Materiali magnetici: tipi di magnetismo, applicazioni e origine del magnetismo-Materials Science & Engineering

Mi sento come se ogni volta che imparo qualcosa sul magnetismo, mi rendo conto che la mia precedente comprensione era in qualche modo errata o semplificata. Mentre sto scrivendo questo, ho finito le mie lezioni di dottorato, quindi spero di aver finito di riapprendere le proprietà magnetiche.

Tutti i materiali hanno una qualche forma di magnetismo. Gli elementi possono essere diamagnetici, paramagnetici o ferromagnetici. Composti costituiti da più elementi possono anche essere ferrimagnetici o antiferromagnetici.

In questo articolo, voglio dirti tutto ciò che vorrei aver imparato sui materiali magnetici, la prima volta. Ho intenzione di rendere le cose il più semplici possibile senza semplificare eccessivamente in modo tale che si dovrà disimparare qualcosa. Se persegui un dottorato di ricerca e un giorno la tua conoscenza del magnetismo supera la mia, spero che non avrai bisogno di disimparare tutto ciò che hai letto qui.

Detto questo, sono uno scienziato dei materiali specializzato in proprietà meccaniche, non magnetiche. Fornirò un breve background sui campi magnetici e le basi della meccanica quantistica per il magnetismo, ma se vuoi davvero quei dettagli è meglio chiedere a un fisico.

Che cos’è il magnetismo?

“Magnetismo” è un termine ampio che si riferisce alla metà della forza elettromagnetica. Sai intuitivamente cos’è un magnete, quindi hai un’idea delle forze di attrazione e repulsione. Il modo migliore per descrivere il magnetismo è usando ” campi magnetici.”

I campi magnetici sono un argomento che potresti aver imparato al liceo ma forse ti sei dimenticato, quindi ecco un rapido aggiornamento.

Clicca qui per conoscere i campi magnetici.

I campi magnetici funzionano proprio come i campi elettrici. C’è una sorgente magnetica e un lavandino–li chiamiamo “polo nord” e “polo sud” di un magnete.

Le linee del campo magnetico viaggiano dal polo nord al polo sud (o dal polo sud al polo nord, fai tu).

Ogni polo nord e sud di un magnete deve avere anche il suo lato opposto, ma le linee di campo possono persino viaggiare da un magnete a uno diverso.

Le linee di campo magnetico non esistono “realmente”. Sono uno strumento concettuale per aiutarci a capire il comportamento magnetico. Le linee di campo tracciano l’energia potenziale.

Fondamentalmente, il polo magnetico nord ridurrebbe la sua energia potenziale avvicinandosi al polo sud, se si muovesse nella direzione indicata dalle linee di campo. Un magnete a barre non può avvicinare i suoi poli nord e sud, ma può allineare i suoi poli nord o sud ai poli sud o nord di un magnete diverso.

Sono sicuro che lo sapevi, ma quando hai più magneti e complesse disposizioni dei poli nord e sud, è più facile considerare solo come i campi magnetici interagiscono. Ciò è particolarmente utile quando si ha a che fare con l’elettromagnetismo completo, perché l’elettricità può anche generare campi magnetici.

Non solo le linee del campo magnetico indicano la polarità (nord vs sud) di un magnete, ma indicano anche la forza, o il flusso, di un campo magnetico. Le linee più vicine vengono disegnate, più forte è il campo magnetico.

Ad esempio, nello spazio tra questi atomi, le linee di campo sono approssimativamente equidistanti, quindi il flusso magnetico è approssimativamente costante. Vicino a qualsiasi singolo polo, tuttavia, vedrai che le linee di campo si avvicinano molto. Questo indica che i poli hanno la forza magnetica più forte.

In altre parole, un oggetto che sarebbe attratto da un polo sud, quando posizionato ovunque, seguirebbe le linee di campo fino a raggiungere la sua energia potenziale minima in uno dei poli sud del magnete.

Scusa se questa non era la spiegazione migliore, ci sono intere classi universitarie che discutono di campi elettrici e magnetici.

Quindi se capisci cos’è un campo magnetico, allora un “materiale magnetico” sarebbe un materiale che riduce la sua energia potenziale seguendo le linee di campo. In altre parole, sarebbe attratto da un polo nord o sud.

