Magnetiske Materialer: Typer Magnetisme, Applikasjoner Og Opprinnelse Av Magnetisme-Materialvitenskap Og Ingeniørfag

jeg føler at hver gang jeg lærer noe om magnetisme, innser jeg at min tidligere forståelse var noe feil eller forenklet. Når jeg skriver dette, har jeg fullført Doktorgradskursene mine, så forhåpentligvis er jeg ferdig med å lære magnetiske egenskaper.

alle materialer har noen form for magnetisme. Elementer kan være diamagnetiske, paramagnetiske eller ferromagnetiske. Forbindelser laget av flere elementer kan også være ferrimagnetiske eller antiferromagnetiske.

I denne artikkelen vil jeg fortelle deg alt jeg skulle ønske jeg hadde lært om magnetiske materialer, første gang. Jeg skal gjøre ting så enkelt som mulig uten å forenkle på en slik måte at du må unlearn noe. Hvis du forfølge En PhD og en dag din kunnskap om magnetisme overgår min, håper jeg at du ikke trenger å avlære noe som du har lest her.

Når det er sagt, er jeg en materialforsker som spesialiserer seg på mekaniske egenskaper, ikke magnetiske egenskaper. Jeg gir en kort bakgrunn på magnetfelt og kvantemekanisk grunnlag for magnetisme, men hvis du virkelig vil ha disse detaljene, er det bedre å spørre en fysiker.

Hva Er Magnetisme?

“Magnetisme” er et vidt begrep som gjelder halvparten av den elektromagnetiske kraften. Du vet intuitivt hva en magnet er, så du har en ide om tiltrengningskrefter og avstøtning. Den beste måten å beskrive magnetisme er ved hjelp av ” magnetfelt.”

Magnetfelt Er et emne som du kanskje har lært i videregående skole, men muligens glemte, så her er en rask oppfriskning.

Klikk her for å lære om magnetfelt.

Magnetiske felt fungerer akkurat som elektriske felt. Det er en magnetisk kilde og vask – vi kaller disse” nordpolen “og” sørpolen ” av en magnet.

Magnetiske feltlinjer går fra nordpolen til sørpolen (eller fra sørpolen til nordpolen, gjør du deg).

Hver nord-og sørpol av en magnet må også ha motsatt side, men feltlinjer kan til og med reise fra en magnet til en annen.

Magnetiske feltlinjer eksisterer ikke “egentlig”. De er et konseptuelt verktøy for å hjelpe oss å forstå magnetisk oppførsel. Feltlinjene sporer potensiell energi.

I Utgangspunktet ville den nordmagnetiske polen redusere sin potensielle energi ved å bevege seg nærmere sørpolen, hvis den beveget seg i retningen angitt av feltlinjene. En stangmagnet kan ikke bringe nord-og sørpolen nærmere hverandre, men den kan justere nord-eller sørpolen til en annen magnets sør-eller nordpol.

jeg er sikker på at du visste det, men når du har flere magneter og komplekse arrangementer av nord-og sørpolen, er det lettere å bare vurdere hvordan magnetfeltene samhandler. Dette er spesielt nyttig når det gjelder full elektromagnetisme, fordi elektrisitet også kan generere magnetfelt.

ikke bare angir magnetfeltlinjer polariteten (nord mot sør) til en magnet, de indikerer også styrken eller fluxen til et magnetfelt. Jo nærmere sammen linjer trekkes, jo sterkere magnetfeltet.

for eksempel, i rommet mellom disse atomene, er feltlinjene omtrent like fordelt, så den magnetiske fluxen er omtrent konstant. I nærheten av en enkelt pol vil du imidlertid se at feltlinjene kommer veldig tett sammen. Dette indikerer at polene har den sterkeste magnetiske kraften.

med andre ord, et objekt som ville bli tiltrukket av en sørpol, når det ble plassert hvor som helst, ville følge feltlinjene til den nådde sin minste potensielle energi ved en av magnetens sørpoler.

