővonalakat, amíg el nem éri a minimális potenciális energiát a mágnes egyik déli pólusán.

Sajnálom, ha nem ez volt a legjobb magyarázat, vannak egész egyetemi osztályok, amelyek megvitatják az elektromos és mágneses mezőket.

tehát, ha megérti, mi a mágneses mező, akkor a “mágneses anyag” olyan anyag lenne, amely csökkenti potenciális energiáját a mezővonalak követésével. Más szavakkal, vonzódna egy északi vagy déli pólushoz.

legalábbis a legtöbb ember így használja a “mágneses” szót.”A valóságban minden atom mágneses. Az atommágnesességnek azonban különböző típusai vannak–és ezek a mágneses hatások még bonyolultabbá válnak, ha az atomok kristályszerkezetekben vannak elrendezve.

ha előrehaladott a tanulmányaiban, akkor tudhatja, hogy a mágnesekhez tapadó mágnesesség típusát ferromágnesességnek nevezik.

ha igazán fejlett vagy, akkor tudhatod, hogy a ferromágnesesség nem az egyetlen mágneses anyag. Valójában a legtöbb Hűtőmágnes valójában ferrimágnes.

bármi legyen is a mágneses tulajdonságok jelenlegi megértése, ez a bejegyzés az alapoknál kezdődik, és mindent lefed!

a mágnesesség eredete

mielőtt belemerülnénk a mágnesesség típusaiba, foglalkoznom kell a mágnesesség alapvető eredetével.

a mágnesesség egy kvantummechanikai hatás, amely az elektron spinhez kapcsolódik. A kvantummechanikát köztudottan nehéz intuitív módon megmagyarázni, de mindent megteszek, hogy egyszerűsítsem a dolgokat anélkül, hogy hamisságokat mutatnék be.

kattintson ide a kvantumszámok magyarázatához.

egy atom minden elektronjának van egy meghatározott kvantumszáma. Lehet, hogy ezt a középiskolai kémiában tanulta.

az elv kvantumszám, , leírja az elektronhéjat. az atomhoz legközelebbi héj. A jelenleg felfedezett elemek közül a 7 a maximális értéke. Láthatja a maximális értéket n bármely elemhez, ha megnézi, hogy az atom melyik sorban van a periódusos rendszerben. Például a vas a 4. sorban van, így lehet 1, 2, 3 vagy 4.

a szögletes (vagy azimutális) kvantumszám, , leírja az elektronpályát. A lehet 0 és között. egy s pálya, egy p pálya, egy d pálya, egy f pálya, egy g pálya stb. Például a 4.héj elektronjának 3 pályája lehet: és .

a mágneses kvantumszám, , és között mozog. Például egy elektron a D pályán öt értéke lehet és .

a spin kvantumszámnak, , csak két értéke lehet: felfelé vagy lefelé.

talán félrevezető módon a spin kvantumszám okozza a mágnesességet. Hund szabálya szerint az elektronok ugyanazzal a spinnel töltik meg az egész pályát, majd az ellenkező spinnel töltik meg a pályát. Például a vasnak 6 (10-ből) elektronja van a külső d szuborbitáljában. Az első 5 elektron felfelé, a 6. pedig lefelé forog.

az elektronkonfiguráció segítségével megmondhatja, hogy mely elektronok vannak a külső héjban.

kereshet az elektronkonfigurációkról, ha elfelejtette, de gyors frissítésként az elektronkonfigurációkat a kvantumszámok címkézésével írják, a periódusos rendszer sorába lépve.

a vas elektronkonfigurációja 1s22s22p63s23p64s23d6. Tehát láthatja, hogy a vasnak 6 elektronja van a kitöltetlen d pályán. Gyorsírással a legközelebbi nemesgázig vissza lehet állítani, és 4s23d6-ként írni. A Co s23d7, a Ga pedig 4s23d104p1 lenne.

ezeknek a párosítatlan elektronoknak a vas minden atomjában nettó spinjük van. Ezt nevezik Bohr magnetonnak. Amint a vasra vonatkozó számításból látható, a vas elméleti bohr magnetonja 4. A teljes vagy üres pályájú elemeknek nincs nettó spinjük, mert minden “felfelé spin” elektron párosul egy “lefelé spin” elektronnal, így az atom Bohr magnetonja nulla.

ez egy nagyon kézzel hullámos érv volt; ha szigorúbb matematikai megközelítést szeretne, nézze meg ezt a kiváló fejezetet a mágneses dipólusok eredetéről.

mint látni fogod a következő részben, van egy fogalom az úgynevezett “csere kölcsönhatás”, amely kapcsolódik a Bohr magneton az anyag mágneses tulajdonságait. (Spoiler: a kötés és az elektron megosztása sokat változtat a dolgokon).

