Materiały magnetyczne: rodzaje magnetyzmu, zastosowania i pochodzenie magnetyzmu-Materials Science & Engineering

czuję, że za każdym razem, gdy dowiaduję się czegoś o magnetyzmie, zdaję sobie sprawę, że moje wcześniejsze zrozumienie było w jakiś sposób niepoprawne lub zbyt uproszczone. Kiedy to piszę, skończyłem studia doktoranckie, więc mam nadzieję, że skończyłem ponownie uczyć się właściwości magnetycznych.

wszystkie materiały mają jakąś formę magnetyzmu. Elementy mogą być diamagnetyczne, paramagnetyczne lub ferromagnetyczne. Związki złożone z wielu pierwiastków mogą być również ferrimagnetyczne lub antyferromagnetyczne.

w tym artykule chcę powiedzieć wszystko, czego żałuję, że nie dowiedziałem się o materiałach magnetycznych, za pierwszym razem. Zamierzam zrobić wszystko tak proste, jak to możliwe, bez upraszczania w taki sposób, że będziesz musiał się czegoś oduczyć. Jeśli studiujesz Doktorat i pewnego dnia Twoja wiedza na temat magnetyzmu przekroczy moją, mam nadzieję, że nie będziesz musiał oduczyć się niczego, co tutaj przeczytałeś.

to powiedziawszy, jestem naukowcem od materiałów, który specjalizuje się w właściwościach mechanicznych, a nie magnetycznych. Podam krótkie tło na temat pól magnetycznych i mechaniki kwantowej podstawy magnetyzmu, ale jeśli naprawdę chcesz tych szczegółów, lepiej Zapytaj fizyka.

czym jest magnetyzm?

“magnetyzm” to szerokie określenie, które odnosi się do połowy siły elektromagnetycznej. Intuicyjnie wiesz, czym jest magnes, więc masz pojęcie o siłach przyciągania i odpychania. Najlepszym sposobem opisania magnetyzmu jest użycie “pola magnetycznego.”

pola magnetyczne to temat, którego być może nauczyłeś się w liceum, ale o którym prawdopodobnie zapomniałeś, więc oto szybkie odświeżenie.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o polach magnetycznych .

pola magnetyczne działają jak pola elektryczne. Istnieje źródło magnetyczne i zlew – nazywamy je” biegunem północnym “i” biegunem południowym ” magnesu.

linie pola magnetycznego poruszają się z Bieguna Północnego na Biegun Południowy (lub z bieguna południowego na Biegun Północny, robisz to).

każdy północny i południowy biegun magnesu musi mieć swoją przeciwną stronę, ale linie pola mogą nawet przemieszczać się z jednego magnesu do innego.

linie pola magnetycznego nie istnieją “naprawdę”. Są one pojęciowym narzędziem, które pomaga nam zrozumieć zachowania magnetyczne. Linie pola śledzą energię potencjalną.

zasadniczo północny biegun magnetyczny zmniejszyłby swoją energię potencjalną, przesuwając się bliżej bieguna południowego, jeśli poruszałby się w kierunku wskazanym przez linie pola. Magnes bar nie może zbliżyć do siebie bieguna północnego i Południowego, ale może wyrównać Biegun Północny lub Południowy do bieguna południowego lub północnego innego magnesu.

jestem pewien, że o tym wiesz, ale kiedy masz wiele magnesów i złożone układy biegunów Północnego i Południowego, łatwiej jest rozważyć, jak oddziałują pola magnetyczne. Jest to szczególnie przydatne w przypadku pełnego elektromagnetyzmu, ponieważ elektryczność może również generować pola magnetyczne.

linie pola magnetycznego nie tylko wskazują polaryzację (północ vs południe) magnesu, ale także wskazują siłę lub strumień pola magnetycznego. Im bliżej siebie rysowane są linie, tym silniejsze jest pole magnetyczne.