Beklager Hvis det ikke var den beste forklaringen, er det hele universitetsklasser som diskuterer elektriske og magnetiske felt.

så hvis du forstår hva et magnetfelt er, vil et “magnetisk materiale” være et materiale som reduserer sin potensielle energi ved å følge feltlinjene. Med andre ord, det ville bli tiltrukket av en nord eller sørpolen.

minst, Det er Hvordan folk flest bruker ordet “magnetisk.”I virkeligheten er hvert atom magnetisk. Imidlertid er det forskjellige typer atommagnetisme–og disse magnetiske effektene blir enda mer kompliserte når atomer er arrangert i krystallstrukturer.

hvis du er avansert i studiene, kan du kanskje vite at typen magnetisme som stikker til magneter kalles ferromagnetisme.

hvis du er veldig avansert, kan du kanskje vite at ferromagnetisme ikke er den eneste typen magnetisk materiale. De fleste kjøleskapsmagneter er ferrimagneter.

Uansett din nåværende forståelse av magnetiske egenskaper, vil dette innlegget begynne på det grunnleggende og dekke alt!

Opprinnelsen Til Magnetisme

Før vi dykker inn i typer magnetisme, må jeg ta opp den grunnleggende opprinnelsen til magnetisme.

Magnetisme Er en kvantemekanisk effekt som er relatert til elektronspinn. Kvantemekanikk er notorisk vanskelig å forklare på en intuitiv måte, men jeg vil gjøre mitt beste for å forenkle ting uten å presentere løgner.

Klikk her for en forklaring På Kvante Tall.

Hver elektron i et atom har et bestemt sett med kvante tall. Du har kanskje lært dette i videregående kjemi.

prinsippet kvantetall, , beskriver elektronskallet. er det nærmeste skallet til atomet. Blant nåværende oppdagede elementer 7 er maksimumsverdien for . Du kan se maksimumsverdien for n for ethvert element ved å se hvilken rad atomet er på det periodiske bordet. For eksempel er jern i rad 4, så kan være 1, 2, 3 eller 4.

det vinkelformede (eller azimutale) kvantetallet, , beskriver elektron-orbitalet. kan være mellom 0 og . er en s-orbital, er en p-orbital, er en d-orbital, er en f-orbital, er en g-orbital, etc. For eksempel kan et elektron i det 4. skallet ha 3 orbitaler: og .

det magnetiske kvantetallet, , varierer fra til . For eksempel kan et elektron i d-orbitalet ha fem verdier på og .

spinnkvantumnummeret, , kan bare ha to verdier: opp eller ned.

kanskje misvisende er spinnkvantumnummeret det som gir opphav til magnetisme. Ifølge Hunds regel fyller elektronene hele orbitalet med samme spinn, og fyller deretter orbitalet med motsatt spinn. For eksempel har jern 6 (av 10) elektroner i sin ytre d suborbital. De første 5 elektronene vil spinne opp, og den 6. vil spinne ned.

du kan bruke elektronkonfigurasjonen til å fortelle hvilke elektroner som er i ytre skallet.

du kan søke om elektronkonfigurasjoner hvis du har glemt, men som en rask oppfriskning skrives elektronkonfigurasjoner ved å merke kvantumnumrene, som går i linje med det periodiske bordet.

elektronkonfigurasjonen for jern er 1s22s22p63s23p64s23d6. Så du kan se at jern har 6 elektroner i den ufylte d-orbitalen. I stenografi kan du sikkerhetskopiere til nærmeste edelgass og skrive den som 4s23d6. Co ville være s23d7, Og Ga ville være 4s23d104p1.

disse uparede elektronene i hvert atom av jern har en netto spinn. Dette kalles Bohr magneton. Som du kan se fra denne beregningen for jern, har jern en teoretisk bohr magneton av 4. Elementer med fulle eller tomme orbitaler har ingen netto spinn fordi hver” opp spinn “elektron er parret med en” ned spinn ” elektron, og dermed har atomet En Bohr magneton på null.

Dette var et veldig håndbølget argument; hvis du vil ha en strengere matematisk tilnærming, kan du sjekke ut dette utmerkede kapittelet om opprinnelsen til magnetiske dipoler.

som du vil se i neste avsnitt, er det et konsept kalt “utvekslingsinteraksjon” som relaterer Bohr-magnetonen til materialets magnetiske egenskaper. (Spoiler: bonding og electron sharing endrer ting mye).

