Materiale magnetice: tipuri de Magnetism, aplicații și originea magnetismului – știința și Ingineria Materialelor

simt că de fiecare dată când învăț ceva despre magnetism, îmi dau seama că înțelegerea mea anterioară a fost oarecum incorectă sau simplificată. Pe măsură ce scriu acest lucru, mi-am terminat cursurile de doctorat, așa că sper că am terminat re-învățarea proprietăților magnetice.

toate materialele au o formă de magnetism. Elementele pot fi diamagnetice, paramagnetice sau feromagnetice. Compușii din mai multe elemente pot fi, de asemenea, ferimagnetici sau antiferomagnetici.

în acest articol, vreau să vă spun tot ce mi-aș fi dorit să fi învățat despre materialele magnetice, prima dată. Voi face lucrurile cât mai simple posibil, fără a simplifica prea mult în așa fel încât va trebui să dezvăluiți ceva. Dacă urmați un doctorat și într-o zi cunoștințele dvs. despre magnetism le depășesc pe ale mele, sper că nu va trebui să dezvăluiți nimic din ceea ce ați citit aici.

acestea fiind spuse, sunt un om de știință al materialelor specializat în proprietăți mecanice, nu Proprietăți magnetice. Voi oferi un fundal scurt despre câmpurile magnetice și baza mecanică cuantică pentru magnetism, dar dacă doriți cu adevărat aceste detalii, este mai bine să întrebați un fizician.

ce este magnetismul?

“Magnetism” este un termen larg care se referă la jumătate din forța electromagnetică. Știți intuitiv ce este un magnet, deci aveți o idee despre forțele de atracție și repulsie. Cel mai bun mod de a descrie magnetismul este prin utilizarea “câmpurilor magnetice.”

câmpurile magnetice sunt un subiect pe care probabil l-ați învățat în liceu, dar probabil l-ați uitat, așa că iată o reîmprospătare rapidă.

Click aici pentru a afla mai multe despre câmpurile magnetice.

câmpurile magnetice Funcționează la fel ca câmpurile electrice. Există o sursă magnetică și o chiuvetă–le numim “Polul Nord” și “Polul Sud” al unui magnet.

liniile câmpului Magnetic călătoresc de la polul nord la polul sud (sau de la polul sud la polul nord, tu faci tu).

fiecare pol nord și sud al unui magnet trebuie să aibă și partea opusă, dar liniile de câmp pot călători chiar de la un magnet la altul.

liniile câmpului Magnetic nu există “cu adevărat”. Ele sunt un instrument conceptual care ne ajută să înțelegem comportamentul magnetic. Liniile de câmp urmăresc energia potențială.

practic, polul magnetic nord și-ar reduce energia potențială apropiindu-se de Polul Sud, dacă s-ar deplasa în direcția indicată de liniile de câmp. Un magnet de bare nu își poate apropia polii nord și Sud, dar își poate alinia polii nord sau sud la polii Sud sau nord ai unui alt magnet.

sunt sigur că știați asta, dar când aveți mai mulți magneți și aranjamente complexe ale polilor Nord și Sud, este mai ușor să luați în considerare modul în care interacționează câmpurile magnetice. Acest lucru este util mai ales atunci când se ocupă de electromagnetismul complet, deoarece electricitatea poate genera și câmpuri magnetice.

nu numai că liniile de câmp magnetic indică polaritatea (nord vs sud) a unui magnet, ele indică, de asemenea, puterea sau fluxul unui câmp magnetic. Cu cât sunt trase linii mai apropiate, cu atât câmpul magnetic este mai puternic.

de exemplu, în spațiul dintre acești atomi, liniile câmpului Sunt aproximativ la fel de distanțate, astfel încât fluxul magnetic este aproximativ constant. Cu toate acestea, aproape de orice pol individual, veți vedea că liniile câmpului se apropie foarte mult. Aceasta indică faptul că polii au cea mai puternică forță magnetică.

cu alte cuvinte, un obiect care ar fi atras de un pol sud, atunci când este plasat oriunde, ar urma liniile câmpului până când va atinge energia potențială minimă la unul dintre polii sudici ai magnetului.

