Magnetiska material: typer av Magnetism, tillämpningar och magnetismens Ursprung-materialvetenskap och teknik

jag känner att varje gång jag lär mig något om magnetism inser jag att min tidigare förståelse på något sätt var felaktig eller förenklad. När jag skriver detta har jag avslutat mina Doktorandkurser, så förhoppningsvis är jag klar med att lära mig magnetiska egenskaper.

alla material har någon form av magnetism. Element kan vara diamagnetiska, paramagnetiska eller ferromagnetiska. Föreningar gjorda av flera element kan också vara ferrimagnetiska eller antiferromagnetiska.

i den här artikeln vill jag berätta allt Jag önskar att jag hade lärt mig om magnetiska material, Första gången. Jag ska göra saker så enkla som möjligt utan att förenkla på ett sådant sätt att du måste lära dig något. Om du bedriver en doktorsexamen och en dag överstiger din kunskap om magnetism min, hoppas jag att du inte behöver lära dig något som du har läst här.

som sagt, Jag är en materialforskare som specialiserat sig på mekaniska egenskaper, inte magnetiska egenskaper. Jag ska ge en kort bakgrund om magnetfält och den kvantmekaniska grunden för magnetism, men om du verkligen vill ha dessa detaljer är du bättre att fråga en fysiker.

Vad är Magnetism?

“Magnetism” är en bred term som hänför sig till hälften av den elektromagnetiska kraften. Du vet intuitivt vad en magnet är, så du har en uppfattning om attraktionskrafter och avstängning. Det bästa sättet att beskriva magnetism är att använda ” magnetfält.”

magnetfält är ett ämne som du kanske har lärt dig i gymnasiet men möjligen glömt bort, så här är en snabb uppdatering.

Klicka här för att lära dig mer om magnetfält.

magnetfält fungerar precis som elektriska fält. Det finns en magnetisk källa och diskbänk–vi kallar dessa “nordpolen” och “Sydpolen” av en magnet.

magnetfältlinjer reser från Nordpolen till Sydpolen (eller från Sydpolen till nordpolen, du gör du).

varje Nord-och sydpol av en magnet måste också ha sin motsatta sida, men fältlinjer kan till och med resa från en magnet till en annan.

magnetiska fältlinjer existerar inte “riktigt”. De är ett konceptuellt verktyg för att hjälpa oss att förstå magnetiskt beteende. Fältlinjerna spårar potentiell energi.

i grund och botten skulle nordmagnetiska Polen minska sin potentiella energi genom att flytta närmare Sydpolen, om den rörde sig i den riktning som indikeras av fältlinjerna. En stångmagnet kan inte föra sina Nord-och sydpoler närmare varandra, men den kan anpassa sina Nord-eller sydpoler till en annan MagNets syd-eller nordpoler.

jag är säker på att du visste det, men när du har flera magneter och komplexa arrangemang av Nord-och sydpolen är det lättare att bara överväga hur magnetfält interagerar. Detta är särskilt användbart när man hanterar full elektromagnetism, eftersom elektricitet också kan generera magnetfält.

inte bara anger magnetfältlinjer polariteten (Norr vs söder) hos en magnet, de indikerar också styrkan eller flödet av ett magnetfält. Ju närmare linjer dras, desto starkare är magnetfältet.

till exempel i utrymmet mellan dessa atomer är fältlinjerna ungefär lika åtskilda, så magnetflödet är ungefär konstant. Nära varje enskild Pol ser du dock att fältlinjerna kommer mycket nära varandra. Detta indikerar att polerna har den starkaste magnetiska kraften.

med andra ord skulle ett objekt som skulle lockas till en sydpol, när den placerades var som helst, följa fältlinjerna tills den nådde sin minsta potentiella energi vid en av magnetens sydpoler.

ledsen om det inte var den bästa förklaringen, det finns hela universitetskurser som diskuterar elektriska och magnetiska fält.

så om du förstår vad ett magnetfält är, skulle ett “magnetiskt material” vara ett material som minskar sin potentiella energi genom att följa fältlinjerna. Med andra ord skulle det lockas till en nord-eller sydpol.