Almeno, è così che la maggior parte delle persone usa la parola “magnetico.”In realtà, ogni atomo è magnetico. Tuttavia, ci sono diversi tipi di magnetismo atomico–e questi effetti magnetici diventano ancora più complicati quando gli atomi sono disposti in strutture cristalline.

Se sei avanzato nei tuoi studi, potresti sapere che il tipo di magnetismo che si attacca ai magneti è chiamato ferromagnetismo.

Se sei veramente avanzato, potresti sapere che il ferromagnetismo non è l’unico tipo di materiale magnetico. Infatti, la maggior parte dei magneti da frigorifero sono in realtà ferrimagneti.

Qualunque sia la tua attuale comprensione delle proprietà magnetiche, questo post inizierà alle basi e coprirà tutto!

L’origine del magnetismo

Prima di immergerci nei tipi di magnetismo, ho bisogno di affrontare l’origine fondamentale del magnetismo.

Il magnetismo è un effetto quantomeccanico correlato allo spin degli elettroni. La meccanica quantistica è notoriamente difficile da spiegare in modo intuitivo, ma farò del mio meglio per semplificare le cose senza presentare falsità.

Clicca qui per una spiegazione dei Numeri Quantici.

Ogni elettrone in un atomo ha un insieme specifico di numeri quantici. Si potrebbe avere imparato questo in chimica liceo.

Il numero quantico di principio, , descrive il guscio dell’elettrone. è la shell più vicina all’atomo. Tra gli elementi attualmente scoperti 7 è il valore massimo per . Puoi vedere il valore massimo per n per qualsiasi elemento vedendo quale riga si trova l’atomo sulla tavola periodica. Ad esempio, il ferro è nella riga 4, quindi può essere 1, 2, 3 o 4.

Il numero quantico angolare (o azimutale), , descrive l’orbitale dell’elettrone. può essere compreso tra 0 e . è un orbitale s, è un orbitale p, è un orbitale d, è un orbitale f, è un orbitale g, ecc. Ad esempio, un elettrone nel 4 ° guscio potrebbe avere 3 orbitali: e .

Il numero quantico magnetico, , varia daa. Ad esempio, un elettrone nell’orbitale d potrebbe avere cinque valori di e .

Il numero quantico di spin, , può avere solo due valori: su o giù.

Forse in modo fuorviante, il numero quantico di spin è ciò che dà origine al magnetismo. Secondo la regola di Hund, gli elettroni riempiono l’intero orbitale con lo stesso spin, e quindi riempiono l’orbitale con lo spin opposto. Ad esempio, il ferro ha 6 (su 10) elettroni nel suo suborbitale d esterno. I primi 5 elettroni saranno spin up, e il 6 sarà spin down.

È possibile utilizzare la configurazione elettronica per dire quali elettroni sono nel guscio esterno.

È possibile cercare su configurazioni di elettroni se avete dimenticato, ma come un rapido aggiornamento, configurazioni di elettroni sono scritti etichettando i numeri quantici, andando in linea della tavola periodica.

La configurazione elettronica per il ferro è 1s22s22p63s23p64s23d6. Quindi puoi vedere che il ferro ha 6 elettroni nell’orbitale d non riempito. In breve, è possibile eseguire il backup del gas nobile più vicino e scriverlo come 4s23d6. Co sarebbe s23d7 e Ga sarebbe 4s23d104p1.

Questi elettroni spaiati in ogni atomo di ferro hanno una rotazione netta. Questo è chiamato il magnetone di Bohr. Come puoi vedere da questo calcolo per il ferro, il ferro ha un magnetone teorico di bohr di 4. Gli elementi con orbitali pieni o vuoti non hanno spin netto perché ogni elettrone ” up spin “è accoppiato con un elettrone” down spin”, e quindi l’atomo ha un magnetone di Bohr pari a zero.

Questo era un argomento molto ondulato a mano; se vuoi un approccio matematico più rigoroso puoi dare un’occhiata a questo eccellente capitolo sull’origine dei dipoli magnetici.

Come vedrai nella prossima sezione, c’è un concetto chiamato “interazione di scambio” che mette in relazione il magnetone di Bohr con le proprietà magnetiche del materiale. (Spoiler: il legame e la condivisione di elettroni cambiano molto le cose).

Quale proprietà misura il magnetismo?

Quando si parla delle proprietà magnetiche di un materiale, si parla di come il materiale risponde a un campo magnetico esterno. Chiamiamo questo campo magnetico esterno H.