Hvilken Egenskap Måler Magnetisme?

når du snakker om de magnetiske egenskapene til et materiale, snakker du om hvordan materialet reagerer på et eksternt magnetfelt. Vi kaller dette eksterne magnetfeltet H.

tilsetningen av alle magnetiske øyeblikk i et materiale kalles M. Vi kan også bruke B, som er lik Og mer vanlig ,men mindre intuitiv (jeg har forklart forskjellen Mellom B og M i denne artikkelen).

så i utgangspunktet, det som gjør noe magnetisk er det faktum At B endres Når H endres.

Siden B er en Funksjon Av H, er det en skråning mellom de to. Den skråningen kalles magnetisk permeabilitet, er permeabiliteten av ledig plass. Det betyr at hvis du opprettet et magnetfelt i vakuum, vil av vakuumet være .

en svært lik måling til permeabilitet er følsomhet, representert ved. er hellingen på M-H-kurven, på samme måte som μ er hellingen på B-H-kurven. (Igjen, du kan lese mer om disse forskjellene i denne artikkelen). Følsomheten til et vakuum er 0.

Vi kan også definere relativ permeabilitet, som bare er forholdet mellom materialets permeabilitet og permeabiliteten av ledig plass.

Typer Magnetiske Materialer

Magnetiske materialer er definert av deres respons på et eksternt felt (med andre ord deres permeabilitet).

det er 3 hovedtyper av magnetiske materialer: ferromagnetisk, paramagnetisk og diamagnetisk. Jeg vil også dekke de to andre typene: ferrimagnetisk og antiferromagnetisk.

Diamagneter har en relativ permeabilitet litt mindre enn en. Paramagneter har en relativ permeabilitet litt større enn 1. Antiferromagneter har en relativ permeabilitet nesten nøyaktig lik 1. Ferromagneter og ferrimagneter har en veldig stor, ikke-lineær relativ permeabilitet.

Diamagnetisme

alle materialer har diamagnetisme. Diamagnetisme er en avstøtende egenskap som oppstår Fra Lenzs lov.

Lenzs lov sier at å skape et magnetfelt vil flytte elektroner. Bevegelige elektroner skaper også et magnetfelt, og det nyopprettede magnetfeltet vil motsette seg den opprinnelige.

dette gjelder selv for elektroner på et atom. For ethvert materiale vil eksponering av materialet til et magnetfelt føre til at elektronene i atomet beveger seg på en måte som skaper et lite magnetfelt i motsatt retning.

ved denne logikken skal alle materialer avstøtes av et magnetfelt, uavhengig av magnetfeltets retning. Denne avstøtningen er imidlertid så liten at det krever svært spesialisert utstyr å måle.

Diamagnetiske materialer har En Bohr-magneton på null, så diamagnetisme er den eneste magnetiske effekten de opplever. Alle materialer har diamagnetisme, men andre former for magnetisme er sterkere, så materialer som også har en annen form for magnetisme er kategorisert etter deres sterkeste type.

Eksempler På Diamagnetiske Metaller med (Relative) Magnetiske Permeabilitetsverdier:

• Kobber ( Cu): µ = 0.99999
• Merkur (hg): µ = 0.99997
• Vismut (Bi): µ = 0.99984-sterkeste diamagnetiske egenskaper

Andre Diamagnetiske Metaller:

• Sink (Zn)
• Magnesium (Mg)
• Gull (Au)

Eksempler På Diamagnetiske Materialer Som Ikke Er Metaller:

• Silisium (Si)
• Fosfor (P)
• Vann
• Grafitt
• DNA OG andre proteiner

Forholdet Mellom b (magnetisk tetthet flux) Og H (magnetisk feltstyrke):

Paramagnetisme

Diamagnetisme Er en svak justering mot et påført magnetfelt, så paramagnetisme er en svak justering med et påført magnetfelt. Det finnes noen typer paramagnetisme (se denne artikkelen for mer), men nettoeffekten er den samme: elektronene lager et magnetfelt som justerer seg med det eksterne feltet.

i noen metaller, avhengig av kvantemekaniske effekter, kan disse elektronene faktisk oppleve en sterkere diamagnetisk effekt i tillegg til den paramagnetiske effekten. Atomer som Cu Eller Ag opplever i hovedsak 2 typer diamagnetisme og 1 slags paramagnetisme, så elementene er generelle diamagnetiske.

i videregående skole kan du ha blitt lært å bare beregne Bohr-magnetonen og erklære at elementer med var diamagnetiske og alle andre var paramagnetiske; dessverre er kvantemekanikken i virkeligheten ikke så enkel, og du er bedre å se opp hvilken type magnetisme et materiale har (ikke bekymre deg, jeg har et diagram senere i artikkelen).