åtminstone, det är så de flesta använder ordet “magnetisk.”I verkligheten är varje atom magnetisk. Det finns dock olika typer av atommagnetism–och dessa magnetiska effekter blir ännu mer komplicerade när atomer är ordnade i kristallstrukturer.

om du är avancerad i dina studier kanske du vet att den typ av magnetism som fastnar på magneter kallas ferromagnetism.

om du är riktigt avancerad kanske du vet att ferromagnetism inte är den enda typen av magnetiskt material. Faktum är att de flesta kylmagneter faktiskt är ferrimagneter.

oavsett din nuvarande förståelse av magnetiska egenskaper, kommer det här inlägget att börja på grunderna och täcka allt!

magnetismens Ursprung

innan vi dyker in i typer av magnetism måste jag ta itu med magnetismens grundläggande ursprung.

Magnetism är en kvantmekanisk effekt som är relaterad till elektronspinn. Kvantmekanik är notoriskt svårt att förklara på ett intuitivt sätt, men jag ska göra mitt bästa för att förenkla saker utan att presentera falskheter.

Klicka här för en förklaring av kvantnummer.

varje elektron i en atom har en specifik uppsättning kvantnummer. Du kanske har lärt dig detta i gymnasiet kemi.

principen kvantnummer, , beskriver elektronskalet. är det närmaste skalet till atomen. Bland de för närvarande upptäckta elementen 7 är det maximala värdet för . Du kan se det maximala värdet för n för något element genom att se vilken rad atomen är i det periodiska systemet. Till exempel är järn i rad 4, så kan vara 1, 2, 3 eller 4.

det vinklade (eller azimutala) kvantnumret, , beskriver elektronbanan. kan vara mellan 0 och . är en s-orbital, är en p-orbital, är en d-orbital, är en f-orbital, är en g-orbital, etc. Till exempel kan en elektron i det 4: e skalet ha 3 orbitaler: och .

det magnetiska kvantnumret, , sträcker sig fråntill. Till exempel kan en elektron i d-orbitalen ha fem värden på och .

spinnkvantumtalet, , kan bara ha två värden: upp eller ner.

kanske vilseledande är spinnkvantumtalet det som ger upphov till magnetism. Enligt hunds regel fyller elektronerna hela orbitalen med samma snurr och fyller sedan orbitalen med motsatt snurr. Till exempel har järn 6 (av 10) elektroner i dess yttre d-suborbital. De första 5 elektronerna kommer att snurra upp, och den 6: e kommer att snurra ner.

du kan använda elektronkonfigurationen för att berätta vilka elektroner som finns i det yttre skalet.

du kan söka om elektronkonfigurationer om du har glömt, men som en snabb uppdatering skrivs elektronkonfigurationer genom att märka kvantnumren och gå i linje med det periodiska systemet.

elektronkonfigurationen för järn är 1s22s22p63s23p64s23d6. Så du kan se att järn har 6 elektroner i den ofyllda d-orbitalen. I stenografi kan du säkerhetskopiera till närmaste ädelgas och skriva den som 4s23d6. Co skulle vara s23d7, och Ga skulle vara 4s23d104p1.

dessa oparade elektroner i varje järnatom har en nätspinn. Detta kallas Bohr magneton. Som du kan se från denna beräkning för järn har järn en teoretisk bohr-magneton på 4. Element med fulla eller tomma orbitaler har ingen nätspinn eftersom varje “up spin” – elektron är parad med en “down spin” – elektron, och därmed har atomen en Bohr-magneton på noll.

detta var ett mycket handvågigt argument; om du vill ha en mer rigorös matematisk strategi kan du kolla in detta utmärkta kapitel om ursprunget till magnetiska dipoler.

som du ser i nästa avsnitt finns det ett koncept som heter “exchange interaction” som relaterar Bohr magneton till materialets magnetiska egenskaper. (Spoiler: bindning och elektrondelning förändrar saker mycket).

vilken egenskap mäter Magnetism?

när man talar om de magnetiska egenskaperna hos ett material, du talar om hur materialet reagerar på ett externt magnetfält. Vi kallar detta yttre magnetfält H.