na przykład, w przestrzeni między tymi atomami, linie pola są w przybliżeniu równo rozmieszczone, więc strumień magnetyczny jest w przybliżeniu stały. W pobliżu każdego bieguna zobaczysz jednak, że linie pola są bardzo blisko siebie. Oznacza to, że bieguny mają najsilniejszą siłę magnetyczną.

innymi słowy, obiekt, który byłby przyciągany do bieguna południowego, po umieszczeniu w dowolnym miejscu, podążałby za liniami pola, dopóki nie osiągnął minimalnej energii potencjalnej na jednym z biegunów południowych magnesu.

przepraszam, jeśli to nie było najlepsze wyjaśnienie, są całe klasy uniwersyteckie, które omawiają pola elektryczne i magnetyczne.

więc jeśli rozumiesz, czym jest pole magnetyczne, to” materiał magnetyczny ” byłby materiałem, który zmniejsza swoją energię potencjalną poprzez podążanie za liniami pola. Innymi słowy, byłby przyciągany do bieguna północnego lub południowego.

przynajmniej tak większość ludzi używa słowa ” magnetyczny.”W rzeczywistości każdy atom jest magnetyczny. Istnieją jednak różne rodzaje magnetyzmu atomowego–a te efekty magnetyczne stają się jeszcze bardziej skomplikowane, gdy atomy są ułożone w struktury krystaliczne.

jeśli jesteś zaawansowany w swoich badaniach, możesz wiedzieć, że rodzaj magnetyzmu, który przykleja się do magnesów, nazywa się ferromagnetyzmem.

jeśli jesteś naprawdę zaawansowany, możesz wiedzieć, że ferromagnetyzm nie jest jedynym rodzajem materiału magnetycznego. W rzeczywistości większość magnesów na Lodówkę to ferrimagnety.

niezależnie od obecnego zrozumienia właściwości magnetycznych, ten post rozpocznie się od podstaw i obejmie wszystko!

pochodzenie magnetyzmu

zanim zagłębimy się w rodzaje magnetyzmu, muszę zająć się podstawowym pochodzeniem magnetyzmu.

magnetyzm jest efektem kwantowo-mechanicznym związanym ze spinem elektronów. Mechanika kwantowa jest notorycznie trudna do wytłumaczenia w intuicyjny sposób, ale zrobię wszystko, co w mojej mocy, aby uprościć rzeczy bez przedstawiania fałszu.

Kliknij tutaj, aby uzyskać wyjaśnienie liczb kwantowych .

każdy elektron w atomie ma określony zbiór liczb kwantowych . Mogłeś się tego nauczyć w liceum.

zasada liczby kwantowej, , opisuje powłokę elektronową. jest najbliższą powłoką atomu. Wśród aktualnie odkrytych pierwiastków 7 jest wartością maksymalną dla . Możesz zobaczyć maksymalną wartość dla N dla dowolnego elementu, sprawdzając, który rząd atomu znajduje się w układzie okresowym. Na przykład żelazo znajduje się w rzędzie 4, więc może wynosić 1, 2, 3 lub 4.

kątowa (lub azymutalna) liczba kwantowa, , opisuje orbital elektronu. może być pomiędzy 0 a. to orbital s, to orbital p, to orbital d, to orbital f, to orbital g, itd. Na przykład elektron w czwartej powłoce może mieć 3 orbitale: i .

magnetyczna liczba kwantowa, , waha się od do . Na przykład elektron w orbitalu d może mieć pięć wartości i

liczba kwantowa spinu, , może mieć tylko dwie wartości: w górę lub w dół.

być może myląco, liczba kwantowa spinu jest tym, co daje początek magnetyzmowi. Zgodnie z zasadą Hunda elektrony wypełniają cały orbital tym samym spinem, a następnie wypełniają orbital odwrotnym spinem. Na przykład żelazo ma 6 (z 10) elektronów w zewnętrznym suborbitalu D. Pierwsze 5 elektronów będzie spin up, a 6th będzie spin down.

możesz użyć konfiguracji elektronowej, aby określić, które elektrony znajdują się w zewnętrznej powłoce.

