Magnetische materialen: soorten magnetisme, toepassingen en oorsprong van magnetisme-Materials Science & Engineering

ik heb het gevoel dat elke keer als ik iets over magnetisme te weten kom, ik me realiseer dat mijn eerdere begrip op de een of andere manier onjuist of te simplistisch was. Terwijl ik dit schrijf, ben ik klaar met mijn PhD-lessen, dus hopelijk ben ik klaar met het opnieuw leren van magnetische eigenschappen.

alle materialen hebben een bepaalde vorm van magnetisme. Elementen kunnen diamagnetisch, paramagnetisch of ferromagnetisch zijn. Verbindingen gemaakt van meerdere elementen kunnen ook ferrimagnetisch of antiferromagnetisch zijn.

In dit artikel wil ik u alles vertellen wat ik had willen leren over magnetische materialen, de eerste keer. Ik ga de dingen zo eenvoudig mogelijk maken zonder te simplificeren op zo ‘ n manier dat je iets moet afleren. Als u een doctoraat na te streven en op een dag uw kennis van magnetisme overschrijdt de mijne, ik hoop dat u niet hoeft af te leren wat je hier hebt gelezen.

dit gezegd zijnde, ben ik een materiaalwetenschapper die gespecialiseerd is in mechanische eigenschappen, niet in magnetische eigenschappen. Ik zal een korte achtergrond geven over magnetische velden en de kwantummechanische basis voor magnetisme, maar als je die details echt wilt, kun je het beter aan een natuurkundige vragen.

Wat is magnetisme?

“magnetisme” is een brede term die betrekking heeft op de helft van de elektromagnetische kracht. Je weet intuïtief wat een magneet is, dus je hebt een idee van de krachten van aantrekking en afstoting. De beste manier om magnetisme te beschrijven is met behulp van ” magnetische velden.”

magnetische velden zijn een onderwerp dat je misschien hebt geleerd op de middelbare school, maar misschien vergeten, dus hier is een snelle opfriscursus.

Klik hier voor meer informatie over magnetische velden.

magnetische velden werken net als elektrische velden. Er is een magnetische bron en spoelbak – we noemen deze de” Noordpool “en” zuidpool ” van een magneet.

magnetische veldlijnen reizen van de Noordpool naar de Zuidpool (of van de Zuidpool naar de Noordpool, je doet je).

elke noord-en zuidpool van een magneet moet ook zijn tegenovergestelde zijde hebben, maar veldlijnen kunnen zelfs van de ene magneet naar de andere reizen.

magnetische veldlijnen bestaan niet “echt”. Ze zijn een conceptueel hulpmiddel om ons te helpen magnetisch gedrag te begrijpen. De veldlijnen volgen potentiële energie.

in principe zou de magnetische noordpool zijn potentiële energie verminderen door zich dichter naar de Zuidpool te bewegen, als hij zich bewoog in de richting die door de veldlijnen wordt aangegeven. Een staafmagneet kan zijn noord-en Zuidpool niet dichter bij elkaar brengen, maar hij kan zijn noord-of Zuidpool richten op de zuid-of noordpool van een andere magneet.

ik weet zeker dat je dat wist, maar als je meerdere magneten hebt en complexe arrangementen van Noord-en Zuidpool, is het makkelijker om te overwegen hoe magnetische velden interageren. Dit is vooral handig bij het omgaan met het volledige elektromagnetisme, omdat elektriciteit ook magnetische velden kan genereren.Magnetische veldlijnen geven niet alleen de polariteit (Noord versus Zuid) van een magneet aan, maar ook de sterkte of flux van een magnetisch veld. Hoe dichter bij elkaar lijnen worden getrokken, hoe sterker het magnetische veld.

bijvoorbeeld, in de ruimte tussen deze atomen zijn de veldlijnen ruwweg gelijk verdeeld, zodat de magnetische flux ruwweg constant is. Dicht bij elke individuele pool zul je echter zien dat de veldlijnen heel dicht bij elkaar komen. Dit geeft aan dat de polen de sterkste magnetische kracht hebben.

met andere woorden, een object dat aangetrokken zou worden tot een zuidpool, zou, wanneer het ergens geplaatst zou worden, de veldlijnen volgen totdat het zijn minimale potentiële energie bereikte bij een van de zuidpool van de magneet.