tillägget av alla magnetiska moment i ett material kallas M. Vi kan också använda B, vilket är liknande och vanligare, men mindre intuitivt (jag har förklarat skillnaden mellan B och M i den här artikeln).

så i princip är det som gör något magnetiskt det faktum att B ändras när H ändras.

eftersom B är en funktion av H, finns det en lutning mellan de två. Den lutningen kallas magnetisk permeabilitet, är permeabiliteten för ledigt utrymme. Det betyder att om du skapade ett magnetfält i ett vakuum, skulle av vakuumet vara .

en mycket liknande mätning till permeabilitet är känslighet, representerad av . är lutningen på M-H-kurvan, på samma sätt som Xiaomi är lutningen på B-H-kurvan. (Återigen kan du läsa mer om dessa skillnader i den här artikeln). Känsligheten för ett vakuum är 0.

vi kan också definiera relativ permeabilitet, vilket bara är förhållandet mellan materialets permeabilitet och permeabiliteten för ledigt utrymme.

typer av magnetiska material

magnetiska material definieras av deras svar på ett yttre fält (med andra ord deras permeabilitet).

det finns 3 huvudtyper av magnetiska material: ferromagnetiska, paramagnetiska och diamagnetiska. Jag kommer också att täcka de andra två typerna: ferrimagnetisk och antiferromagnetisk.

Diamagneter har en relativ permeabilitet något mindre än en. Paramagneter har en relativ permeabilitet något större än 1. Antiferromagneter har en relativ permeabilitet nästan exakt lika med 1. Ferromagneter och ferrimagneter har en mycket stor, icke-linjär relativ permeabilitet.

Diamagnetism

alla material har diamagnetism. Diamagnetism är en motbjudande egenskap som härrör från Lenzs lag.

Lenzs lag säger att skapandet av ett magnetfält kommer att flytta elektroner. Rörliga elektroner skapar också ett magnetfält, och det nyskapade magnetfältet kommer att motsätta sig det ursprungliga.

detta gäller även för elektroner på en atom. För något material kommer exponering av materialet för ett magnetfält att få elektronerna i atomen att röra sig på ett sätt som skapar ett litet magnetfält i motsatt riktning.

med denna logik bör alla material avvisas av ett magnetfält, oavsett magnetfältets riktning. Denna repulsion är dock så liten att den kräver mycket specialiserad utrustning för att mäta.

diamagnetiska material har en Bohr magneton av noll, så diamagnetism är den enda magnetiska effekten de upplever. Alla material har diamagnetism, men andra former av magnetism är starkare, så material som också har en annan typ av magnetism kategoriseras efter deras starkaste typ.

exempel på diamagnetiska metaller med (relativa) magnetiska Permeabilitetsvärden:

• koppar (Cu): UB = 0.99999
• kvicksilver (Hg): UB = 0.99997
• vismut( Bi): UB = 0.99984-starkaste diamagnetiska egenskaper

andra diamagnetiska metaller:

• zink (Zn)
• Magnesium (Mg)
• guld (Au)

exempel på diamagnetiska material som inte är metaller:

• kisel (Si)
• fosfor (P)
• vatten
• grafit
• DNA och andra proteiner

förhållandet mellan B (magnetisk densitetsflöde) och H (magnetfältstyrka):

Paramagnetism

Diamagnetism är en svag inriktning mot ett applicerat magnetfält, så paramagnetism är en svag inriktning mot ett applicerat magnetfält. Det finns några typer av paramagnetism (se den här artikeln för mer), men nettoeffekten är densamma: elektronerna skapar ett magnetfält som ligger i linje med det yttre fältet.

i vissa metaller, beroende på kvantmekaniska effekter, kan dessa elektroner faktiskt uppleva en starkare diamagnetisk effekt utöver den paramagnetiska effekten. Atomer som Cu eller Ag upplever i huvudsak 2 typer av diamagnetism och 1 typ av paramagnetism, så elementen är övergripande diamagnetiska.