Ne pare rău dacă asta nu a fost cea mai bună explicație, există clase universitare întregi care discută câmpurile electrice și magnetice.

deci, dacă înțelegeți ce este un câmp magnetic, atunci un “material magnetic” ar fi un material care își reduce energia potențială urmând liniile câmpului. Cu alte cuvinte, ar fi atras de un pol nord sau sud.

cel puțin, așa folosesc majoritatea oamenilor cuvântul “magnetic”.”În realitate, fiecare atom este magnetic. Cu toate acestea, există diferite tipuri de magnetism atomic–iar aceste efecte magnetice devin și mai complicate atunci când atomii sunt aranjați în structuri cristaline.

dacă sunteți avansat în studiile dvs., este posibil să știți că tipul de magnetism care se lipeste de magneți se numește feromagnetism.

dacă ești cu adevărat avansat, s-ar putea să știi că feromagnetismul nu este singurul tip de material magnetic. De fapt, majoritatea magneților de frigider sunt de fapt ferrimagneți.

oricare ar fi înțelegerea dvs. actuală a proprietăților magnetice, această postare va începe de la elementele de bază și va acoperi totul!

originea magnetismului

înainte de a ne arunca cu capul în tipuri de magnetism, am nevoie pentru a aborda originea fundamentală a magnetismului.

magnetismul este un efect mecanic cuantic care este legat de spinul electronilor. Mecanica cuantică este notoriu dificil de explicat într-un mod intuitiv, dar voi face tot posibilul pentru a simplifica lucrurile fără a prezenta falsuri.

Click aici pentru o explicație a numerelor cuantice.

fiecare electron dintr-un atom are un set specific de numere cuantice. S-ar putea să fi învățat asta în chimia liceului.

numărul cuantic principal, , descrie coaja de electroni. este cea mai apropiată coajă de atom. Printre elementele descoperite în prezent 7 este valoarea maximă pentru . Puteți vedea valoarea maximă pentru n pentru orice element văzând ce rând este atomul în tabelul periodic. De exemplu, fierul este în rândul 4, deci poate fi 1, 2, 3 sau 4.

numărul cuantic unghiular (sau azimutal), , descrie orbitalul electronilor. poate fi între 0 și . este un orbital s, este un orbital p, este un orbital d, este un orbital f, este un orbital g etc. De exemplu, un electron din a 4-a coajă ar putea avea 3 orbitali: și .

numărul cuantic magnetic, , variază de la la . De exemplu, un electron în orbitalul d ar putea avea cinci valori de și .

numărul cuantic de spin, , poate avea doar două valori: în sus sau în jos.

poate în mod înșelător, numărul cuantic de spin este ceea ce dă naștere magnetismului. Conform regulii lui Hund, electronii umple întregul orbital cu aceeași rotire, apoi umple orbitalul cu rotația opusă. De exemplu, fierul are 6 (din 10) electroni în d-ul său exterior suborbital. Primii 5 electroni vor fi spin up, iar al 6-lea va fi spin down.

puteți utiliza configurația electronică pentru a spune care electroni sunt în carcasa exterioară.

puteți căuta despre configurațiile electronice Dacă ați uitat, dar ca o reîmprospătare rapidă, configurațiile electronice sunt scrise prin etichetarea numerelor cuantice, mergând în linia tabelului periodic.

configurația electronică pentru fier este 1s22s22p63s23p64s23d6. Deci, puteți vedea că fierul are 6 electroni în orbitalul d neumplut. În stenografie, puteți face o copie de rezervă la cel mai apropiat gaz nobil și îl puteți scrie ca 4s23d6. Co ar fi s23d7, iar Ga ar fi 4s23d104p1.

acești electroni nepereche din fiecare atom de fier au o rotire netă. Aceasta se numește Bohr magneton. După cum puteți vedea din acest calcul pentru fier, fierul are un magneton teoretic bohr de 4. Elementele cu orbitali plini sau goi nu au rotire netă, deoarece fiecare electron “rotire în sus” este asociat cu un electron “rotire în jos” și, astfel, atomul are un magneton Bohr de zero.

acesta a fost un argument foarte ondulat; dacă doriți o abordare matematică mai riguroasă, puteți consulta acest capitol excelent despre originea dipolilor magnetici.

după cum veți vedea în secțiunea următoare, există un concept numit “interacțiune de schimb” care leagă magnetonul Bohr de proprietățile magnetice ale materialului. (Spoiler: legarea și partajarea electronilor schimbă foarte mult lucrurile).

ce proprietate măsoară magnetismul?