Eksempler På Paramagnetikk med (Relative) Magnetiske Permeabilitetsverdier:

• platinium (Pt): µ = 1.00027
• Aluminium (Al): µ = 1.0000196
• luft µ = 1.00000037

Andre Eksempler På Paramagnetiske Materialer:

• Natrium (Na)
• Tinn (Sn)
• Oksygen (O2)
• Hydrogen (H2)

Forholdet Mellom b (magnetisk tetthet flux) Og H (magnetisk feltstyrke):

Ferromagnetisme

Ferromagnetiske materialer vil også oppleve paramagnetiske og diamagnetiske effekter, men den ferromagnetiske effekten er mye større enn disse effektene.

Ferromagnetisme oppstår fra utvekslingskobling som forårsaker dannelsen av magnetiske domener.

Domener er regioner der alle atomene bidrar med sitt magnetiske øyeblikk i samme retning.

som med flere av mine forklaringer, kan jeg dessverre ikke gi et mer intuitivt svar enn

Det er noe som kalles Beth-Slater-modellen som forutsier ferromagnetisme basert på atomavstand og elektroner i d-orbitalet.

Ifølge Denne modellen Er Kobolt faktisk det mest ferromagnetiske metallet.

Kvantemekanikk til side, ideen om domener er faktisk ikke så vanskelig å forstå, hvis du er villig til å akseptere deres eksistens på tro. Domener er områder av materialet der alle atomenes øyeblikk justeres i samme retning.

Ulike domener er imidlertid tilfeldig orientert først. Men når du introduserer et eksternt magnetfelt, justerer hvert domene med det feltet og produserer sitt eget magnetfelt. Selv etter at du har fjernet det eksterne feltet, forsterker alle domenene hverandre og materialet opprettholder sitt magnetfelt.

dette skaper en egenskap som heter magnetisk hysterese, som du kan lese alt om her.

det er mulig å fjerne det internt opprettede magnetfeltet ved å øke temperaturen på ferromagnet. Etter hvert som temperaturen øker, vibrerer atomene (og domenene) mer til utvekslingskoblingen opphører, og domenene kan ikke lenger opprettholde sin ikke-tilfeldige justering.

denne temperaturen kalles Herdetemperaturen. Over Curie-temperaturen blir ferromagnetiske materialer paramagnetiske.

Antiferromagnetiske Materialer

Antiferromagnetiske materialer har spinnjustering som ferromagnetiske materialer; mens ferromagneter justerer atommagnetiske øyeblikk i samme retning, justerer antiferromagneter de magnetiske øyeblikkene i motsatt retning.

med andre ord, antiferromagnets øyeblikk passer perfekt sammen mot hverandre, noe som fører til 0 total magnetisme (i teorien, men i praksis er det krystallfeil, slik at øyeblikkene ikke er helt motsatte hverandre, så det totale magnetiske øyeblikket er større enn 0).

dette fenomenet kalles ” spin energy superexchange.”(Superexchange brukes også til å beskrive hvordan ferromagnetiske domener justeres). Dette er litt komplisert og er avhengig av kunnskap om noen grunnleggende kvantekjemi, så la meg forklare i collapsable text.

Klikk her for å lære om superexchange i antiferromagneter.

MnO er det klassiske eksempelet på en antiferromagnet. Den ioniske keramikken har Mn2 + ioner som ønsker å stjele 2 elektroner, Og O2 – ønsker å donere 2 elektroner. På Grunn Av paulis eksklusjonsprinsipp Må O2-ha 1 elektron med spinn opp og ett elektron med spinn ned.

Hunds regel sier at elektronene vil fylle d-orbitalet med spinn i samme retning først. Siden Mn2 + har 5 uparede elektroner i d-orbitalet, må alle 5 elektroner være de samme-la oss forestille oss at de spinner opp. Det betyr at 6. og 7. elektroner må spinnes ned.

Så, O2-må donere sin spinn ned elektron Til Mn2+ til venstre. O2-har en spinn opp elektron igjen, som blir donert Til Mn2+ til høyre. Men den samme resonnementet jeg bare brukte, hvis spinnet går til høyre, må de andre 5 elektronene spinne ned.

