자성 재료:자성의 유형,응용 및 기원-재료 과학 및 공학

나는 자기에 대해 뭔가를 배울 때마다,나는 나의 이전 이해가 어떻게 든 잘못되었거나 지나치게 단순화되었다는 것을 깨닫는다. 이 글을 쓰고 있어요,내 박사 과정을 완료,그래서 잘하면 나는 자기 특성을 다시 학습 끝났어요.

모든 재료는 어떤 형태의 자성을 가지고 있습니다. 요소는 반자성,상자성 또는 강자성 일 수 있습니다. 여러 원소로 만들어진 화합물은 페리자기 또는 반 강자성 일 수도 있습니다.

이 글에서,나는 당신에게 내가 처음으로 자성 재료에 대해 배웠하고자하는 모든 것을 말하고 싶어. 나는 당신이 무언가를 잊어야 할 그런 방법으로 지나치게 단순화하지 않고 가능한 한 간단하게 만들 것입니다. 당신이 박사 학위를 추구하는 경우 어느 날 자기에 대한 지식은 내 초과,난 당신이 당신이 여기에서 읽은 것을 잊다 할 필요가 없습니다 바랍니다.

즉,나는 기계적 특성을 전문으로하는 재료 과학자입니다,하지 자기 특성. 나는 자기장에 대한 짧은 배경과 자기에 대한 양자 역학적 기초를 제공 할 것입니다,하지만 당신이 정말로 그 세부 사항을 원하는 경우에 당신은 물리학을 묻는 것이 좋습니다.

자력이란?

“자기”는 전자기력의 절반에 관한 광범위한 용어입니다. 당신은 직관적으로 자석이 무엇인지 알고,그래서 당신은 매력과 반발력의 힘의 몇 가지 아이디어를 가지고있다. 자기를 설명하는 가장 좋은 방법은”자기장을 사용하는 것입니다.”

자기장은 당신이 고등학교에서 배웠을 수도 있지만 아마도 잊어 버린 주제이므로,여기에 빠른 재교육이 있습니다.

자기장에 대해 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

자기장은 전기장처럼 작동합니다. 자기 소스와 싱크대가 있습니다-우리는 이것을 자석의”북극”과”남극”이라고 부릅니다.

자기장 선은 북극에서 남극으로 이동합니다(또는 남극에서 북극으로 이동합니다).

자석의 모든 북극과 남극은 또한 반대쪽을 가질 필요가 있지만 필드 라인은 하나의 자석에서 다른 자석으로 이동할 수도 있습니다.

자기장 선은”실제로”존재하지 않습니다. 그들은 자기 행동을 이해하는 데 도움이되는 개념적 도구입니다. 필드 라인은 위치 에너지를 추적합니다.

기본적으로 북극은 전계선으로 표시된 방향으로 움직이면 남극에 더 가까이 이동함으로써 위치에너지를 감소시킨다. 막대 자석은 북극과 남극을 더 가깝게 만들 수는 없지만 북쪽 또는 남극을 다른 자석의 남쪽 또는 북극에 정렬 할 수 있습니다.

나는 당신이 그것을 알고 있다고 확신하지만,여러 개의 자석과 북극과 남극의 복잡한 배열이있을 때,자기장이 어떻게 상호 작용 하는지를 고려하는 것이 더 쉽습니다. 전기도 자기장을 생성 할 수 있기 때문에,전체 전자기를 처리 할 때 특히 유용합니다.

자기장 선은 자석의 극성(북쪽 대 남쪽)을 나타낼 뿐만 아니라 자기장의 강도 또는 플럭스를 나타냅니다. 가까이 함께 선이 그려집니다,강한 자기장.

예를 들어,이 원자들 사이의 공간에서,전계선은 대략 똑같이 이격되어 있으므로,자속은 대략 일정하다. 개별 극에 가까운,그러나,당신은 필드 라인이 함께 매우 가까이 오는 것을 볼 수 있습니다. 이것은 극이 가장 강한 자기력을 가지고 있음을 나타냅니다.

즉,남극에 끌리는 물체는 어디에나 놓일 때 자석의 남쪽 극 중 하나에서 최소 위치 에너지에 도달 할 때까지 필드 라인을 따라갈 것입니다.

그것이 최선의 설명이 아니라면,전기장과 자기장에 대해 토론하는 전체 대학 수업이 있습니다.

따라서 자기장이 무엇인지 이해하면”자성 재료”는 필드 라인을 따라 위치 에너지를 줄이는 재료가 될 것입니다. 즉,그것은 북쪽 또는 남극에 끌릴 것입니다.