când vorbiți despre proprietățile magnetice ale unui material, vorbiți despre modul în care materialul răspunde la un câmp magnetic extern. Numim acest câmp magnetic extern H.

adăugarea tuturor momentelor magnetice într-un material se numește M. putem folosi și B, care este similar și mai frecvent, dar mai puțin intuitiv (am explicat diferența dintre B și M în acest articol).

deci, practic, ceea ce face ceva magnetic este faptul că B se schimbă atunci când H se schimbă.

deoarece B este o funcție a lui H, există o pantă între cele două. Această pantă se numește permeabilitate magnetică, este permeabilitatea spațiului liber. Asta înseamnă că dacă ați creat un câmp magnetic într-un vid, al vidului ar fi .

o măsurătoare foarte asemănătoare cu permeabilitatea este susceptibilitatea, reprezentată de . este panta de pe curba M-H, la fel cum este și cea de pe curba B-H. (Din nou, puteți citi mai multe despre aceste diferențe în acest articol). Sensibilitatea unui vid este 0.

putem defini, de asemenea, permeabilitatea relativă, care este doar raportul dintre permeabilitatea materialului și permeabilitatea spațiului liber.

tipurile de materiale magnetice

materialele magnetice sunt definite prin răspunsul lor la un câmp extern (cu alte cuvinte, permeabilitatea lor).

există 3 tipuri principale de materiale magnetice: feromagnetice, paramagnetice și diamagnetice. Voi acoperi și celelalte două tipuri: ferimagnetic și antiferomagnetic.

Diamagneții au o permeabilitate relativă puțin mai mică decât una. Paramagneții au o permeabilitate relativă puțin mai mare decât 1. Antiferromagneții au o permeabilitate relativă aproape exact egală cu 1. Feromagneții și ferrimagneții au o permeabilitate relativă foarte mare, neliniară.

Diamagnetism

toate materialele au diamagnetism. Diamagnetismul este o proprietate respingătoare care apare din Legea lui Lenz.

legea lui Lenz spune că crearea unui câmp magnetic va muta electronii. Electronii în mișcare creează, de asemenea, un câmp magnetic, iar câmpul magnetic nou creat se va opune celui original.

acest lucru este valabil chiar și pentru electronii de pe un atom. Pentru orice material, expunerea materialului la un câmp magnetic va determina electronii din atom să se miște într-un mod care creează un câmp magnetic minuscul în direcția opusă.

prin această logică, toate materialele ar trebui respinse de un câmp magnetic, indiferent de direcția câmpului magnetic. Cu toate acestea, această repulsie este atât de mică încât necesită echipamente foarte specializate pentru măsurare.

materialele diamagnetice au un magneton Bohr de zero, deci diamagnetismul este singurul efect magnetic pe care îl experimentează. Toate materialele au diamagnetism, dar alte forme de magnetism sunt mai puternice, astfel încât materialele care au și un alt tip de magnetism sunt clasificate după tipul lor cel mai puternic.

Exemple de metale diamagnetice cu valori (Relative) de permeabilitate magnetică:

• cupru (Cu): oqustr = 0,99999
• Mercur (Hg): oqustr = 0,99997
• bismut (Bi): oqustr = 0,99984 – cele mai puternice proprietăți diamagnetice

alte metale diamagnetice:

• Zinc (Zn)
• magneziu (Mg)
• aur (Au)

Exemple de materiale diamagnetice care nu sunt metale:

• siliciu (Si)
• fosfor (P)
• apă
• grafit
• ADN și alte proteine

relația dintre B (fluxul de densitate magnetică) și H (Intensitatea câmpului magnetic):

paramagnetismul

diamagnetismul este o aliniere slabă împotriva unui câmp magnetic aplicat, deci paramagnetismul este o aliniere slabă cu un câmp magnetic aplicat. Există câteva tipuri de paramagnetism (vezi acest articol pentru mai multe), dar efectul net este același: electronii creează un câmp magnetic care se aliniază cu câmpul extern.

în unele metale, în funcție de efectele mecanice cuantice, acești electroni pot experimenta de fapt un efect diamagnetic mai puternic în plus față de efectul paramagnetic. Atomi precum Cu sau Ag experimentează în esență 2 tipuri de diamagnetism și 1 tip de paramagnetism, deci elementele sunt în general diamagnetice.