MnO har en stein salt krystallstruktur. Hvis du ser på det enkle kubiske gitteret, har hvert mn-atom et magnetisk øyeblikk på 3, men peker i motsatt retning som det magnetiske øyeblikket til neste nærmeste mn-atom. Dermed avbryter alle øyeblikkene hverandre.

på samme måte som ferromagneter blir paramagneter over Curie-temperaturen, blir antiferromagneter paramagneter over né-temperaturen. I begge tilfeller forårsaker termisk energi svingninger og tilfeldighet som kan overvinne superexchange.

hvis du vil lese en mer nøyaktig, men veldig matematisk beskrivelse av superexchange, kan du sjekke Ut dette papiret Av Anderson.

det er ikke mange praktiske magnetiske applikasjoner for antiferromagneter (siden de er i hovedsak ikke-magnetiske), men de kan brukes som referansepunkt i magnetiske eksperimenter. De har også stor teoretisk verdi og kan hjelpe forskere til å forstå superledere bedre.

Ferrimagnetiske Materialer

hvis du noen gang har sett en keramisk kjøleskapmagnet, var det sannsynligvis en ferrimagnet. Ferrimagnetiske materialer oppfører seg veldig likt ferromagnetiske materialer. Ferrimagnets fungerer imidlertid med samme indirekte superexchange som antiferromagnetts.

mens antferromagnets helt avbryter hverandre fordi hvert par magnetiske øyeblikk er like, har ferrimagnets bare delvis kansellering. Det betyr at de virkelig har delvis magnetisering.

hvert magnetisk moment er parret med et svakere magnetisk moment i motsatt retning. Siden alle de sterke øyeblikkene går i samme retning og de svake øyeblikkene går i motsatt retning, vinner de sterke øyeblikkene og materialet har et samlet magnetisk øyeblikk.

Fe3O4, det eldste kjente magnetiske materialet, er en ferrimagnet. Dette materialet har en invers spinellstruktur Med Fe3 + på tetrahedrale steder, Og Fe2 + Og Fe3 + begge opptar oktaediske interstitiale steder. Fe3+ i octrahedral og tetrahedral-områdene avbryter hverandre, men de resterende Fe2+ avbryter ikke, noe som fører til et nettmagnetisk øyeblikk.

Ferrimagneter oppfører seg ganske mye identisk med ferromagneter, inkludert Å ha En Curie-temperatur.

hvis Du vil lese en oppgave Av Né selv, kan du sjekke ut denne.

Final Thoughts

nå vet du om alle 5 typer magnetisme, hvorfor magnetisme eksisterer, og eksempler på hver type magnetisk materiale.

Før du går, ta en titt på dette praktiske diagrammet som vil hjelpe deg å huske hvordan de magnetiske øyeblikkene oppfører seg i hver type materiale.

Referanser Og Videre Lesing

Klikk her for å lære mer om magnetisk hysterese. Hvis du vil vite forskjellen mellom magnetisk induksjon B og magnetisering M, les denne artikkelen.

for mer matte bak opprinnelsen til magnetiske dipoler, anbefaler Jeg Denne artikkelen Av Professor Fö.

for mer om magnetisk følsomhet, kan du lese Denne artikkelen Av Alan Elster eller Denne artikkelen Av Richard Fitzpatrick.

for mer om spinell-strukturen, anbefaler Jeg Denne artikkelen Av Aditya vardhan.

hvis du vil lese en mer nøyaktig, men veldig matematisk beskrivelse av superexchange, kan du sjekke Ut dette papiret Av Anderson.

Yang et al.s papir, som trekker strukturen Til Fe3O4, finner du her.

Her er En Av N ④els artikler om ferromagnetisme og antiferromagnetisme.

Hvis Du vil lære mer om antiferromagnetisme, Skrev Katherine Wellmon denne nyttige artikkelen.

Denne siden Av Bruce Moscowitz har en utmerket oversikt over typer magneter. Han la særlig vekt på temperaturavhengighet, som jeg egentlig ikke dekket i denne artikkelen.

Hvis Du vil lære mer om spesifikke materialer som brukes til magneter, er Universitetet i Birmingham vert for to gode artikler om harde magneter og myke magneter.