milyen tulajdonságot mér a mágnesesség?

amikor egy anyag mágneses tulajdonságairól beszélünk, akkor arról beszélünk, hogy az anyag hogyan reagál egy külső mágneses mezőre. Ezt a külső mágneses mezőt H-nak nevezzük.

az anyag összes mágneses momentumának hozzáadását M-nek nevezzük.használhatjuk a B-t is, amely hasonló és gyakoribb, de kevésbé intuitív (ebben a cikkben elmagyaráztam a B és M közötti különbséget).

tehát alapvetően az tesz valamit mágnesessé, hogy B megváltozik, amikor H megváltozik.

mivel B függvénye H, van egy lejtő a kettő között. Ezt a meredekséget mágneses permeabilitásnak nevezzük, a szabad tér permeabilitása. Ez azt jelenti, hogy ha létrehozott egy mágneses mező vákuumban, a vákuum lenne .

a permeabilitáshoz nagyon hasonló mérés az érzékenység, amelyet képvisel. az M-H görbe meredeksége, ugyanúgy, mint a b-h görbe lejtése. (Ismét többet olvashat ezekről a különbségekről ebben a cikkben). A vákuum érzékenysége 0.

meghatározhatjuk a relatív permeabilitást is, ami csak az anyag permeabilitásának a szabad tér permeabilitásához viszonyított aránya.

a mágneses anyagok típusai

a mágneses anyagokat a külső mezőre adott válaszuk (más szóval permeabilitásuk) határozza meg.

a mágneses anyagoknak 3 fő típusa van: ferromágneses, paramágneses és diamágneses. Kitérek a másik két típusra is: ferrimágneses és antiferromágneses.

a Diamágnesek relatív permeabilitása valamivel kevesebb, mint egy. A paramágnesek relatív permeabilitása valamivel nagyobb, mint 1. Az antiferromágnesek relatív permeabilitása szinte pontosan megegyezik 1-gyel. A ferromágnesek és ferrimágnesek nagyon nagy, nemlineáris relatív permeabilitással rendelkeznek.

Diamágnesesség

minden anyag diamágnesességgel rendelkezik. A diamagnetizmus visszataszító tulajdonság, amely Lenz törvényéből fakad.

Lenz törvénye szerint a mágneses mező létrehozása az elektronokat mozgatja. A mozgó elektronok mágneses mezőt is létrehoznak, és az újonnan létrehozott mágneses mező ellenzi az eredetit.

ez még az atomon lévő elektronokra is igaz. Bármely anyag esetében, ha az anyagot mágneses mezőnek tesszük ki, az atomban lévő elektronok olyan módon mozognak, hogy apró mágneses mezőt hoznak létre az ellenkező irányba.

ezzel a logikával minden anyagot mágneses mezővel kell visszaszorítani, függetlenül a mágneses mező irányától. Ez a taszítás azonban olyan apró, hogy nagyon speciális felszerelést igényel a méréshez.

a diamágneses anyagok Bohr magnetonja nulla, tehát a diamágnesesség az egyetlen mágneses hatás, amelyet tapasztalnak. Minden anyag diamágnesességgel rendelkezik, de a mágnesesség más formái erősebbek, ezért azokat az anyagokat, amelyeknek másfajta mágnesességük is van, a legerősebb típusuk szerint kategorizálják.

példák diamágneses fémekre (relatív) mágneses permeabilitási értékekkel:

• réz (Cu): CA = 0,99999
• higany (Hg): CA = 0,99997
• bizmut (Bi): CA = 0,99984 – legerősebb diamágneses tulajdonságok

Egyéb diamágneses Fémek:

• cink (Zn)
• magnézium (Mg)
• arany (Au)

példák diamágneses anyagokra, amelyek nem fémek:

• Szilícium (Si)
• foszfor (P)
• víz
• grafit
• DNS és más fehérjék

kapcsolat a B (mágneses sűrűség fluxus) és a H (mágneses térerősség):

Paramágnesesség

a Diamágnesesség gyenge igazítás az alkalmazott mágneses mezővel szemben, tehát a paramágnesesség gyenge igazítás az alkalmazott mágneses mezővel. A paramágnesességnek néhány típusa létezik (további információkért lásd ezt a cikket), de a nettó hatás ugyanaz: az elektronok mágneses mezőt hoznak létre, amely igazodik a külső mezőhöz.

egyes fémekben a kvantummechanikai hatásoktól függően ezek az elektronok a paramágneses hatás mellett erősebb diamágneses hatást is tapasztalhatnak. Az olyan atomok, mint a Cu vagy az Ag, lényegében 2 féle diamágnesességet és 1 féle paramágnesességet tapasztalnak, tehát az elemek összességében diamágnesesek.