możesz szukać o konfiguracjach elektronowych, jeśli zapomniałeś, ale jako szybkie odświeżenie, konfiguracje elektronowe są zapisywane przez oznaczanie liczb kwantowych, idąc w linii układu okresowego.

konfiguracja elektronowa dla żelaza to 1s22s22p63s23p64s23d6. Widać, że żelazo ma 6 elektronów w nienapełnionym orbitalu D. W skrócie, można cofnąć się do najbliższego gazu szlachetnego i zapisać go jako 4s23d6. Co będzie s23d7, a Ga będzie 4s23d104p1.

te niesparowane elektrony w każdym atomie żelaza mają Spin sieciowy. To się nazywa magneton Bohra. Jak widać z tych obliczeń dla żelaza, żelazo ma teoretyczny magneton Bohra równy 4. Pierwiastki o pełnych lub pustych orbitalach nie mają spinu sieciowego, ponieważ każdy elektron ” up spin “jest sparowany z elektronem” down spin”, a zatem atom ma magneton Bohra równy zero.

to był bardzo ręczny argument; jeśli chcesz bardziej rygorystycznego podejścia matematycznego, możesz sprawdzić ten doskonały rozdział o pochodzeniu dipoli magnetycznych.

jak zobaczysz w następnej sekcji, istnieje pojęcie o nazwie “oddziaływanie wymiany”, które odnosi się do magnetonu Bohra do właściwości magnetycznych materiału. (Spoiler: wiązanie i dzielenie elektronów wiele zmienia).

jaką właściwość mierzy magnetyzm?

kiedy mówisz o właściwościach magnetycznych materiału, mówisz o tym, jak materiał reaguje na zewnętrzne pole magnetyczne. Nazywamy to zewnętrznym polem magnetycznym H.

dodawanie wszystkich momentów magnetycznych w materiale nazywa się M. możemy również użyć B, które jest podobne i bardziej powszechne, ale mniej intuicyjne (wyjaśniłem różnicę między B I M w tym artykule).

więc zasadniczo to, co sprawia, że coś magnetycznego, to fakt, że B zmienia się, gdy H zmienia.

ponieważ B jest funkcją H, istnieje nachylenie między nimi. Nachylenie to nazywa się przepuszczalnością magnetyczną, jest przepuszczalnością wolnej przestrzeni. Oznacza to, że jeśli utworzysz pole magnetyczne w próżni, próżni byłoby .

bardzo podobnym pomiarem do przepuszczalności jest podatność, reprezentowana przez. jest nachyleniem krzywej M-H, tak samo μ jest nachyleniem krzywej B-H. (Ponownie, możesz przeczytać więcej o tych różnicach w tym artykule). Wrażliwość próżni wynosi 0.

możemy również zdefiniować względną przepuszczalność, , która jest tylko stosunkiem przepuszczalności Materiału do przepuszczalności wolnej przestrzeni.

rodzaje materiałów magnetycznych

materiały magnetyczne są zdefiniowane przez ich reakcję na pole zewnętrzne (innymi słowy, ich przepuszczalność).

Istnieją 3 główne rodzaje materiałów magnetycznych: ferromagnetyczne, paramagnetyczne i diamagnetyczne. Omówię również dwa pozostałe rodzaje: ferrimagnetyczny i antyferromagnetyczny.

Diamagnety mają względną przepuszczalność nieco mniejszą niż jedna. Paramagnety mają względną przepuszczalność nieco większą niż 1. Antyferromagnety mają względną przepuszczalność prawie dokładnie równą 1. Ferromagnety i ferrimagnety mają bardzo dużą, nieliniową przepuszczalność względną.