L’aggiunta di tutti i momenti magnetici in un materiale è chiamata M. Possiamo anche usare B, che è simile e più comune, ma meno intuitivo (ho spiegato la differenza tra B e M in questo articolo).

Quindi, in pratica, ciò che rende qualcosa di magnetico è il fatto che B cambia quando H cambia.

Poiché B è una funzione di H, c’è una pendenza tra i due. Quella pendenza è chiamata permeabilità magnetica, è la permeabilità dello spazio libero. Ciò significa che se hai creato un campo magnetico nel vuoto, del vuoto sarebbe .

Una misura molto simile alla permeabilità è la suscettibilità, rappresentata da. è la pendenza sulla curva M-H, allo stesso modo μ è la pendenza sulla curva B-H. (Ancora una volta, si può leggere di più su queste differenze in questo articolo). La suscettibilità di un vuoto è 0.

Possiamo anche definire la permeabilità relativa, che è solo il rapporto tra la permeabilità del materiale e la permeabilità dello spazio libero.

Tipi di materiali magnetici

I materiali magnetici sono definiti dalla loro risposta a un campo esterno (in altre parole, la loro permeabilità).

Esistono 3 tipi principali di materiali magnetici: ferromagnetico, paramagnetico e diamagnetico. Tratterò anche gli altri due tipi: ferrimagnetico e antiferromagnetico.

I diamagneti hanno una permeabilità relativa leggermente inferiore a uno. I paramagneti hanno una permeabilità relativa leggermente superiore a 1. Gli antiferromagneti hanno una permeabilità relativa quasi esattamente uguale a 1. Ferromagneti e ferrimagneti hanno una permeabilità relativa molto grande, non lineare.

Diamagnetismo

Tutti i materiali hanno diamagnetismo. Il diamagnetismo è una proprietà ripugnante che deriva dalla legge di Lenz.

La legge di Lenz dice che la creazione di un campo magnetico muoverà gli elettroni. Gli elettroni in movimento creano anche un campo magnetico e il campo magnetico appena creato si opporrà a quello originale.

Questo vale anche per gli elettroni su un atomo. Per qualsiasi materiale, esponendo il materiale a un campo magnetico farà sì che gli elettroni nell’atomo si muovano in un modo che crea un piccolo campo magnetico nella direzione opposta.

Con questa logica, tutti i materiali dovrebbero essere respinti da un campo magnetico, indipendentemente dalla direzione del campo magnetico. Tuttavia, questa repulsione è così piccola che richiede attrezzature molto specializzate per misurare.

I materiali diamagnetici hanno un magnetone di Bohr pari a zero, quindi il diamagnetismo è l’unico effetto magnetico che sperimentano. Tutti i materiali hanno diamagnetismo, ma altre forme di magnetismo sono più forti, quindi i materiali che hanno anche un altro tipo di magnetismo sono classificati in base al loro tipo più forte.

Esempi di Diamagnetico Metalli con (Relativa) Permeabilità Magnetica Valori:

• Rame (Cu): µr = 0.99999
• Mercurio (Hg): µr = 0.99997
• Bismuto (Bi): µr = 0.99984 più forte diamagnetico proprietà

Altri Metalli Diamagnetica:

• Zinco (Zn)
• Magnesio (Mg)
• Oro (Au)

Esempi di Diamagnetico Materiali Che Non Sono Metalli:

• Silicio (Si)
• Fosforo (P)
• Acqua
• Grafite >
• DNA e altre proteine

la Relazione tra B (magnetico densità di flusso) e H (forza del campo magnetico):

Paramagnetism

il Diamagnetismo è un debole allineamento contro un campo magnetico applicato, in modo paramagnetism è un debole di allineamento con un campo magnetico applicato. Esistono alcuni tipi di paramagnetismo (vedi questo articolo per ulteriori informazioni), ma l’effetto netto è lo stesso: gli elettroni creano un campo magnetico che si allinea con il campo esterno.

In alcuni metalli, a seconda degli effetti meccanici quantistici, questi elettroni possono effettivamente sperimentare un effetto diamagnetico più forte in aggiunta all’effetto paramagnetico. Atomi come Cu o Ag sperimentano essenzialmente 2 tipi di diamagnetismo e 1 tipo di paramagnetismo, quindi gli elementi sono complessivamente diamagnetici.