în liceu este posibil să fi fost învățați să calculați pur și simplu magnetonul Bohr și să declarați că elementele cu erau diamagnetice și toate celelalte erau paramagnetice; din păcate, mecanica cuantică din viața reală nu este atât de simplă și este mai bine să căutați ce fel de magnetism are un material (nu vă faceți griji, am o diagramă mai târziu în articol).

Exemple de paramagnetice cu valori (Relative) de permeabilitate magnetică:

• Platinium (Pt): oktogr = 1.00027
• aluminiu (Al): oktogr = 1.0000196
• aer oktogr = 1.00000037

alte exemple de materiale paramagnetice:

• sodiu (Na)
• staniu (Sn)
• oxigen (O2)
• hidrogen (H2)

relația dintre B (fluxul de densitate magnetică) și H (Intensitatea câmpului magnetic):

Feromagnetismul

materialele feromagnetice vor experimenta, de asemenea, efecte paramagnetice și diamagnetice, dar efectul feromagnetic este mult mai mare decât aceste efecte.

Feromagnetismul apare din cuplarea de schimb care determină formarea domeniilor magnetice.

Domeniile sunt regiuni în care toți atomii contribuie cu momentul lor magnetic în aceeași direcție.

ca și în cazul mai multor explicații, din păcate nu pot oferi un răspuns mai intuitiv decât

există ceva numit modelul Beth-Slater care prezice feromagnetismul bazat pe spațierea atomică și electronii din orbitalul D.

conform acestui model, cobaltul este de fapt cel mai feromagnetic metal.

mecanica cuantică deoparte, ideea de domenii nu este de fapt prea greu de înțeles, dacă sunteți dispus să accepte existența lor pe credință. Domeniile sunt regiuni ale materialului în care toate momentele atomilor se aliniază în aceeași direcție.

cu toate acestea, diferite domenii sunt orientate aleatoriu la început. Dar când introduceți un câmp magnetic extern, fiecare domeniu se aliniază cu acel câmp și produce propriul câmp magnetic. Chiar și după ce eliminați câmpul extern, toate domeniile se întăresc reciproc și materialul își menține câmpul magnetic.

aceasta creează o proprietate numită histerezis magnetic, despre care puteți citi totul aici.

este posibilă îndepărtarea câmpului magnetic creat intern prin creșterea temperaturii feromagnetului. Pe măsură ce temperatura crește, atomii (și domeniile) vibrează mai mult până când cuplarea de schimb încetează și domeniile nu își mai pot menține alinierea non-aleatorie.

această temperatură se numește temperatura de vindecare. Deasupra temperaturii Curie, materialele feromagnetice devin paramagnetice.

materiale Antiferomagnetice

materialele Antiferomagnetice au aliniere de spin ca materiale feromagnetice; cu toate acestea, în timp ce feromagneții aliniază momentele magnetice atomice în aceeași direcție, antiferomagneții aliniază momentele magnetice în direcții opuse.

cu alte cuvinte, momentele antiferromagnetice se împerechează perfect unul împotriva celuilalt, ducând la 0 magnetism total (în teorie, dar în practică există defecte de cristal, astfel încât momentele nu se opun perfect, astfel încât momentul magnetic total este mai mare de 0).

acest fenomen se numește ” superexchange de energie spin.”(Superexchange este, de asemenea, utilizat pentru a descrie modul în care se aliniază domeniile feromagnetice). Acest lucru este un pic complicat și se bazează pe cunoașterea câtorva elemente de bază ale chimiei cuantice, așa că permiteți-mi să explic în text colapsabil.

Click aici pentru a afla mai multe despre superexchange în antiferromagnets.

MnO este exemplul clasic al unui antiferromagnet. Ceramica ionică are ioni Mn2 + care ar dori să fure 2 electroni, iar O2 – ar dori să doneze 2 electroni. Datorită principiului excluderii Pauli, O2 – trebuie să aibă 1 electron cu rotire în sus și un electron cu rotire în jos.

regula lui Hund afirmă că electronii vor umple orbitalul d cu rotiri în aceeași direcție mai întâi. Deoarece Mn2 + are 5 electroni nepereche în orbitalul d, toți cei 5 electroni trebuie să fie aceiași–să ne imaginăm că sunt învârtiți. Asta înseamnă că electronii 6 și 7 trebuie să se rotească în jos.

deci, O2 – trebuie să-și doneze electronul de rotire în jos către Mn2+ din stânga. O2 – are un electron de rotire rămas, care este donat Mn2 + din dreapta. Dar același raționament pe care l-am folosit, dacă rotirea în sus merge spre dreapta, ceilalți 5 electroni trebuie să se rotească în jos.