Diamagnetyzm

wszystkie materiały mają diamagnetyzm. Diamagnetyzm jest właściwością odpychającą, która wynika z prawa Lenza.

prawo Lenza mówi, że wytworzenie pola magnetycznego poruszy elektrony. Poruszające się elektrony również tworzą pole magnetyczne, a nowo utworzone pole magnetyczne przeciwstawia się oryginalnemu.

dotyczy to nawet elektronów na atomie. Dla każdego materiału, wystawienie materiału na pole magnetyczne spowoduje, że elektrony w atomie poruszają się w sposób, który tworzy małe pole magnetyczne w przeciwnym kierunku.

zgodnie z tą logiką wszystkie materiały powinny być odpychane przez pole magnetyczne, niezależnie od kierunku pola magnetycznego. Jednak to odpychanie jest tak małe, że wymaga bardzo specjalistycznego sprzętu do pomiaru.

materiały diamagnetyczne mają magneton Bohra zerowy, więc diamagnetyzm jest jedynym efektem magnetycznym, jakiego doświadczają. Wszystkie materiały mają diamagnetyzm, ale inne formy magnetyzmu są silniejsze, więc materiały, które mają również inny rodzaj magnetyzmu, są klasyfikowane według ich najsilniejszego typu.

przykłady metali Diamagnetycznych o (względnych) wartościach przepuszczalności magnetycznej:

• Miedź (Cu): µr = 0,99999
• rtęć (Hg): µr = 0,99997
• bizmut (BI): µr = 0,99984-najsilniejsze właściwości diamagnetyczne

inne metale diamagnetyczne:

• cynk (Zn)
• magnez (Mg)
• złoto (Au)

przykłady materiałów Diamagnetycznych, które nie są metalami:

• krzem (Si)
• fosfor (P)
• woda
• Grafit
• DNA i inne białka

zależność między b (strumień gęstości magnetycznej) a h (Natężenie pola magnetycznego):

Paramagnetyzm

Diamagnetyzm jest słabym wyrównaniem do przyłożonego pola magnetycznego, więc paramagnetyzm jest słabym wyrównaniem do przyłożonego pola magnetycznego. Istnieje kilka rodzajów paramagnetyzmu (więcej w tym artykule), ale efekt netto jest taki sam: elektrony tworzą pole magnetyczne, które wyrównuje się z polem zewnętrznym.

w niektórych metalach, w zależności od kwantowych efektów mechanicznych, elektrony te mogą doświadczać silniejszego efektu diamagnetycznego oprócz efektu paramagnetycznego. Atomy takie jak Cu lub Ag zasadniczo doświadczają 2 rodzajów diamagnetyzmu i 1 rodzaju paramagnetyzmu, więc pierwiastki są ogólnie diamagnetyczne.

w liceum można było nauczyć się po prostu obliczać magneton Bohra i deklarować, że elementy o były diamagnetyczne, a wszystkie inne były paramagnetyczne; niestety prawdziwa mechanika kwantowa nie jest taka prosta i lepiej sprawdzić, jaki rodzaj magnetyzmu ma materiał (nie martw się, mam wykres w dalszej części artykułu).

przykłady Paramagnetyków o (względnych) wartościach przepuszczalności magnetycznej:

• Platinium (Pt): µr = 1,00027
• Aluminium (Al): µr = 1,0000196
• powietrze µr = 1.00000037

inne przykłady materiałów paramagnetycznych:

• sód (Na)
• Cyna (Sn)
• tlen (O2)
• Wodór (H2)

zależność pomiędzy B (strumień gęstości magnetycznej) i H (Natężenie pola magnetycznego):

Ferromagnetyzm

materiały ferromagnetyczne również doświadczają efektów paramagnetycznych i diamagnetycznych, ale efekt ferromagnetyczny jest znacznie większy niż te efekty.

