Articles / 11月 5, 2021

磁性材料:磁性の種類、応用、磁性の起源–材料科学・工学

私は磁気について何かを学ぶたびに、私の以前の理解が何らかの形で間違っていたり、単純化されすぎていたことを認識しているように感じます。私はこれを書いているように、私は私の博士号のクラスを終えたので、うまくいけば、私は磁気特性を再学習し終わっています。

すべての材料は何らかの形の磁性を持っています。元素は、反磁性、常磁性、または強磁性であり得る。複数の元素からなる化合物はまた、フェリ磁性または反強磁性であり得る。

この記事では、初めて磁性材料について学んだことをすべてお伝えしたいと思います。私はあなたが何かを学ばなければならないような方法で過度に単純化することなく、物事をできるだけシンプルにするつもりです。あなたが博士号を取得し、いつか磁気の知識が私のものを超えているなら、私はあなたがここで読んだことを何も学ぶ必要がないことを願っていま

そうは言っても、私は磁気的性質ではなく機械的性質を専門とする材料科学者です。私は磁場と磁気の量子力学的基礎に関する短い背景を提供しますが、あなたが本当にそれらの詳細を望むなら、あなたは物理学者に尋ねる方が良

磁気とは何ですか？

“磁気”は電磁力の半分に関連する広義の用語です。あなたは直感的に磁石が何であるかを知っているので、あなたは引力と反発の力のいくつかのアイデアを持っています。磁気を記述する最良の方法は、「磁場」を使用することです。”

磁場は、あなたが高校で学んだかもしれないが、おそらく忘れてしまった話題なので、ここでは簡単な復習です。磁場について学ぶにはここをクリックしてください。

磁場は電場と同じように働く。磁気源とシンクがあります–私たちはこれらを磁石の”北極”と”南極”と呼んでいます。

磁力線は北極から南極へ移動します（または南極から北極へ、あなたはあなたをします）。

磁石のすべての北極と南極も反対側を持つ必要がありますが、磁力線はある磁石から別の磁石に移動することさえできます。

磁力線は「実際に」存在しません。それらは、磁気挙動を理解するのに役立つ概念的なツールです。磁力線はポテンシャルエネルギーを追跡します。

基本的に、北磁極は、磁力線で示される方向に移動すると、南極に近づくことによってそのポテンシャルエネルギーを減少させるでしょう。棒磁石は、その北極と南極を一緒に近づけることはできませんが、その北極または南極を別の磁石の南極または北極に揃えることができます。

私はあなたがそれを知っていたと確信していますが、複数の磁石と北極と南極の複雑な配置がある場合、磁場がどのように相互作用するかを検討す電気はまた、磁場を生成することができるので、これは、完全な電磁気を扱うときに特に便利です。

磁力線は磁石の極性（北対南）を示すだけでなく、磁場の強さまたは磁束も示します。近い一緒に線が描かれている、強い磁場。

例えば、これらの原子の間の空間では、磁力線はほぼ等間隔であるため、磁束はほぼ一定です。しかし、個々の極の近くには、磁力線が非常に近くに来ることがわかります。これは、極が最も強い磁力を持っていることを示しています。

言い換えれば、南極に引き寄せられる物体は、どこにでも置かれたときに、磁石の南極のいずれかで最小のポテンシャルエネルギーに達するまで磁力線に従うだろう。

申し訳ありませんが、それが最善の説明ではなかった場合、電気と磁場を議論する大学のクラス全体があります。

だから、磁場が何であるかを理解すれば、”磁性材料”は、磁力線に従うことによってそのポテンシャルエネルギーを減少させる材料になります。言い換えれば、それは北極または南極に引き寄せられるでしょう。

少なくとも、それはほとんどの人が”磁気”という言葉を使う方法です。「実際には、すべての原子は磁気です。しかし、原子磁気にはさまざまな種類があり、原子が結晶構造に配置されていると、これらの磁気効果はさらに複雑になります。

あなたがあなたの研究に進んでいるならば、あなたは磁石に固執する磁気のタイプが強磁性と呼ばれていることを知っているかもしれません。

あなたが本当に進んでいるなら、強磁性が唯一の種類の磁性材料ではないことを知っているかもしれません。実際は、ほとんどの冷却装置磁石は実際にferrimagnetです。

あなたの現在の磁気特性の理解が何であれ、この記事は基本から始めて、それをすべてカバーするつもりです！

磁気の起源

磁気の種類に飛び込む前に、私は磁気の基本的な起源に対処する必要があります。

磁気は、電子スピンに関連する量子力学的効果である。量子力学は直感的な方法で説明するのが難しいことで有名ですが、私は虚偽を提示することなく物事を単純化するために最善を尽くします。量子数の説明はこちらをクリックしてください。