Sorry als dat niet de beste verklaring was, er zijn hele universitaire klassen die elektrische en magnetische velden bespreken.

dus als je begrijpt wat een magnetisch veld is, dan is een” magnetisch materiaal ” een materiaal dat zijn potentiële energie vermindert door de veldlijnen te volgen. Met andere woorden, het zou worden aangetrokken tot een noord-of Zuidpool.

tenminste, zo gebruiken de meeste mensen het woord “magnetisch.”In werkelijkheid is elk atoom magnetisch. Er zijn echter verschillende soorten atomair magnetisme–en deze magnetische effecten worden nog ingewikkelder wanneer atomen worden gerangschikt in kristalstructuren.

als je gevorderd bent in je studie, Weet je misschien dat het type magnetisme dat aan magneten kleeft ferromagnetisme wordt genoemd.

als u echt geavanceerd bent, weet u misschien dat ferromagnetisme niet het enige soort magnetisch materiaal is. In feite zijn de meeste koelkastmagneten eigenlijk ferrimagnets.

wat uw huidige begrip van magnetische eigenschappen ook is, dit bericht zal beginnen bij de basis en het allemaal behandelen!

de oorsprong van magnetisme

voordat we ingaan op soorten magnetisme, moet ik de fundamentele oorsprong van magnetisme onderzoeken.

magnetisme is een kwantummechanisch effect dat gerelateerd is aan elektronenspin. Kwantummechanica is notoir moeilijk uit te leggen op een intuïtieve manier, maar Ik zal mijn best doen om dingen te vereenvoudigen zonder onwaarheden te presenteren.

Klik hier voor een uitleg van kwantumgetallen.

elk elektron in een atoom heeft een specifieke verzameling kwantumgetallen. Je hebt dit misschien geleerd op de middelbare school scheikunde.

het principe kwantumgetal, , beschrijft de elektronenschil. is de schil die het dichtst bij het atoom ligt. Onder de momenteel ontdekte elementen 7 is de maximumwaarde voor . Je kunt de maximale waarde voor n voor elk element zien door te zien welke rij het atoom op het periodiek systeem staat. Ijzer staat bijvoorbeeld in rij 4, dus kan 1, 2, 3 of 4 zijn.

het hoek – (of azimutale) kwantumgetal beschrijft de baan van het elektron. kan tussen 0 en zijn. is een s-orbitaal, is een p-orbitaal, is een d-orbitaal, is een f-orbitaal, is een G-orbitaal, enz. Een elektron in de 4e schil kan bijvoorbeeld 3 orbitalen hebben: en .

het magnetische kwantumgetal varieert van tot . Een elektron in de D-orbitaal kan bijvoorbeeld vijf waarden hebben van en .

het spinkwantumgetal, , kan slechts twee waarden hebben: omhoog of omlaag.

misschien is het spin-kwantumgetal wat magnetisme veroorzaakt. Volgens Hund ‘ s regel vullen de elektronen de gehele baan met dezelfde spin, en dan vullen ze de baan met de tegenovergestelde spin. Ijzer heeft bijvoorbeeld 6 (van de 10) elektronen in zijn buitenste d-suborbitaal. De eerste 5 elektronen zullen omhoog draaien, en de 6e zal omlaag draaien.

je kunt de elektronenconfiguratie gebruiken om te zien welke elektronen zich in de buitenste schil bevinden.

u kunt zoeken naar elektronenconfiguraties als u het vergeten bent, maar als een snelle opfriscursus worden elektronenconfiguraties geschreven door de kwantumnummers te labelen, in lijn met het periodiek systeem.

de elektronenconfiguratie voor ijzer is 1s22s22p63s23p64s23d6. Dus je kunt zien dat ijzer 6 elektronen heeft in de ongevulde d orbitaal. In steno kun je een back-up maken van het dichtstbijzijnde edelgas en het schrijven als 4s23d6. Co zou s23d7 zijn en Ga zou 4s23d104p1 zijn.

deze ongepaarde elektronen in elk atoom ijzer hebben een netto spin. Dit heet de Bohr magneton. Zoals u kunt zien aan deze berekening voor ijzer, ijzer heeft een theoretische Bohr magneton van 4. Elementen met volle of lege orbitalen hebben geen netto spin omdat elk “up spin” elektron gekoppeld is aan een” down spin ” elektron, en dus heeft het atoom een Bohr magneton van nul.

dit was een zeer hand-wavy argument; als u een meer rigoureuze wiskundige benadering wilt, kunt u dit uitstekende hoofdstuk over de oorsprong van magnetische dipolen bekijken.

zoals u in de volgende paragraaf zult zien, is er een concept genaamd “exchange interaction” dat de Bohr magneton relateert aan de magnetische eigenschappen van het materiaal. (Spoiler: bonding en elektronen delen verandert dingen een stuk).

welke eigenschap meet magnetisme?