Ferromagnetyzm powstaje ze sprzężenia wymiany, które powoduje powstawanie domen magnetycznych.

domeny to regiony, w których wszystkie atomy mają swój moment magnetyczny w tym samym kierunku.

tak jak w przypadku kilku moich wyjaśnień, niestety nie mogę udzielić bardziej intuicyjnej odpowiedzi niż

istnieje coś, co nazywa się modelem Beth-Slatera, który przewiduje ferromagnetyzm w oparciu o odstępy atomowe i elektrony w orbitalu D.

według tego modelu kobalt jest w rzeczywistości najbardziej ferromagnetycznym metalem.

pomijając mechanikę kwantową, idea domen nie jest w rzeczywistości zbyt trudna do zrozumienia, jeśli jesteś gotów zaakceptować ich istnienie na wierze. Domeny są regionami materiału, w których wszystkie momenty atomów wyrównują się w tym samym kierunku.

różne domeny są jednak początkowo zorientowane losowo. Ale kiedy wprowadzamy zewnętrzne pole magnetyczne, każda domena wyrównuje się z tym polem i wytwarza własne pole magnetyczne. Nawet po usunięciu zewnętrznego pola wszystkie domeny wzajemnie się wzmacniają, a materiał utrzymuje swoje pole magnetyczne.

tworzy to właściwość zwaną histerezą magnetyczną, o której możesz przeczytać tutaj.

możliwe jest usunięcie wewnętrznego pola magnetycznego poprzez podniesienie temperatury ferromagnetu. Wraz ze wzrostem temperatury atomy (i domeny) wibrują bardziej, aż do ustania sprzężenia wymiany i domeny nie mogą dłużej utrzymywać swojego nierelatywnego wyrównania.

ta temperatura nazywa się temperaturą utwardzania. Powyżej temperatury Curie materiały ferromagnetyczne stają się paramagnetyczne.

materiały Antyferromagnetyczne

materiały Antyferromagnetyczne mają wyrównanie spinu jak materiały ferromagnetyczne; jednak, podczas gdy ferromagnety wyrównują atomowe momenty magnetyczne w tym samym kierunku, antyferromagnety wyrównują momenty magnetyczne w przeciwnych kierunkach.

innymi słowy, momenty antyferromagnetyczne doskonale łączą się ze sobą, prowadząc do 0 całkowitego magnetyzmu (w teorii, ale w praktyce występują defekty kryształów, więc momenty nie są idealnie przeciwstawne sobie, więc całkowity moment magnetyczny jest większy niż 0).

zjawisko to nazywa się ” spin energy superexchange.”(Superexchange jest również używany do opisania, jak wyrównują się domeny ferromagnetyczne). Jest to nieco skomplikowane i opiera się na znajomości kilku podstaw chemii kwantowej, więc wyjaśnię to w tekście.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o superexchange w antyferromagnetach .

MnO to klasyczny przykład antyferromagnetu. Ceramika jonowa ma jony Mn2+, które chciałyby ukraść 2 elektrony, a O2 – chciałby oddać 2 elektrony. Ze względu na zasadę wykluczenia Pauli, O2-musi mieć 1 elektron ze spinem w górę i jeden elektron ze spinem w dół.

zasada Hunda mówi, że elektrony najpierw wypełnią orbital d spinami w tym samym kierunku. Ponieważ Mn2+ ma 5 niesparowanych elektronów w orbitalu d, wszystkie 5 elektronów musi być takie same-wyobraźmy sobie, że są spin up. Oznacza to, że 6.i 7. elektrony muszą być spin w dół.

więc O2 – musi oddać swój spin w dół elektronu do Mn2+ po lewej stronie. O2-ma jeden elektron spin up, który zostaje przekazany do Mn2+ po prawej stronie. Ale to samo rozumowanie, którego właśnie użyłem, jeśli spin w górę idzie w prawo, pozostałe 5 elektronów musi być spin w dół.