原子中のすべての電子は、特定の量子数の集合を持つ。あなたは高校の化学でこれを学んだかもしれません。

原理量子数は電子殻を記述する。は原子に最も近いシェルです。現在発見されている要素7の中で、の最大値があります。あなたは原子が周期表上にある行を見ることによって、任意の要素のためのnの最大値を見ることができます。たとえば、ironは4行目にあるため、は1、2、3、または4になります。

角（または方位角）量子数は電子軌道を表す。は0からの間にすることができます。はs軌道、はp軌道、はd軌道、はf軌道、はg軌道などである。例えば、第4殻の電子は、、の3つの軌道を持つことができます。

磁気量子数は、からまでの範囲です。例えば、d軌道の電子は、と。

スピン量子数は、上または下の2つの値のみを持つことができます。

おそらく誤解を招くように、スピン量子数は磁気を引き起こすものです。フンドの法則によれば、電子は軌道全体を同じスピンで満たし、次に軌道を反対のスピンで満たす。例えば、鉄はその外側のd軌道下に6つの（10のうち）電子を持っています。最初の5つの電子はスピンアップし、6番目の電子はスピンダウンします。

電子配置を使用して、どの電子が外殻にあるかを知ることができます。

忘れてしまったら電子配置について検索することができますが、簡単な復習として、電子配置は周期表に沿って量子数をラベル付けすることによ

鉄の電子配置は1s22s22p63s23p64s23d6である。だから、鉄は満たされていないd軌道に6つの電子を持っていることがわかります。省略形では、最も近い希ガスにバックアップして4s23d6と書くことができます。 Coはs23d7、Gaは4s23d104p1になります。

鉄の各原子中のこれらの不対電子は、正味のスピンを有する。これはボーアマグネトンと呼ばれています。この鉄の計算からわかるように、鉄は4の理論的なボーアマグネトンを持っています。すべての”アップスピン”電子は”ダウンスピン”電子と対になっているので、完全または空の軌道を持つ要素は正味のスピンを持たず、したがって原子はゼロのボーアマグネトンを持つ。

これは非常に手波状の議論でした; より厳密な数学的アプローチが必要な場合は、磁気双極子の起源に関するこの優れた章をチェックすることができます。

次のセクションで説明するように、ボーア磁子を材料の磁気特性に関連付ける”交換相互作用”と呼ばれる概念があります。（スポイラー：結合と電子共有は物事を大きく変えます）。

磁気はどのような特性を測定しますか？

あなたが材料の磁気特性について話すとき、あなたは材料が外部磁場にどのように反応するかについて話しています。この外部磁場をＨと呼ぶ。また、Bを使用することもできますが、これは類似しており、より一般的ですが、直感的ではありません（この記事ではBとMの違いを説明しました）。

だから基本的に、何かを磁気的にするのは、Hが変化するときにBが変化するという事実です。

BはHの関数であるため、2つの間には勾配があります。その勾配は透磁率と呼ばれ、 $\mu_0$ は自由空間の透磁率です。つまり、真空中で磁場を作成した場合、真空のは $\mu_0*h$ になります。

透磁率と非常によく似た測定値は感受率であり、 $\chi$ で表されます。 $\chi$ はM-H曲線上の傾きであり、σはB-H曲線上の傾きであるのと同じ方法である。（ここでも、この記事でこれらの違いについての詳細を読むことができます）。真空の磁化率は0である。

相対透磁率 $\mu_r$ を定義することもできますが、これは材料の透磁率と自由空間の透磁率の比にすぎません。

$\mu_r=\frac{\mu}{\mu_0}}$

磁性材料の種類

磁性材料は、外部磁場に対する応答（つまり、透磁率）によって定義されます。

磁性材料には、強磁性、常磁性、反磁性の3つの主な種類があります。フェリ磁性と反強磁性：私はまた、他の二つのタイプをカバーします。

反磁性体は相対透磁率が1よりわずかに小さい。常磁性体は相対透磁率が1よりわずかに大きい。反強磁性体は、ほぼ正確に1に等しい相対透磁率を有する。強磁性体とフェリ磁性体は非常に大きく、非線形の相対透磁率を持っています。

反磁性

すべての材料は反磁性を持っています。反磁性はレンツの法則から生じる反発性である。

レンツの法則は、磁場を作ると電子が移動すると述べています。移動する電子も磁場を作り、新しく作られた磁場は元の磁場に反対します。

これは原子上の電子に対しても当てはまります。任意の材料のために、磁場に材料を露出させると、原子内の電子が反対方向に小さな磁場を作成する方法で移動する原因となります。