wanneer u spreekt over de magnetische eigenschappen van een materiaal, hebt u het over hoe het materiaal reageert op een extern magnetisch veld. We noemen dit extern magnetisch veld H.

de optelling van alle magnetische momenten in een materiaal heet M. We kunnen ook B gebruiken, wat gelijkaardig is en vaker voorkomt, maar minder intuïtief (ik heb het verschil tussen B en M uitgelegd in dit artikel).

wat iets magnetisch maakt, is het feit dat B verandert als H verandert.

aangezien B een functie van H is, is er een helling tussen de twee. Die helling wordt magnetische permeabiliteit genoemd, is de permeabiliteit van vrije ruimte. Dat betekent dat als je een magnetisch veld in een vacuüm creëerde, van het vacuüm zou zijn.

een zeer vergelijkbare meting als permeabiliteit is gevoeligheid, vertegenwoordigd door . is de helling op de M-H curve, op dezelfde manier μ is de helling op de B-H curve. (Nogmaals, u kunt meer lezen over deze verschillen in dit artikel). De gevoeligheid van een vacuüm is 0.

we kunnen ook relatieve permeabiliteit definiëren, wat gewoon de verhouding is tussen de permeabiliteit van het materiaal en de permeabiliteit van de vrije ruimte.

soorten magnetische materialen

magnetische materialen worden gedefinieerd door hun reactie op een extern veld (met andere woorden hun permeabiliteit).

er zijn drie belangrijke soorten magnetische materialen: ferromagnetisch, paramagnetisch en diamagnetisch. Ik zal ook de andere twee typen behandelen: ferrimagnetisch en antiferromagnetisch.

Diamagneten hebben een relatieve permeabiliteit van iets minder dan één. Paramagnets hebben een relatieve permeabiliteit iets groter dan 1. Antiferromagnets hebben een relatieve permeabiliteit bijna precies gelijk aan 1. Ferromagnets en ferrimagnets hebben een zeer grote, niet-lineaire relatieve permeabiliteit.

diamagnetisme

alle materialen hebben diamagnetisme. Diamagnetisme is een afstotende eigenschap die voortvloeit uit de wet van Lenz.De wet van Lenz zegt dat het creëren van een magnetisch veld elektronen zal bewegen. Bewegende elektronen creëren ook een magnetisch veld, en het nieuw gecreëerde magnetische veld zal zich verzetten tegen het oorspronkelijke.

dit geldt zelfs voor elektronen op een atoom. Voor elk materiaal zal het blootstellen van het materiaal aan een magnetisch veld ervoor zorgen dat de elektronen in het atoom bewegen op een manier die een klein magnetisch veld in de tegenovergestelde richting creëert.

volgens deze logica moeten alle materialen worden afgestoten door een magnetisch veld, ongeacht de richting van het magnetisch veld. Deze afstoting is echter zo klein dat het zeer gespecialiseerde apparatuur vereist om te meten.Diamagnetische materialen hebben een Bohr magneton van nul, dus diamagnetisme is het enige magnetische effect dat ze ervaren. Alle materialen hebben diamagnetisme, maar andere vormen van magnetisme zijn sterker, dus materialen die ook een ander soort magnetisme hebben worden gecategoriseerd door hun sterkste type.

voorbeelden van diamagnetische metalen met (relatieve) magnetische Permeabiliteitswaarden:

• koper (Cu): µr = 0,99999
• kwik (Hg): µr = 0,99997
• Bismut (Bi): µr = 0,99984 – sterkste diamagnetische eigenschappen

andere diamagnetische metalen:

• Zink (Zn)
• Magnesium (Mg)
• Goud (Au)

Voorbeelden van Diamagnetic Materialen Die Niet Metalen:

• Silicium (Si)
• Fosfor (P)
• Water
• Grafiet
• DNA en andere eiwitten

de Relatie tussen B (magnetische flux dichtheid) en H (magnetische veldsterkte):

Paramagnetism

Diamagnetism is een zwakke uitlijning tegen een toegepaste magnetische veld, dus paramagnetism is een zwakke uitlijning met een toegepaste magnetische veld. Er zijn een paar soorten paramagnetisme (zie dit artikel voor meer), maar het netto effect is hetzelfde: de elektronen creëren een magnetisch veld dat uitlijnt met het externe veld.

in sommige metalen kunnen deze elektronen, afhankelijk van de kwantummechanische effecten, een sterker diamagnetisch effect hebben naast het paramagnetisch effect. Atomen zoals Cu of Ag ervaren in wezen 2 soorten diamagnetisme en 1 soort paramagnetisme, dus de elementen zijn totaal diamagnetisch.