MnO are o structură cristalină de sare de rocă. Dacă vă uitați la rețeaua cubică simplă, fiecare atom Mn are un moment magnetic de 3, dar îndreptat în direcția opusă ca moment magnetic al următorului atom Mn cel mai apropiat. Astfel, toate momentele se anulează reciproc.

la fel cum feromagneții devin paramagneți peste temperatura Curie, antiferromagneții devin paramagneți peste temperatura n Oquel. În ambele cazuri, energia termică provoacă fluctuații și aleatoriu care pot depăși superexchange.

dacă doriți să citiți o descriere mai exactă, dar foarte matematică a superexchange, puteți verifica această lucrare de Anderson.

nu există multe aplicații magnetice practice pentru antiferromagneți (deoarece acestea sunt în esență nemagnetice), dar pot fi utilizate ca punct de referință în experimentele magnetice. De asemenea, au o mare valoare teoretică și pot ajuta oamenii de știință să înțeleagă mai bine supraconductorii.

materiale ferimagnetice

dacă ați văzut vreodată un magnet de frigider ceramic, acesta a fost probabil un ferimagnet. Materialele ferimagnetice se comportă foarte similar cu materialele feromagnetice. Cu toate acestea, ferrimagnetele funcționează prin același superexchange indirect ca antiferromagneturile.

în timp ce antferromagneții se anulează complet, deoarece fiecare pereche de momente magnetice este egală, ferrimagneții au doar o anulare parțială. Ceea ce înseamnă că au într-adevăr magnetizare parțială.

fiecare moment magnetic este asociat cu un moment magnetic mai slab în direcția opusă. Deoarece toate momentele puternice se aliniază în aceeași direcție și momentele slabe se aliniază în direcția opusă, momentele puternice câștigă și materialul are un moment magnetic general.

Fe3O4, cel mai vechi material magnetic cunoscut, este un ferimagnet. Acest material are o structură spinelă inversă cu Fe3 + pe situri tetraedrice, iar Fe2+ și Fe3+ ambele ocupând situri interstițiale octaedrice. Fe3 + în siturile octrahedrale și tetraedrice se anulează reciproc, dar restul Fe2+ nu se anulează, ducând la un moment magnetic net.

Ferimagneții se comportă destul de Identic cu feromagneții, inclusiv având o temperatură Curie.

dacă doriți să citiți o lucrare de N Elixel însuși, puteți verifica aceasta.

Gânduri finale

acum știți despre toate cele 5 tipuri de magnetism, de ce există magnetismul și exemple ale fiecărui tip de material magnetic.

înainte de a pleca, aruncați o privire la această diagramă la îndemână, care vă va ajuta să vă amintiți cum se comportă momentele magnetice în fiecare tip de material.

referințe și lecturi suplimentare

Faceți clic aici pentru a afla mai multe despre histerezisul magnetic. Dacă doriți să cunoașteți diferența dintre inducția magnetică B și magnetizarea m, citiți acest articol.

pentru mai multă matematică din spatele originii dipolilor magnetici, recomand acest articol al Profesorului F Okticll.

pentru mai multe detalii despre susceptibilitatea magnetică, puteți citi acest articol de Alan Elster sau acest articol de Richard Fitzpatrick.

pentru mai multe detalii despre structura spinell, recomand acest articol de Aditya vardhan.

dacă doriți să citiți o descriere mai exactă, dar foarte matematică a superexchange, puteți verifica această lucrare de Anderson.

Yang și colab.lucrarea Lui, care atrage structura Fe3O4, poate fi găsită aici.

iată una dintre lucrările lui n Oquel despre feromagnetism și antiferromagnetism.

dacă doriți să aflați mai multe despre antiferromagnetism, Katherine Wellmon a scris acest articol util.

Această pagină de Bruce Moscowitz are o defalcare excelentă a tipurilor de magneți. El a pus un accent deosebit pe dependența de temperatură, pe care nu am acoperit-o cu adevărat în acest articol.

dacă doriți să aflați mai multe despre materialele specifice utilizate pentru magneți, Universitatea din Birmingham găzduiește două articole excelente despre magneți duri și magneți moi.