Al liceo potresti essere stato insegnato a calcolare semplicemente il magnetone di Bohr e dichiarare che gli elementi con erano diamagnetici e tutti gli altri erano paramagnetici; sfortunatamente la meccanica quantistica della vita reale non è così semplice e stai meglio cercando quale tipo di magnetismo ha un materiale (non preoccuparti, ho un grafico più avanti nell’articolo).

Esempi di Paramagnetica con valori (relativi) di permeabilità magnetica:

• Platinio (Pt): µr = 1.00027
• Alluminio (Al): µr = 1.0000196
• Aria µr = 1.00000037

Altri Esempi di Materiali Paramagnetici:

• Sodio (Na)
• Stagno (Sn)
• Ossigeno (O2)
• Idrogeno (H2)

Relazione tra B (magnetico densità di flusso) e H (forza del campo magnetico):

Ferromagnetism

materiali Ferromagnetici anche esperienza paramagnetiche e diamagnetiche effetti, ma i ferromagnetici effetto è molto maggiore di questi effetti.

Il ferromagnetismo deriva dall’accoppiamento di scambio che causa la formazione di domini magnetici.

I domini sono regioni in cui tutti gli atomi contribuiscono al loro momento magnetico nella stessa direzione.

Come con molte delle mie spiegazioni, sfortunatamente non posso fornire una risposta più intuitiva di

C’è qualcosa chiamato il modello di Beth-Slater che predice il ferromagnetismo basato sulla spaziatura atomica e sugli elettroni nell’orbitale D.

Secondo questo modello, il cobalto è in realtà il metallo più ferromagnetico.

Meccanica quantistica a parte, l’idea di domini non è in realtà troppo difficile da capire, se si è disposti ad accettare la loro esistenza sulla fede. I domini sono regioni del materiale in cui tutti i momenti degli atomi si allineano nella stessa direzione.

Diversi domini, tuttavia, sono orientati in modo casuale in un primo momento. Ma quando si introduce un campo magnetico esterno, ogni dominio si allinea con quel campo e produce il proprio campo magnetico. Anche dopo aver rimosso il campo esterno, tutti i domini si rafforzano a vicenda e il materiale mantiene il suo campo magnetico.

Questo crea una proprietà chiamata isteresi magnetica, che puoi leggere tutto qui.

È possibile rimuovere il campo magnetico creato internamente aumentando la temperatura del ferromagnete. All’aumentare della temperatura, gli atomi (e i domini) vibrano di più fino a quando l’accoppiamento di scambio cessa e i domini non possono più mantenere il loro allineamento non casuale.

Questa temperatura è chiamata temperatura di polimerizzazione. Al di sopra della temperatura di Curie, i materiali ferromagnetici diventano paramagnetici.

Materiali antiferromagnetici

I materiali antiferromagnetici hanno allineamento di spin come i materiali ferromagnetici; tuttavia, mentre i ferromagneti allineano i momenti magnetici atomici nella stessa direzione, gli antiferromagneti allineano i momenti magnetici in direzioni opposte.

In altre parole, i momenti antiferromagneti si accoppiano perfettamente l’uno contro l’altro, portando a 0 magnetismo totale (in teoria, ma in pratica ci sono difetti cristallini quindi i momenti non si oppongono perfettamente l’un l’altro, quindi il momento magnetico totale è maggiore di 0).

Questo fenomeno è chiamato ” spin energy superexchange.”(Superexchange è anche usato per descrivere come i domini ferromagnetici si allineano). Questo è un po ‘ complicato e si basa sulla conoscenza di alcune basi della chimica quantistica, quindi lasciami spiegare nel testo collapsable.

Clicca qui per conoscere superexchange in antiferromagnets.

MnO è il classico esempio di antiferromagnete. La ceramica ionica ha ioni Mn2+ che vorrebbero rubare 2 elettroni e O2 – vorrebbe donare 2 elettroni. A causa del principio di esclusione di Pauli, O2 – deve avere 1 elettrone con spin up e un elettrone con spin down.

La regola di Hund afferma che gli elettroni riempiranno prima l’orbitale d con spin nella stessa direzione. Poiché Mn2 + ha 5 elettroni spaiati nell’orbitale d, tutti e 5 gli elettroni devono essere uguali-immaginiamo che siano spin up. Ciò significa che gli elettroni 6th e 7th devono essere spin down.