op de middelbare school heb je misschien geleerd om gewoon de Bohr magneton te berekenen en te verklaren dat elementen met diamagnetisch waren en alle andere paramagnetisch; helaas zijn real-life kwantummechanica niet zo eenvoudig en je bent beter af om op te zoeken welk soort magnetisme een materiaal heeft (maak je geen zorgen, Ik heb een grafiek later in het artikel).

voorbeelden van Paramagnetica met (relatieve) magnetische Permeabiliteitswaarden:

• Platinium (Pt): µr = 1,00027
• aluminium (Al): µr = 1,0000196
• lucht µr = 1.00000037

Andere Voorbeelden van Paramagnetische Materialen:

• Natrium (Na)
• Tin (Sn)
• Zuurstof (O2)
• Waterstof (H2)

Relatie tussen B (magnetische flux dichtheid) en H (magnetische veldsterkte):

Ferromagnetism

Ferromagnetische materialen zal ook de ervaring van paramagnetische en diamagnetic effecten, maar de ferromagnetische effect is veel groter dan deze effecten. Ferromagnetisme komt voort uit wisselkoppeling die de vorming van magnetische domeinen veroorzaakt.

domeinen zijn gebieden waar alle atomen hun magnetisch moment in dezelfde richting bijdragen.

zoals bij een aantal van mijn verklaringen, kan ik helaas geen intuïtiever antwoord geven dan

er is iets genaamd het Beth-Slater model dat ferromagnetisme voorspelt gebaseerd op atomaire ruimte en elektronen in de D-orbitaal.

volgens dit model is kobalt eigenlijk het meest ferromagnetische metaal.Afgezien van de kwantummechanica is het idee van domeinen eigenlijk niet al te moeilijk te begrijpen, als je bereid bent om hun bestaan op geloof te accepteren. Domeinen zijn gebieden van het materiaal waar alle atomen’ momenten uitlijnen in dezelfde richting.

verschillende domeinen, echter, zijn willekeurig georiënteerd op het eerste. Maar als je een extern magnetisch veld introduceert, komt elk domein overeen met dat veld en produceert het zijn eigen magnetisch veld. Zelfs nadat u het externe veld verwijdert, versterken alle domeinen elkaar en behoudt het materiaal zijn magnetisch veld.

dit creëert een eigenschap genaamd magnetische hysteresis, waarover u hier alles kunt lezen.

het is mogelijk het inwendig gecreëerde magnetische veld te verwijderen door de temperatuur van de ferromagnet te verhogen. Naarmate de temperatuur stijgt, trillen de atomen (en domeinen) meer totdat de uitwisseling koppeling ophoudt en de domeinen niet langer hun niet-willekeurige uitlijning kunnen handhaven.

deze temperatuur wordt de uithardingstemperatuur genoemd. Boven de Curie temperatuur worden ferromagnetische materialen paramagnetisch.

Antiferromagnetische materialen

Antiferromagnetische materialen hebben spin-uitlijning zoals ferromagnetische materialen; hoewel ferromagnets atomaire magnetische momenten in dezelfde richting uitlijnen, richten antiferromagnets de magnetische momenten in tegengestelde richtingen uit.

met andere woorden, antiferromagnets momenten zijn perfect op elkaar afgestemd, wat leidt tot 0 Totaal magnetisme (in theorie, maar in de praktijk zijn er kristaldefecten, zodat de momenten niet perfect tegen elkaar ingaan, zodat het totale magnetische moment groter is dan 0).

dit fenomeen wordt “spin energy superexchange” genoemd.”(Superexchange wordt ook gebruikt om te beschrijven hoe ferromagnetische domeinen uitlijnen). Dit is een beetje ingewikkeld en steunt op kennis van een paar basisprincipes van kwantumchemie, dus laat me het uitleggen in inklapbare tekst.

Klik hier voor meer informatie over superexchange in antiferromagnets.

MnO is het klassieke voorbeeld van een antiferromagnet. De Ionische keramiek heeft Mn2 + ionen die graag 2 elektronen willen stelen, en O2-wil graag 2 elektronen afstaan. Vanwege het Pauli – uitsluitingsprincipe moet O2-1 elektron met spin-up en 1 elektron met spin-down hebben.

de regel van Hund stelt dat de elektronen eerst de D-orbitaal vullen met spins in dezelfde richting. Aangezien Mn2+ 5 ongepaarde elektronen in de D-baan heeft, moeten alle 5 elektronen hetzelfde zijn-stel je voor dat ze spin-up zijn. Dat betekent dat de 6e en 7e elektronen naar beneden moeten draaien.

dus het O2-moet zijn spin-down elektron doneren aan het MN2+ links. O2-heeft nog een spin-up elektron over, die wordt gedoneerd aan de MN2+ aan de rechterkant. Maar dezelfde redenering die ik net gebruikte, als de spin naar rechts gaat, moeten de andere 5 elektronen naar beneden draaien.