MnO ma strukturę krystaliczną soli kamiennej. Jeśli spojrzymy na prostą siatkę sześcienną, każdy atom Mn ma moment magnetyczny równy 3, ale skierowany w przeciwnym kierunku jako moment magnetyczny najbliższego atomu mn. W ten sposób wszystkie chwile się znoszą.

podobnie jak ferromagnety stają się paramagnetami powyżej temperatury Curie, antyferromagnety stają się paramagnetami powyżej temperatury Néela. W obu przypadkach energia cieplna powoduje wahania i losowość, które mogą przezwyciężyć superexchange.

jeśli chcesz przeczytać dokładniejszy, ale bardzo matematyczny opis superexchange, możesz sprawdzić ten artykuł autorstwa Andersona.

nie ma wielu praktycznych zastosowań magnetycznych dla antyferromagnetów (ponieważ są one zasadniczo niemagnetyczne), ale mogą być używane jako punkt odniesienia w eksperymentach magnetycznych. Mają również wielką wartość teoretyczną i mogą pomóc naukowcom lepiej zrozumieć nadprzewodniki.

materiały Ferrimagnetyczne

jeśli kiedykolwiek widziałeś ceramiczny magnes na Lodówkę, prawdopodobnie był to ferrimagnet. Materiały ferrimagnetyczne zachowują się bardzo podobnie do materiałów ferromagnetycznych. Jednak ferrimagnety działają przez ten sam pośredni superexchange co antyferromagnety.

podczas gdy antferromagnety całkowicie się anulują, ponieważ każda para momentów magnetycznych jest równa, ferrimagnety mają tylko częściowe anulowanie. Co oznacza, że mają częściowe namagnesowanie.

każdy moment magnetyczny jest sparowany ze słabszym momentem magnetycznym w przeciwnym kierunku. Ponieważ wszystkie mocne momenty ustawiają się w tym samym kierunku, a słabe w przeciwnym kierunku, mocne momenty wygrywają, a materiał ma ogólny moment magnetyczny.

Fe3O4, najstarszy znany materiał magnetyczny, jest ferrimagnetem. Materiał ten ma odwrotną strukturę spinelową z Fe3+ na miejscach czworościanowych, a Fe2+ i Fe3 + obie zajmują ośmioboczne miejsca śródmiąższowe. Fe3+ w miejscach ośmiościanu i czworościanu anulują się nawzajem, ale pozostałe Fe2+ nie anulują się, prowadząc do momentu magnetycznego netto.

Ferrimagnety zachowują się prawie identycznie jak ferromagnety, w tym mają temperaturę Curie.

jeśli chcesz przeczytać artykuł samego Néela, możesz sprawdzić ten.

myśli końcowe

teraz wiesz o wszystkich 5 rodzajach magnetyzmu, dlaczego magnetyzm istnieje i przykładach każdego rodzaju materiału magnetycznego.

Zanim wyjedziesz, spójrz na ten poręczny wykres, który pomoże Ci zapamiętać, jak zachowują się momenty magnetyczne w każdym rodzaju materiału.

Kliknij tutaj, aby dowiedzieć się więcej o histerezie magnetycznej. Jeśli chcesz poznać różnicę między indukcją magnetyczną B A magnetyzacją m, przeczytaj ten artykuł.

aby uzyskać więcej informacji o pochodzeniu dipoli magnetycznych, polecam ten artykuł profesora Fölla.

aby uzyskać więcej informacji na temat podatności magnetycznej, możesz przeczytać ten artykuł Alana Elstera lub ten artykuł Richarda Fitzpatricka.

aby dowiedzieć się więcej o strukturze Spinella, polecam ten artykuł autorstwa Aditya vardhana.

jeśli chcesz przeczytać dokładniejszy, ale bardzo matematyczny opis superexchange, możesz sprawdzić ten artykuł autorstwa Andersona.

papier, który rysuje strukturę Fe3O4, można znaleźć tutaj.

oto jedna z prac Néela o ferromagnetyzmie i antyferromagnetyzmie.

jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o antyferromagnetyzmie, Katherine Wellmon napisała ten pomocny artykuł.

ta strona autorstwa Bruce ‘ a Moscowitza ma doskonały podział rodzajów magnesów. Kładł szczególny nacisk na zależność od temperatury, której tak naprawdę nie omówiłem w tym artykule.

jeśli chcesz dowiedzieć się więcej o konkretnych materiałach używanych do magnesów, Uniwersytet w Birmingham organizuje dwa doskonałe artykuły na temat twardych magnesów i miękkich magnesów.