a középiskolában azt tanították, hogy egyszerűen számítsa ki a Bohr magnetont, és állapítsa meg, hogy a elemek diamágnesesek, és az összes többi paramágneses; sajnos a valós kvantummechanika nem olyan egyszerű, és jobb, ha megkeresi, hogy egy anyag milyen mágnesességgel rendelkezik (ne aggódj, van egy diagramom a cikk későbbi részében).

példák Paramágnesességre (relatív) mágneses permeabilitási értékekkel:

• Platinium (Pt): CA = 1,00027
• Alumínium (Al): CA = 1,0000196
• levegő ca = 1.00000037

Egyéb példák a paramágneses anyagokra:

• nátrium (Na)
• ón (Sn)
• oxigén (O2)
• hidrogén (H2)

kapcsolat B (mágneses sűrűség fluxus) és H (mágneses térerősség):

Ferromágnesesség

a ferromágneses anyagok paramágneses és diamágneses hatásokat is tapasztalnak, de a ferromágneses hatás sokkal nagyobb, mint ezek a hatások.

a Ferromágnesesség a cserekapcsolásból származik, amely mágneses domének képződését okozza.

a domének olyan régiók, ahol az összes atom ugyanabba az irányba járul hozzá mágneses momentumához.

mint több magyarázatomnál, sajnos nem tudok intuitívabb választ adni, mint

van valami, amit Beth-Slater modellnek hívnak, ami megjósolja a ferromágnesességet az atomi távolság és az elektronok alapján a D-pályán.

e modell szerint a kobalt valójában a leginkább ferromágneses fém.

a Kvantummechanikától eltekintve a tartományok gondolatát valójában nem túl nehéz megérteni, ha hajlandó elfogadni létezésüket hittel. A domének az anyag olyan régiói, ahol az összes atom pillanata ugyanabba az irányba igazodik.

a különböző tartományok azonban először véletlenszerűen orientálódnak. De amikor bevezetünk egy külső mágneses mezőt, minden tartomány igazodik ahhoz a mezőhöz, és létrehozza a saját mágneses mezőjét. Még a külső mező eltávolítása után is, az összes tartomány megerősíti egymást, és az anyag megtartja mágneses mezőjét.

ez létrehoz egy mágneses hiszterézis nevű tulajdonságot, amelyről itt olvashat.

lehetőség van a belső mágneses mező eltávolítására a ferromágnes hőmérsékletének emelésével. A hőmérséklet növekedésével az atomok (és domének) tovább rezegnek, amíg a cserekapcsolás megszűnik, és a domének már nem tudják fenntartani nem véletlenszerű összehangolásukat.

ezt a hőmérsékletet gyógyítási hőmérsékletnek nevezzük. A Curie-hőmérséklet felett a ferromágneses anyagok paramágnesessé válnak.

antiferromágneses anyagok

az antiferromágneses anyagok spin-igazítással rendelkeznek, mint a ferromágneses anyagok; míg azonban a ferromágnesek ugyanabba az irányba igazítják az atomi mágneses momentumokat, az antiferromágnesek ellentétes irányba igazítják a mágneses momentumokat.

más szavakkal, az antiferromágnesek pillanatai tökéletesen párosulnak egymással, ami 0 teljes mágnesességhez vezet (elméletileg, de a gyakorlatban vannak kristályhibák, így a pillanatok nem tökéletesen ellentétesek egymással, így a teljes mágneses pillanat nagyobb, mint 0).

ezt a jelenséget “spin energy superexchange” – nek nevezik.”(A Superexchange-t arra is használják, hogy leírják, hogyan igazodnak a ferromágneses domének). Ez egy kicsit bonyolult, és a kvantumkémia néhány alapjának ismeretére támaszkodik, ezért hadd magyarázzam el összecsukható szövegben.

kattintson ide, hogy megismerje az antiferromágnesek szupercseréjét.

MnO az antiferromágnes klasszikus példája. Az ionos kerámia Mn2 + ionokkal rendelkezik, amelyek 2 elektront szeretnének ellopni, az O2 pedig 2 elektront szeretne adományozni. A Pauli kizárási elv miatt az O2-nek 1 elektronnak kell lennie spin fel, egy elektronnak pedig spin le.

Hund szabálya kimondja, hogy az elektronok először ugyanabba az irányba pörgetéssel töltik meg a d pályát. Mivel az Mn2+ 5 párosítatlan elektronja van a D pályán, mind az 5 elektronnak azonosnak kell lennie–képzeljük el, hogy felpörögnek. Ez azt jelenti, hogy a 6.és 7. elektronnak le kell forognia.

tehát az O2 – adományoznia kell a spin le elektron az Mn2+ a bal oldalon. O2-van még egy spin up elektron, amelyet az Mn2+ – nak adományoznak a jobb oldalon. De ugyanazt az érvelést használtam, ha a felfordulás jobbra megy, a másik 5 elektronnak le kell forognia.