この論理によって、磁場の方向にかかわらず、すべての材料は磁場によって反発されるべきである。しかし、この反発は非常に小さいため、測定には非常に特殊な機器が必要です。

反磁性材料はゼロのボーア磁を持っているので、反磁性は彼らが経験する唯一の磁気効果です。すべての材料は反磁性を持っていますが、他の形態の磁気はより強いので、別の種類の磁気を持っている材料は、その最も強いタイプによって分類さ

（相対的な）透磁率の値を持つ反磁性金属の例:

銅（Cu）：μ r=0.99999
水銀（Hg）：μ r=0.99997
ビスマス（Bi）：μ r=0.99984–最も強い反磁性

その他の反磁性金属:

亜鉛(Zn)
マグネシウム(Mg)
金(Au)
亜鉛(Zn)
亜鉛(Zn)
)

金属ではない反磁性材料の例:

シリコン（Si）
リン（P）
水
グラファイト
DNAおよびその他のタンパク質

B（磁気密度フラックス）とH（磁場強度）の関係):

常磁性

反磁性は印加された磁場に対して弱い整列であるため、常磁性は印加された磁場に対して弱い整列である。常磁性にはいくつかの種類があります（詳細はこの記事を参照）が、正味の効果は同じです：電子は外部磁場と整列する磁場を作り出します。

いくつかの金属では、量子力学的効果に応じて、これらの電子は実際には常磁性効果に加えてより強い反磁性効果を経験する可能性がある。 CuやAgのような原子は、本質的に2種類の反磁性と1種類の常磁性を経験するので、元素は全体的に反磁性です。

高校では、単にボーア磁を計算し、を持つ要素は反磁性であり、他のすべては常磁性であると宣言するように教えられていたかもしれません。

（相対）透磁率値を持つ常磁性の例:

プラチニウム(Pt):μ r=1.00027
アルミニウム(Al):μ r=1.0000196
空気μ r=1.00027
空気μ r=1.00027
空気μ r=1.00027
00000037

常磁性材料の他の例:

ナトリウム(Na)
錫(Sn)
酸素(O2)
水素(H2)
錫(Sn)
錫(Sn)
)

B（磁気密度磁束）とH（磁場強度）の関係):

強磁性

強磁性材料も常磁性および反磁性効果を経験するが、強磁性効果はこれらの効果よりもはるかに大きい。

強磁性は、磁区の形成を引き起こす交換結合から生じる。

ドメインは、すべての原子が同じ方向に磁気モーメントを寄与する領域です。

私の説明のいくつかと同様に、残念ながら私はより直感的な答えを提供することはできません

D軌道の原子間隔と電子に基づいて強磁性を予測するBeth-Slaterモデルと呼ばれるものがあります。

このモデルによると、コバルトは実際には最も強磁性金属です。

量子力学はさておき、ドメインのアイデアは、あなたが信仰にその存在を受け入れて喜んでいる場合、実際には理解することはあまり難しくありません。ドメインは、すべての原子のモーメントが同じ方向に整列する材料の領域です。

しかし、異なるドメインは、最初はランダムに指向されています。しかし、外部磁場を導入すると、各ドメインはその磁場と整列し、独自の磁場を生成します。外部磁場を除去した後でも、すべてのドメインが互いに強化され、材料はその磁場を維持します。

これは磁気ヒステリシスと呼ばれるプロパティを作成します。

強磁性体の温度を上げることにより、内部で生成された磁場を除去することができます。温度が上昇すると、原子（およびドメイン）は交換結合が停止し、ドメインはもはやそれらの非ランダムな整列を維持することができなくなるまで、よ

この温度を硬化温度といいます。キュリー温度以上では、強磁性材料は常磁性になる。

反強磁性材料

反強磁性材料は強磁性材料のようにスピン配向を有するが、強磁性体は原子の磁気モーメントを同じ方向に整列させるのに対し、反強磁性体は磁気モーメントを反対方向に整列させる。

言い換えれば、反強磁性体のモーメントは互いに完全にペアリングされ、全磁気は0になります（理論的には、実際には結晶欠陥があるため、モーメントは完全に対向していないため、全磁気モーメントは0より大きくなります）。

この現象は”スピンエネルギー超交換”と呼ばれています。（超交換は、強磁性ドメインがどのように整列するかを記述するためにも使用されます）。これは少し複雑で、量子化学のいくつかの基礎の知識に依存しているので、折りたたみ可能なテキストで説明しましょう。