i gymnasiet kan du ha lärt dig att helt enkelt beräkna Bohr magneton och förklara att element med var diamagnetiska och alla andra var paramagnetiska; tyvärr är kvantmekaniken i verkligheten inte så enkel och du är bättre att titta upp vilken typ av magnetism ett material har (oroa dig inte, jag har ett diagram senare i artikeln).

exempel på Paramagnetik med (relativa) magnetiska Permeabilitetsvärden:

• Platinium (Pt): Aci = 1.00027
• aluminium (Al): Aci = 1.0000196
• luft Aci = 1.00000037

andra exempel på paramagnetiska material:

• natrium (Na)
• tenn (Sn)
• syre (O2)
• väte (H2)

förhållandet mellan B (magnetisk densitetsflöde) och H (magnetfältstyrka):

Ferromagnetism

ferromagnetiska material kommer också att uppleva paramagnetiska och diamagnetiska effekter, men den ferromagnetiska effekten är mycket större än dessa effekter.

Ferromagnetism uppstår från utbyteskoppling som orsakar bildandet av magnetiska domäner.

domäner är regioner där alla atomer bidrar med sitt magnetiska ögonblick i samma riktning.

som med flera av mina förklaringar kan jag tyvärr inte ge ett mer intuitivt svar än

det finns något som kallas Beth-Slater-modellen som förutsäger ferromagnetism baserat på atomavstånd och elektroner i d-orbitalen.

enligt denna modell är kobolt faktiskt den mest ferromagnetiska metallen.

kvantmekanik åt sidan, tanken på domäner är faktiskt inte för svår att förstå, om du är villig att acceptera deras existens på tro. Domäner är regioner i materialet där alla atomernas ögonblick ligger i samma riktning.

olika domäner är dock slumpmässigt orienterade först. Men när du introducerar ett externt magnetfält, anpassar varje domän sig till det fältet och producerar sitt eget magnetfält. Även efter att du har tagit bort det externa fältet förstärker alla domäner varandra och materialet behåller sitt magnetfält.

detta skapar en egenskap som kallas magnetisk Hysteres, som du kan läsa allt om här.

det är möjligt att ta bort det internt skapade magnetfältet genom att höja temperaturen på ferromagnet. När temperaturen ökar vibrerar atomerna (och domänerna) mer tills utbyteskopplingen upphör och domänerna inte längre kan behålla sin icke-slumpmässiga inriktning.

denna temperatur kallas Härdningstemperaturen. Över Curie-temperaturen blir ferromagnetiska material paramagnetiska.

Antiferromagnetiska Material

Antiferromagnetiska material har spinnjustering som ferromagnetiska material; emellertid, medan ferromagneter anpassar atommagnetiska moment i samma riktning, anpassar antiferromagneter de magnetiska momenten i motsatta riktningar.

med andra ord parar antiferromagnetiska ögonblick perfekt mot varandra, vilket leder till 0 Total magnetism (i teorin, men i praktiken finns det kristalldefekter så att ögonblicken inte är helt motsatta varandra, så det totala magnetiska ögonblicket är större än 0).

detta fenomen kallas ” spin energy superexchange.”(Superexchange används också för att beskriva hur ferromagnetiska domäner anpassar sig). Detta är lite komplicerat och bygger på kunskap om några grunder i kvantkemi, så låt mig förklara i hopfällbar text.

Klicka här för att lära dig mer om superexchange i antiferromagneter.

MnO är det klassiska exemplet på en antiferromagnet. Den joniska keramiken har Mn2 + joner som skulle vilja stjäla 2 elektroner, och O2 – skulle vilja donera 2 elektroner. På grund av Pauli – uteslutningsprincipen måste O2-ha 1 elektron med snurr upp och en elektron med snurr ner.

hunds regel säger att elektronerna kommer att fylla d-banan med snurr i samma riktning först. Eftersom Mn2 + har 5 oparade elektroner i d–orbitalen måste alla 5 elektroner vara desamma-låt oss föreställa oss att de snurrar upp. Det betyder att 6: e och 7: e elektronerna måste snurra ner.

så, O2 – måste donera sin spin down elektron till Mn2+ till vänster. O2-har en spin up elektron kvar, som doneras till Mn2+ till höger. Men samma resonemang som jag just använde, om spin up går till höger, måste de andra 5 elektronerna snurra ner.