MnO kősó kristályszerkezettel rendelkezik. Ha megnézzük az egyszerű köbös rácsot, minden Mn atom mágneses momentuma 3, de ellentétes irányba mutat, mint a következő legközelebbi mn atom mágneses momentuma. Így minden pillanat megszünteti egymást.

csakúgy, mint a ferromágnesek paramágnesekké válnak a Curie-hőmérséklet felett, az antiferromágnesek paramágnesekké válnak az N-nél. Mindkét esetben a hőenergia ingadozásokat és véletlenszerűséget okoz, amelyek leküzdhetik a szupercserét.

ha azt szeretnénk, hogy olvassa el a pontosabb, de nagyon matematikai leírása superexchange, akkor nézd meg ezt a papírt Anderson.

nincs sok gyakorlati mágneses alkalmazás az antiferromágnesek számára (mivel lényegében nem mágnesesek), de referenciapontként használhatók mágneses kísérletekben. Nagy elméleti értékük is van, és segíthetnek a tudósoknak jobban megérteni a szupravezetőket.

Ferrimágneses anyagok

ha valaha is láttál kerámia hűtőmágnest, az valószínűleg ferrimágnes volt. A ferrimágneses anyagok nagyon hasonlóan viselkednek, mint a ferromágneses anyagok. A ferrimágnesek azonban ugyanolyan közvetett szupercserével működnek, mint az antiferromagnettek.

míg az antferromágnesek teljesen kioltják egymást, mert minden mágneses momentum pár egyenlő, a ferrimágnesek csak részleges törléssel rendelkeznek. Ami azt jelenti, hogy valóban részleges mágnesezésük van.

minden mágneses momentum párosul egy gyengébb mágneses momentummal az ellenkező irányban. Mivel az összes erős pillanat ugyanabba az irányba, a gyenge pillanatok pedig az ellenkező irányba sorakoznak, az erős pillanatok nyernek, és az anyagnak általános mágneses momentuma van.

Fe3O4, a legrégebbi ismert mágneses anyag, egy ferrimágnes. Ennek az anyagnak fordított SPINELL szerkezete van Fe3 + tetraéderes helyeken, és Fe2 + és Fe3 + mindkettő oktaéderes intersticiális helyeket foglal el. A Fe3+ az oktahedrális és tetraéderes helyeken kioltják egymást, de a fennmaradó Fe2+ nem szűnik meg, ami nettó mágneses momentumhoz vezet.

a Ferrimágnesek nagyjából ugyanúgy viselkednek, mint a ferromágnesek, beleértve a Curie hőmérsékletet is.

ha ön akar-hoz olvas egy újságot N. D.-től, akkor nézd meg ezt.

záró gondolatok

most már tudod, hogy mind az 5 típusú mágnesesség, miért mágnesesség létezik, és példákat minden fajta mágneses anyag.

mielőtt elmész, nézd meg ezt a praktikus táblázatot, amely segít emlékezni arra, hogy a mágneses pillanatok hogyan viselkednek az egyes anyagokban.

referenciák és további olvasmányok

kattintson ide, ha többet szeretne megtudni a mágneses hiszterézisről. Ha szeretné tudni, hogy mi a különbség a mágneses indukció B és az M mágnesezés között, olvassa el ezt a cikket.

további matematikai mögött eredete mágneses dipólusok, ajánlom ezt a cikket professzor F.

ha többet szeretne megtudni a mágneses érzékenységről, olvassa el ezt a cikket Alan Elster vagy ezt a cikket Richard Fitzpatrick.

ha többet szeretne megtudni a spinell szerkezetről, ajánlom Aditya vardhan ezt a cikket.

ha azt szeretnénk, hogy olvassa el a pontosabb, de nagyon matematikai leírása superexchange, akkor nézd meg ezt a papírt Anderson.

Yang et al.a Fe3O4 szerkezetét rajzoló papír itt található.

itt van az egyik N Ons a ferromágnesesség és antiferromágnesesség.

Ha többet szeretne megtudni az antiferromagnetizmusról, Katherine Wellmon írta ezt a hasznos cikket.

ez az oldal Bruce Moscowitz kiváló bontása típusú mágnesek. Különös hangsúlyt fektetett a hőmérséklet-függőségre, amelyet ebben a cikkben nem igazán fedtem le.

ha többet szeretne megtudni a mágnesekhez használt speciális anyagokról, a Birminghami Egyetem két kiváló cikket tartalmaz a kemény mágnesekről és a puha mágnesekről.