反強磁性体の超交換について学ぶにはここをクリックしてください。

MnOは反強磁性体の古典的な例である。イオンセラミックにはMn2+イオンがあり、2つの電子を盗みたいと思い、O2-は2つの電子を寄付したいと思います。パウリの排他原理により、O2-はスピンアップした電子を1個、スピンダウンした電子を1個持たなければならない。

フンドの法則は、電子が最初に同じ方向のスピンでd軌道を満たすと述べている。 Mn2+はd軌道に5つの不対電子を持っているので、5つの電子はすべて同じでなければなりません–それらがスピンアップしていると想像してみつまり、第6電子と第7電子はスピンダウンしなければならないということです。

だから、O2-はそのスピンダウン電子を左のMn2+に寄付しなければならない。 O2-は1つのスピンアップ電子が残っており、右側のMn2+に寄付されます。しかし、私が使ったのと同じ推論では、スピンアップが右に行くと、他の5つの電子はスピンダウンする必要があります。

MnOは岩塩の結晶構造を持っています。単純な立方格子を見ると、各Mn原子は3の磁気モーメントを持っていますが、次の最も近いMn原子の磁気モーメントとして反対方向を指しています。したがって、すべての瞬間がお互いをキャンセルします。

強磁性体がキュリー温度以上の常磁性体になるのと同じように、反強磁性体はネール温度以上の常磁性体になります。どちらの場合も、熱エネルギーは変動とランダム性を引き起こし、超交換を克服することができます。

superexchangeのより正確ではあるが非常に数学的な説明を読みたい場合は、Andersonによるthis paperをチェックすることができます。

反強磁性体の実用的な磁気応用はあまりありませんが（本質的に非磁性であるため）、磁気実験の基準点として使用することができます。彼らはまた、大きな理論的価値を持っており、科学者が超伝導体をよりよく理解するのに役立つかもしれません。

フェリ磁性材料

セラミック冷蔵庫の磁石を見たことがあるなら、それはおそらくフェリ磁性体でした。フェリ磁性材料は強磁性材料と非常に同様に振る舞う。しかし、フェリ磁性体は反強磁性体と同じ間接超交換によって働く。

反磁性体は磁気モーメントの各ペアが等しいために互いに完全に相殺するが、フェリ磁性体は部分的な相殺しか持たない。つまり、彼らは本当に部分的な磁化を持っています。

各磁気モーメントは、反対方向の弱い磁気モーメントと対になっています。すべての強い瞬間が同じ方向に並んで、弱い瞬間が反対方向に並んでいるので、強い瞬間が勝ち、材料は全体的な磁気モーメントを有する。

Fe3O4は、既知の最も古い磁性材料であり、フェリ磁性体である。この材料は、四面体サイト上のFe3+と逆スピネル構造を持っており、Fe2+とFe3+の両方が八面体格子間サイトを占めています。八面体サイトと四面体サイトのFe3+はお互いをキャンセルしますが、残りのFe2+はキャンセルせず、正味の磁気モーメントにつながります。

フェリ磁性体はキュリー温度を含む強磁性体とほぼ同じように振る舞う。

ネエル自身の論文を読みたい場合は、これをチェックすることができます。

最終的な考え

今、あなたはすべての5種類の磁気、なぜ磁気が存在するのか、そしてそれぞれの種類の磁性材料の例について知っています。

あなたが行く前に、磁気モーメントが材料の各種類でどのように動作するかを覚えておくのに役立ちますこの便利なチャートを見てみましょう。

参考文献およびさらなる読書

磁気ヒステリシスの詳細については、ここをクリックしてください。磁気誘導Bと磁化Mの違いを知りたい場合は、この記事を読んでください。

磁気双極子の起源の背後にあるより多くの数学については、私はFöll教授によるこの記事をお勧めします。

磁化率の詳細については、Alan Elsterのこの記事またはRichard Fitzpatrickのこの記事を読むことができます。

スピネル構造の詳細については、Aditya vardhanによるこの記事をお勧めします。

superexchangeのより正確ではあるが非常に数学的な説明を読みたい場合は、Andersonによるthis paperをチェックすることができます。

Yang et al.Fe3O4の構造を描いた論文は、ここで見つけることができます。

ここでは、強磁性と反強磁性についてのネールの論文の一つです。

反強磁性についてもっと知りたい場合は、Katherine Wellmonがこの役に立つ記事を書いています。

Bruce Moscowitzによるこのページには、磁石の種類の優れた内訳があります。彼は温度依存性に特に重点を置いていましたが、この記事では実際には取り上げませんでした。

磁石に使用される特定の材料についての詳細を知りたい場合は、バーミンガム大学は、ハード磁石とソフト磁石に関する二つの優れた記事をホストし

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