적어도 대부분의 사람들은”자기”라는 단어를 사용합니다.”실제로 모든 원자는 자성입니다. 그러나 원자 자기에는 여러 가지 유형이 있으며 원자가 결정 구조로 배열 될 때 이러한 자기 효과는 더욱 복잡해집니다.

당신이 당신의 연구에서 진보 된 경우,당신은 자석에 붙어있는 자성의 유형을 강자성이라고 알 수 있습니다.

당신이 정말로 진보했다면,당신은 강자성 만이 유일한 종류의 자성 물질이 아니라는 것을 알 수 있습니다. 사실,대부분의 냉장고 자석은 실제로 페리자석입니다.

자기 특성에 대한 현재의 이해가 무엇이든,이 게시물은 기초부터 시작하여 모든 것을 다룰 것입니다!

자성의 기원

자성의 종류에 대해 탐구하기 전에,자성의 근본적인 기원에 대해 이야기해야 한다.

자기는 전자 스핀과 관련된 양자-기계적 효과이다. 양자 역학은 직관적 인 방법으로 설명하기 어려운 악명,하지만 난 거짓을 제시하지 않고 일을 단순화하기 위해 최선을 다하겠습니다.

양자 수에 대한 설명을 보려면 여기를 클릭하십시오.

원자의 모든 전자는 특정 양자 수를 가지고 있습니다. 당신은 고등학교 화학에서 이것을 배웠을 것입니다.

원리 양자 수,는 전자 껍질을 설명합니다. 은 원자에 가장 가까운 껍질입니다. 현재 발견 된 요소 중 7 은의 최대 값입니다. 당신은 원자가 주기율표에있는 행을 확인하여 모든 요소에 대한 엔 최대 값을 볼 수 있습니다. 예를 들어,철은 4 행에 있으므로는 1,2,3 또는 4 일 수 있습니다.

각도(또는 방위각)양자 수은 전자 궤도를 설명합니다. 할 수 있습 0. 이 공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이고,공전 궤도는 공전 궤도이다. 예를 들어,제 4 쉘의 전자는 3 개의 궤도를 가질 수 있습니다:및.

자기 양자 수,,범위. 예를 들어,디 궤도의 전자는

스핀 양자 수은 위 또는 아래의 두 가지 값만 가질 수 있습니다.

아마도 오도,스핀 양자 수는 자기를 발생시키는 것입니다. 훈 트의 규칙에 따르면,전자는 전체 궤도를 동일한 스핀으로 채운 다음 반대 스핀으로 궤도를 채 웁니다. 예를 들어,철은 외부 디 아 궤도 내에 6 개(10 개 중)의 전자를 가지고 있습니다. 처음 5 개의 전자는 스핀 업이 될 것이고 6 번째 전자는 스핀 다운이 될 것입니다.

전자 구성을 사용하여 어떤 전자가 바깥 껍질에 있는지 알 수 있습니다.

당신은 당신이 잊어 버린 경우 전자 구성에 대해 검색 할 수 있지만,빠른 원기 회복으로,전자 구성은 주기율표의 라인에 가고,양자 수를 라벨에 의해 기록됩니다.

철의 전자 구성은 다음과 같습니다. 그래서 당신은 철이 채워지지 않은 디 궤도에 6 개의 전자를 가지고 있음을 볼 수 있습니다. 간단히 말해서,가장 가까운 희가스에 백업하여 4 초 23 초 6 로 쓸 수 있습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

철의 각 원자에서 이러한 짝을 이루지 않은 전자는 순 스핀을 가지고 있습니다. 이것은 보어 마그네 톤이라고합니다. 당신이 철에 대한이 계산에서 볼 수 있듯이,철은 4 의 이론적 인 보어 마그네톤을 가지고 있습니다. 전체 또는 빈 궤도를 가진 요소는 모든”업 스핀”전자가”다운 스핀”전자와 짝을 이루기 때문에 순 스핀이 없으므로 원자는 보어 마그네톤이 0 입니다.

이것은 매우 손으로 물결 치는 주장이었습니다.; 좀 더 엄격한 수학적 접근 방식을 원하는 경우에 당신은 자기 쌍극자의 기원이 우수한 장을 확인할 수 있습니다.

다음 섹션에서 볼 수 있듯이,”교환 상호 작용”이라는 개념이 있습니다.이 개념은 보어 마그네톤을 재료의 자기 특성과 관련시킵니다. (스포일러:결합 및 전자 공유는 많은 것을 변화시킵니다).

자기는 어떤 속성을 측정합니까?