MnO heeft een rotszoutkristalstructuur. Als je naar het eenvoudige kubieke rooster kijkt, heeft elk Mn-atoom een magnetisch moment van 3, maar wijst in de tegenovergestelde richting als het magnetisch moment van het dichtstbijzijnde Mn-atoom. Dus, alle momenten annuleren elkaar.

zoals ferromagnets paramagnets worden boven de Curie temperatuur, worden antiferromagnets paramagnets boven de Néel temperatuur. In beide gevallen veroorzaakt de thermische energie fluctuaties en willekeur die de superexchange kunnen overwinnen.

als u een nauwkeuriger maar zeer wiskundige beschrijving van superexchange wilt lezen, kunt u deze paper van Anderson bekijken.

er zijn niet veel praktische magnetische toepassingen voor antiferromagnets (omdat ze in wezen niet-magnetisch zijn), maar ze kunnen als referentiepunt worden gebruikt in magnetische experimenten. Ze hebben ook een grote theoretische waarde en kunnen wetenschappers helpen om supergeleiders beter te begrijpen.

Ferrimagnetische materialen

Als u ooit een keramische koelkastmagneet hebt gezien, was dat waarschijnlijk een ferrimagnet. Ferrimagnetische materialen gedragen zich zeer vergelijkbaar met ferromagnetische materialen. Ferrimagnets werken echter door dezelfde indirecte superexchange als antiferromagnetten.Terwijl antferromagnets elkaar volledig opheffen omdat elk paar magnetische momenten gelijk zijn, hebben ferrimagnets slechts een gedeeltelijke annulering. Wat betekent dat ze gedeeltelijk gemagnetiseerd zijn.

elk magnetisch moment is gekoppeld aan een zwakker magnetisch moment in de tegenovergestelde richting. Aangezien alle sterke momenten in dezelfde richting liggen en de zwakke momenten in de tegenovergestelde richting liggen, winnen de sterke momenten en heeft het materiaal een overall magnetisch moment.Fe3O4, het oudste bekende magnetische materiaal,is een ferrimagnet. Dit materiaal heeft een omgekeerde spinelstructuur met Fe3 + op tetraëdrische sites, en Fe2 + en Fe3+ die beide octaëdrische interstitiële sites bezetten. De Fe3 + in de octraëdrische en tetraëdrische sites heffen elkaar op, maar de resterende Fe2+ niet, wat leidt tot een net magnetisch moment.

Ferrimagnets gedragen zich vrijwel identiek aan ferromagnets, inclusief een Curie temperatuur.

als u een artikel van Néel zelf wilt lezen, kunt u deze lezen.

laatste gedachten

nu weet u van alle 5 soorten magnetisme, waarom magnetisme bestaat, en voorbeelden van elk soort magnetisch materiaal.

voordat u gaat, neem een kijkje op deze handige grafiek die u zal helpen herinneren hoe de magnetische momenten zich gedragen in elk soort materiaal.

referenties en verdere lezing

Klik hier voor meer informatie over magnetische hysterese. Als u het verschil wilt weten tussen magnetische inductie B en Magnetisatie M, lees dan dit artikel.

voor meer wiskunde achter de oorsprong van magnetische dipolen, adviseer ik dit artikel van Professor Föll.

voor meer informatie over magnetische gevoeligheid kunt u dit artikel van Alan Elster of dit artikel van Richard Fitzpatrick lezen.

voor meer informatie over de spinell structuur, adviseer ik dit artikel van Aditya vardhan.

als u een nauwkeuriger maar zeer wiskundige beschrijving van superexchange wilt lezen, kunt u deze paper van Anderson bekijken.

Yang et al.het papier, dat de structuur van Fe3O4 tekent, is hier te vinden.

hier is een artikel van Néel over ferromagnetisme en antiferromagnetisme.

Als u meer wilt weten over antiferromagnetisme, heeft Katherine Wellmon dit nuttige artikel geschreven.

deze pagina van Bruce Moscowitz heeft een uitstekende uitsplitsing van soorten magneten. Hij legde speciale nadruk op temperatuurafhankelijkheid, die ik in dit artikel niet echt behandelde.

als u meer wilt weten over specifieke materialen die voor magneten worden gebruikt, kunt u op de Universiteit van Birmingham twee uitstekende artikelen vinden over harde en zachte magneten.