Quindi, l’O2 – deve donare il suo elettrone di spin down al Mn2+ a sinistra. O2-ha un elettrone spin up rimanente, che viene donato al Mn2+ sulla destra. Ma lo stesso ragionamento che ho appena usato, se lo spin up va a destra, gli altri 5 elettroni devono essere spin down.

MnO ha una struttura cristallina di salgemma. Se si guarda il semplice reticolo cubico, ogni atomo Mn ha un momento magnetico di 3, ma punta nella direzione opposta come momento magnetico del prossimo atomo Mn più vicino. Quindi, tutti i momenti si annullano a vicenda.

Proprio come i ferromagneti diventano paramagneti sopra la temperatura di Curie, gli antiferromagneti diventano paramagneti sopra la temperatura di Néel. In entrambi i casi, l’energia termica provoca fluttuazioni e casualità che possono superare il superexchange.

Se vuoi leggere una descrizione più accurata ma molto matematica di superexchange, puoi dare un’occhiata a questo articolo di Anderson.

Non ci sono molte applicazioni magnetiche pratiche per gli antiferromagneti (poiché sono essenzialmente non magnetici), ma possono essere utilizzati come punto di riferimento negli esperimenti magnetici. Hanno anche un grande valore teorico e possono aiutare gli scienziati a capire meglio i superconduttori.

Materiali ferrimagnetici

Se hai mai visto un magnete da frigorifero in ceramica, probabilmente era un ferrimagnet. I materiali ferrimagnetici si comportano in modo molto simile ai materiali ferromagnetici. Tuttavia, i ferrimagneti funzionano con lo stesso superexchange indiretto degli antiferromagnett.

Mentre gli antferromagneti si annullano completamente a vicenda perché ogni coppia di momenti magnetici sono uguali, i ferrimagneti hanno solo una cancellazione parziale. Il che significa che hanno davvero una magnetizzazione parziale.

Ogni momento magnetico è accoppiato con un momento magnetico più debole nella direzione opposta. Poiché tutti i momenti forti si allineano nella stessa direzione e i momenti deboli si allineano nella direzione opposta, i momenti forti vincono e il materiale ha un momento magnetico complessivo.

Fe3O4, il più antico materiale magnetico conosciuto, è un ferrimagnet. Questo materiale ha una struttura spinello inversa con Fe3 + su siti tetraedrici, e Fe2 + e Fe3 + entrambi occupano siti interstiziali ottaedrici. Il Fe3 + nei siti octraedrici e tetraedrici si annullano a vicenda, ma il restante Fe2+ non si annulla, portando a un momento magnetico netto.

I ferrimagneti si comportano in modo praticamente identico ai ferromagneti, incluso avere una temperatura di Curie.

Se vuoi leggere un articolo di Néel stesso, puoi dare un’occhiata a questo.

Considerazioni finali

Ora conosci tutti i 5 tipi di magnetismo, perché esiste il magnetismo ed esempi di ogni tipo di materiale magnetico.

Prima di andare, dai un’occhiata a questo pratico grafico che ti aiuterà a ricordare come si comportano i momenti magnetici in ogni tipo di materiale.

Riferimenti e approfondimenti

Clicca qui per saperne di più sull’isteresi magnetica. Se vuoi conoscere la differenza tra induzione magnetica B e magnetizzazione M, leggi questo articolo.

Per ulteriori matematica dietro l’origine dei dipoli magnetici, raccomando questo articolo del professor Föll.

Per ulteriori informazioni sulla suscettibilità magnetica, puoi leggere questo articolo di Alan Elster o questo articolo di Richard Fitzpatrick.

Per ulteriori informazioni sulla struttura spinell, raccomando questo articolo di Aditya vardhan.

Se vuoi leggere una descrizione più accurata ma molto matematica di superexchange, puoi dare un’occhiata a questo articolo di Anderson.

Yang et al.la carta, che disegna la struttura di Fe3O4, può essere trovata qui.

Ecco uno dei documenti di Néel sul ferromagnetismo e l’antiferromagnetismo.

Se vuoi saperne di più sull’antiferromagnetismo, Katherine Wellmon ha scritto questo utile articolo.

Questa pagina di Bruce Moscowitz ha un’eccellente ripartizione dei tipi di magneti. Ha posto particolare enfasi sulla dipendenza dalla temperatura, che non ho davvero trattato in questo articolo.

Se volete saperne di più sui materiali specifici utilizzati per i magneti, l’Università di Birmingham ospita due eccellenti articoli su magneti duri e magneti morbidi.