재료의 자기 특성에 대해 이야기 할 때 재료가 외부 자기장에 어떻게 반응하는지에 대해 이야기하고 있습니다. 우리는 이것을 외부 자기장이라고 부릅니다.우리는 또한 사용할 수 있습니다 비,이는 유사하고 더 일반적이지만 덜 직관적입니다(이 기사에서 비와 미디움의 차이를 설명했습니다).

따라서 기본적으로 무언가를 자성으로 만드는 것은 시간이 변할 때 비가된다는 사실입니다.

이후 비 이다 함수 의 시간,이 둘 사이에 기울기가 있습니다. 그 기울기는 자기 투과성이라고 불리는데,은 자유 공간의 투과성이다. 즉,진공 상태에서 자기장을 생성하면 진공의이이됩니다.

투과성과 매우 유사한 측정은로 표시되는 감수성이다. 이 곡선의 기울기는 다음과 같습니다. (다시 말하지만,이 기사에서 이러한 차이점에 대해 더 많이 읽을 수 있습니다). 진공의 민감도는 0 입니다.

우리는 또한 상대 투과성을 정의 할 수 있습니다,이는 자유 공간의 투과성에 대한 재료의 투과성의 비율입니다.

자성 재료의 종류

자성 재료는 외부 필드에 대한 반응(즉,그 투과성)에 의해 정의됩니다.

자성 재료에는 강자성,상자성 및 반자성의 세 가지 주요 유형이 있습니다. 나는 또한 다른 두 가지 유형을 다룰 것이다:페리자기 및 반 강자성.

반자석은 상대 투과성이 1 보다 약간 작다. 매개 변수는 상대 투과성이 1 보다 약간 큽니다. 반 강자성체는 1 과 거의 동일한 상대 투과성을 갖는다. 강자성체 및 페리자성체는 매우 큰 비선형 상대 투과성을 갖는다.

반자성

모든 재료는 반자성을 갖는다. 반자성은 렌츠의 법칙에서 발생하는 반발 속성입니다.

렌츠의 법칙은 자기장을 만드는 것이 전자를 움직일 것이라고 말한다. 움직이는 전자는 또한 자기장을 만들고,새로 생성 된 자기장은 원래의 자기장에 반대 할 것입니다.

이것은 원자의 전자에 대해서도 마찬가지입니다. 어떤 물자든지를 위해,자기장에 물자를 드러내는 것은 원자에 있는 전자가 반대 방향에 있는 작은 자기장을 창조하는 방법으로 움직이는 원인이 될 것이다.

이 논리에 의해 모든 재료는 자기장의 방향에 관계없이 자기장에 의해 격퇴되어야합니다. 그러나,이 반발력은 측정하기 위하여 아주 전문화한 장비를 요구한다 이렇게 작다.

반자성 물질은 보어 마그네톤이 0 이므로 반자성은 그들이 경험하는 유일한 자기 효과이다. 모든 재료는 반자성을 가지고 있지만 다른 형태의 자성이 강하기 때문에 다른 종류의 자성을 가진 재료는 가장 강한 유형으로 분류됩니다.

(상대)자기 투과성 값을 갖는 반자성 금속의 예:

• 0.99997

기타 반자성 금속:구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리,구리:

아연(Zn)

마그네슘(Mg)

금(Au)

의 예에는 반자성재료되지 않은 금속:

• 실리콘(Si)
• 인(P)
• 물
• 흑연
• DNA 및 기타 단백질

사이의 관계 B(자속밀도 플럭스)에서(자기장 강도):

Paramagnetism

반자성이 약한 정렬에 적용되는 자기장 그래서 paramagnetism 약한 맞춤으로 적용되는 자기장입니다. 이 상자성의 몇 가지 유형이 있습니다(자세한 내용은이 문서를 참조),하지만 그물 효과는 동일합니다:전자는 외부 필드와 정렬 자기장을 만들 수 있습니다.

일부 금속에서,양자 역학적 효과에 따라,이들 전자는 실제로 상자성 효과 이외에 더 강한 반자성 효과를 경험할 수 있다. 원자는 본질적으로 2 종류의 반자성과 1 종류의 반자성을 경험하므로 원소는 전체 반자성입니다.

고등학교에서 당신은 단순히 보어 마그네톤을 계산하고 반자성이고 다른 모든 것들은 상자성이라고 선언하는 법을 배웠을 것입니다;불행히도 실제 양자 역학은 그렇게 간단하지 않으며 어떤 종류의 자력을 가지고 있는지 찾는 것이 더 낫습니다(걱정하지 마십시오,기사 뒷부분에 도표가 있습니다).