MnO har en bergsaltkristallstruktur. Om du tittar på den enkla kubiska gitteret har varje mn-atom ett magnetiskt ögonblick på 3, men pekar i motsatt riktning som det magnetiska ögonblicket för nästa närmaste Mn-atom. Således avbryter alla stunder varandra.

precis som ferromagneter blir paramagneter över Curie-temperaturen, blir antiferromagneter paramagneter över N-temperaturen. I båda fallen orsakar termisk energi fluktuationer och slumpmässighet som kan övervinna superutbytet.

om du vill läsa en mer exakt men mycket matematisk beskrivning av superexchange kan du kolla in detta papper av Anderson.

det finns inte många praktiska magnetiska tillämpningar för antiferromagneter (eftersom de i huvudsak är icke-magnetiska), men de kan användas som referenspunkt i magnetiska experiment. De har också stort teoretiskt värde och kan hjälpa forskare att förstå superledare bättre.

ferrimagnetiska material

om du någonsin sett en keramisk kylmagnet var det förmodligen en ferrimagnet. Ferrimagnetiska material beter sig mycket på samma sätt som ferromagnetiska material. Ferrimagneter arbetar dock med samma indirekta superexchange som antiferromagnetts.

medan antferromagneter helt avbryter varandra eftersom varje par magnetiska moment är lika, har ferrimagneter endast delvis avbokning. Vilket innebär att de verkligen har partiell magnetisering.

varje magnetiskt ögonblick är parat med ett svagare magnetiskt ögonblick i motsatt riktning. Eftersom alla starka ögonblick stämmer i samma riktning och de svaga ögonblicken stämmer i motsatt riktning, vinner de starka ögonblicken och materialet har ett övergripande magnetiskt ögonblick.

Fe3O4, det äldsta kända magnetiska materialet, är en ferrimagnet. Detta material har en invers spinelstruktur med Fe3 + på tetraedriska platser, och Fe2+ och Fe3+ båda upptar oktaedriska interstitiella platser. Fe3 + i de oktrahedrala och tetraedriska platserna avbryter varandra, men de återstående Fe2 + avbryter inte, vilket leder till ett magnetiskt ögonblick.

Ferrimagneter beter sig ganska mycket identiskt med ferromagneter, inklusive att ha en Curie-temperatur.

om du vill läsa ett papper av N Jacobel själv kan du kolla in den här.

slutliga tankar

nu vet du om alla 5 typer av magnetism, varför magnetism finns och exempel på varje typ av magnetiskt material.

innan du går, ta en titt på det här praktiska diagrammet som hjälper dig att komma ihåg hur de magnetiska ögonblicken beter sig i varje typ av material.

referenser och vidare läsning

Klicka här för att lära dig mer om magnetisk Hysteres. Om du vill veta skillnaden mellan magnetisk induktion B och magnetisering M, läs den här artikeln.

för mer matematik bakom ursprunget till magnetiska dipoler rekommenderar jag Den här artikeln av Professor F.

för mer om magnetisk känslighet kan du läsa den här artikeln av Alan Elster eller den här artikeln av Richard Fitzpatrick.

för mer om spinellstrukturen rekommenderar jag Den här artikeln av Aditya vardhan.

om du vill läsa en mer exakt men mycket matematisk beskrivning av superexchange kan du kolla in detta papper av Anderson.

Yang et al.’s papper, som drar strukturen av Fe3O4, kan hittas här.

här är en av N Jacobels artiklar om ferromagnetism och antiferromagnetism.

om du vill lära dig mer om antiferromagnetism skrev Katherine Wellmon den här användbara artikeln.

denna sida av Bruce Moscowitz har en utmärkt uppdelning av typer av magneter. Han lade särskild vikt vid temperaturberoende, vilket jag inte riktigt täckte i den här artikeln.

om du vill lära dig mer om specifika material som används för magneter, är University of Birmingham värd för två utmärkta artiklar om hårda magneter och mjuka magneter.