(상대)자기 투과성 값을 갖는 매개체의 예:

• 알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄):알루미늄(알루미늄)00000037

상자성 재료의 다른 예:

• (100%)
• )

자속 밀도는 자속 밀도와 자속 밀도에 따라 다릅니다.):

강자성

강자성 물질도 상자성 및 반자성 효과를 경험하지만 강자성 효과는 이러한 효과보다 훨씬 큽니다.

강자성은 자기 도메인의 형성을 일으키는 교환 결합으로부터 발생한다.

도메인은 모든 원자가 같은 방향으로 자기 모멘트를 기여하는 영역입니다.

내 설명 중 몇 가지와 마찬가지로 불행히도 나는보다 직관적 인 대답을 제공 할 수 없다.

베스-슬레이터 모형이라고 불리는 것이 있는데,이 모형은 강자성을 원자 간격과 디-궤도 내의 전자에 기초하여 예측합니다.

이 모델에 따르면 코발트는 실제로 가장 강자성 금속입니다.

양자 역학은 제쳐두고,도메인의 아이디어는 실제로 당신이 믿음에 자신의 존재를 받아 들일 경우,이해하기 너무 어려운 일이 아니다. 도메인은 모든 원자의 모멘트가 같은 방향으로 정렬되는 물질의 영역입니다.

그러나 다른 도메인은 처음에는 무작위로 지향됩니다. 그러나 외부 자기장을 도입 할 때 각 도메인은 해당 필드와 정렬되어 자체 자기장을 생성합니다. 외부 필드를 제거한 후에도 모든 도메인은 서로를 강화하고 재료는 자기장을 유지합니다.

이것은 자기 히스테리시스라는 속성을 생성하며 여기에서 모두 읽을 수 있습니다.

강자성체의 온도를 상승시켜 내부적으로 생성된 자기장을 제거할 수 있다. 온도가 증가함에 따라 원자(및 도메인)는 교환 결합이 중단되고 도메인이 더 이상 비 무작위 정렬을 유지할 수 없을 때까지 더 많이 진동합니다.

이 온도를 경화 온도라고합니다. 퀴리 온도 이상으로 강자성 물질은 상자성이됩니다.

반강자성 재료

반강자성 재료는 강자성 재료와 같은 스핀 정렬을 갖지만,강자성체는 원자 자기 모멘트를 같은 방향으로 정렬하는 반면,반강자성체는 자기 모멘트를 반대 방향으로 정렬한다.

즉,반강자성 모멘트는 서로 완벽하게 짝을 이루어 총 자력을 0 으로 만듭니다(이론적으로는,그러나 실제로는 결정 결함이 있으므로 모멘트는 서로 완벽하게 반대하지 않으므로 총 자기 모멘트는 0 보다 큽니다).

이 현상을”스핀 에너지 수퍼 익스체인지”라고합니다.”(수퍼 익스체인지는 또한 강자성 도메인이 어떻게 정렬되는지 설명하는 데 사용됩니다). 이것은 조금 복잡하고 양자 화학의 몇 가지 기본 지식에 의존하므로 접을 수있는 텍스트로 설명하겠습니다.

반강자성체의 수퍼 익스체인지에 대해 알아보려면 여기를 클릭하십시오.

반강자성체의 전형적인 예이다. 이오니아 세라믹에는 2 개의 전자를 훔치고 싶은 망간 2+이온이 있고,산소 2-2 개의 전자를 기증하고 싶습니다. 파울리 배제 원리로 인해,영형 2-스핀 업이있는 전자 1 개와 스핀 다운이있는 전자 1 개가 있어야합니다.

헌드의 법칙은 전자들이 먼저 같은 방향으로 회전하여 디 궤도를 채울 것이라고 말한다. 이후 미네소타 2+5 쌍이없는 전자 에 디 궤도,모든 5 전자는 동일해야합니다-그들이 스핀 업이라고 상상해 봅시다. 즉,6 번째와 7 번째 전자는 스핀 다운되어야합니다.

그래서,산소는-왼쪽에있는 망간 2+에 그 스핀 다운 전자를 기부해야합니다. 영소 2-하나의 스핀 업 전자가 남아 있으며,이는 오른쪽의 백만+에 기증됩니다. 하지만 제가 방금 사용한 것과 같은 추론은,만약 스핀업이 오른쪽으로 간다면,나머지 5 개의 전자는 스핀다운이 되어야 합니다.

암염 결정 구조를 갖는다. 간단한 입방 격자를 보면,각 백만 원자는 3 의 자기 모멘트를 가지고 있지만,다음 가장 가까운 백만 원자의 자기 모멘트와 반대 방향을 가리키고 있습니다. 따라서 모든 순간이 서로 취소됩니다.

강자성체가 퀴리 온도보다 높은 파라마그넷이 되는 것처럼,반강자성체는 엔 2000 년보다 높은 파라마그넷이 된다. 두 경우 모두 열 에너지는 슈퍼 교환을 극복 할 수있는 변동 및 임의성을 유발합니다.

당신이 슈퍼 익스체인지에 대한보다 정확하지만 매우 수학적 설명을 읽고 싶다면,당신은 앤더슨에 의해이 논문을 확인할 수 있습니다.

반강자성체에 대한 실용적인 자기 응용은 많지 않지만(본질적으로 비자성이기 때문에)자기 실험에서 기준점으로 사용할 수 있습니다. 그들은 또한 훌륭한 이론적 가치를 가지고 있으며 과학자들이 초전도체를 더 잘 이해하는 데 도움이 될 수 있습니다.

페리자성 물질

세라믹 냉장고 자석을 본 적이 있다면 아마도 페리자성이었을 것입니다. 페리자성 물질은 강자성 물질과 매우 유사하게 행동합니다. 그러나 페리마그넷은 반강자성체와 동일한 간접적 수퍼 익스체인지에 의해 작동합니다.

각 쌍의 자기 모멘트가 동일하기 때문에 앤트로마그넷은 서로 완전히 상쇄되지만,페리마그넷은 부분적 상쇄만을 갖는다. 즉,그들은 정말로 부분적인 자화를 가지고 있습니다.

각 자기 모멘트는 반대 방향으로 약한 자기 모멘트와 쌍을 이룹니다. 모든 강한 모멘트가 같은 방향으로 정렬되고 약한 모멘트가 반대 방향으로 정렬되기 때문에 강한 모멘트가 이기고 재료는 전반적인 자기 모멘트를 갖습니다.

알려진 가장 오래된 자성 물질인 페리마그넷이다. 이 물질은 사면체 부위에 철 3+와 철 2+및 철 3+둘 다 팔면체 간질 부위를 차지하는 역 스피넬 구조를 가지고 있습니다. 8 면체와 4 면체 부위의 철 3+는 서로 상쇄되지만 나머지 철 2+는 상쇄되지 않아 순 자기 모멘트로 이어집니다.

페리마그넷은 퀴리 온도를 갖는 것을 포함하여 강자성체와 거의 동일하게 행동합니다.

을 읽으려고 할 경우 종이에 의해 Néel,자신을 확인할 수 있습니다.

최종 생각

이제 5 가지 유형의 자성,자성이 존재하는 이유 및 각 종류의 자성 재료의 예에 대해 모두 알게되었습니다.

당신이 가기 전에,자기 모멘트가 각 종류의 재료에서 어떻게 행동하는지 기억하는 데 도움이되는이 편리한 차트를 살펴보십시오.

참고 문헌 및 추가 읽기

자기 히스테리시스에 대한 자세한 내용을 보려면 여기를 클릭하십시오. 자기 유도 비와 자화 미디엄 사이의 차이점을 알고 싶다면 이 기사를 읽으십시오.

자기 쌍극자의 기원 뒤에 더 많은 수학을 위해,나는 교수에 의해이 기사를 추천합니다.

자기 감수성에 대한 자세한 내용은,당신은 앨런 엘스터이 기사 또는 리처드 피츠 패트릭이 기사를 읽을 수 있습니다.

스피넬 구조에 대한 자세한 내용은 아 디트 야 바르 단이 기사를 추천합니다.

당신이 슈퍼 익스체인지에 대한보다 정확하지만 매우 수학적 설명을 읽고 싶다면,당신은 앤더슨에 의해이 논문을 확인할 수 있습니다.

양 외.의 종이,의 구조를 그립니다 3 이온 4,여기에서 찾을 수 있습니다.

다음은 강자성 및 반 강자성에 관한 엔 2011 년 논문 중 하나이다.

반강자성에 대해 더 알고 싶다면 캐서린 웰몬이 이 유용한 기사를 썼다.

브루스 모스코 위츠의이 페이지는 자석의 종류의 우수한 고장을 가지고. 그는 온도 의존성에 특별한 강조를 넣어,이는 정말이 문서에서 다루지 않았다.

당신이 자석에 사용되는 특정 재료에 대한 자세한 내용을 원한다면,버밍엄 대학은 하드 자석과 소프트 자석에 두 개의 우수한 기사를 개최하고 있습니다.