Magnetismus und magnetisches Moment
Alle Dinge auf der Welt sind magnetisch, von den Tischen und Stühlen um uns herum bis zu den Planeten und der Sonne im Universum. Egal in welchem Zustand sie sich befinden (kristallin, amorph, flüssig oder gasförmig), egal bei hoher oder niedriger Temperatur, hohem oder niedrigem Druck, sie alle sind magnetisch. Der Unterschied besteht darin, dass manche Substanzen stark magnetisch sind, während andere nur schwach magnetisch sind. Man kann jedoch sagen, dass Substanzen ohne Magnetismus nicht existieren. Substanzen können anhand ihrer Eigenschaften in einem äußeren Magnetfeld in fünf Kategorien eingeteilt werden: paramagnetische Substanzen, diamagnetische Substanzen, ferromagnetische Substanzen, ferrimagnetische Substanzen und antiferromagnetische Substanzen. Was führt dazu, dass alle Substanzen magnetisch sind? Aus welchen Gründen haben unterschiedliche Substanzen die oben genannten unterschiedlichen Eigenschaften? Dies beginnt mit der Grundlage der Materie – den Atomen. Materie besteht aus Atomen und Atome bestehen aus Atomkernen und Elektronen. In Atomen haben Elektronen aufgrund ihrer Bewegung um den Atomkern orbitale magnetische Momente; Elektronen haben aufgrund ihres Spins magnetische Spinmomente, und die magnetischen Momente von Atomen stammen hauptsächlich aus den Orbital- und Spin-Magnetmomenten von Elektronen, die die Quelle allen materiellen Magnetismus sind. Das magnetische Moment eines Atomkerns beträgt nur 1/1836,5 des magnetischen Moments eines Elektrons, daher wird das magnetische Moment eines Atomkerns im Allgemeinen ignoriert
Magnetisches Moment eines einzelnen isolierten Atoms
Das magnetische Moment ist ein Richtungsvektor. Der Spinmodus von Elektronen in Atomen kann in zwei Typen unterteilt werden: aufwärts und abwärts. In den meisten Substanzen gibt es gleich viele Elektronen mit Aufwärts- und Abwärtsspin, und die von ihnen erzeugten magnetischen Momente heben sich gegenseitig auf. Das gesamte Atom hat nach außen keinen Magnetismus. Nur wenige Substanzatome haben unterschiedliche Elektronenzahlen in unterschiedlichen Spinrichtungen. Daher gibt es, nachdem sich die magnetischen Momente von Elektronen mit entgegengesetztem Spin gegenseitig aufheben, immer noch einige Elektronen, deren magnetische Spinmomente aufgehoben sind, und das gesamte Atom hat ein Gesamtmagnetmoment. Das magnetische Moment eines einzelnen Atoms hängt von seiner Atomstruktur ab, nämlich der Anordnung und Anzahl der Elektronen. Alle Atome der Elemente im Periodensystem haben ihre eigenen magnetischen Momente. Das magnetische Moment von Atomen in einem Kristall, das wir oben besprochen haben, ist das magnetische Moment eines einzelnen Atoms, aber in festen Kristallen oder Nichtkristallen befinden sich Atome an Kristallknoten und werden vom nuklearen elektrischen Feld und dem elektrostatischen Elektronenfeld benachbarter Atome beeinflusst. Daher unterscheidet sich das magnetische Moment von Atomen in einem Kristall von dem eines einzelnen isolierten Atoms. Eisen, Kobalt und Nickel sind beispielsweise als 3D-Übergangsmetalle bekannt. In einem Kristall werden die Elektronen einiger Atome zu gemeinsamen Elektronen benachbarter Atome, was zu einer Änderung der elektronischen Struktur der Atome führt. Einige orbitale magnetische Momente werden eingefroren, sodass nur das Spin-magnetische Moment übrig bleibt, das zum atomaren magnetischen Moment im Kristall beiträgt. Infolgedessen weicht das magnetische Moment der Atome im Kristall vom theoretischen Wert ab. Aus dem vorherigen Inhalt wissen wir bereits, dass alle Dinge im Universum Magnetismus besitzen und Magnetismus hauptsächlich aus atomarem Magnetismus entsteht. Aufgrund der unterschiedlichen magnetischen Momente verschiedener Atome wird die Wechselwirkung zwischen atomaren magnetischen Momenten in makroskopischen Substanzen verursacht. Die Anordnung der atomaren magnetischen Momente bei Raumtemperatur ist unterschiedlich. Wir unterteilen makroskopische Substanzen entsprechend ihrer magnetischen Eigenschaften in paramagnetische Substanzen, diamagnetische Substanzen, ferromagnetische Substanzen, subferromagnetische Substanzen und antiferromagnetische Substanzen, einschließlich der folgenden drei Merkmale. 1. Der makroskopische Magnetismus einer Substanz wird durch die magnetischen Momente der Atome oder Moleküle verursacht, aus denen sie besteht. Wir bezeichnen das gesamte magnetische Moment eines Materials pro Volumeneinheit als seine Magnetisierung, die mit M bezeichnet und in A/m gemessen wird. Wenn das Volumen einer Substanz V ist, sie n Atome hat und das magnetische Moment jedes Atoms μ J ist, dann ist M=μ J1+μ J2+...+μ Jn, das heißt, M=∑ μ J/v. 2. Die Magnetisierungskurve (M~H-Kurve) der Magnetisierungsintensität: Wenn das äußere Magnetfeld Null ist, können die atomaren magnetischen Momente zufällig angeordnet sein. Wenn wir jedoch ein äußeres Magnetfeld ungleich Null anwenden, kann sich jedes atomare magnetische Moment in die Richtung des äußeren Magnetfelds drehen,und die Magnetisierungsintensität M der Substanz ändert sich. Die Beziehungskurve zwischen der Magnetisierungsintensität M und dem äußeren Magnetfeld H wird als Magnetisierungskurve bezeichnet, abgekürzt als M~H-Magnetisierungskurve. Die Magnetisierungskurven verschiedener Substanzen sind ebenfalls unterschiedlich.
3. Magnetische Suszeptibilität x2
Auf der M~H-Magnetisierungskurve wird das Verhältnis von M zu H an jedem Punkt als magnetische Suszeptibilität bezeichnet und durch chi dargestellt. χ=M/H, die Einheit von M ist A/m, die Einheit von H ist ebenfalls A/m, es handelt sich also um die relative magnetische Suszeptibilität, die keine Einheit hat. Wir verwenden die Größe und Anordnung atomarer magnetischer Momente, die Form der M~H-Magnetisierungskurve und Parameter wie die magnetische Suszeptibilität, um den Magnetismus von Substanzen zu beschreiben und sie zu klassifizieren.
Paramagnetische Substanzen sind Substanzen, die sich je nach Richtung des Magnetfelds magnetisieren können, wenn sie sich diesem nähern. Sie sind jedoch sehr schwach und können nur mit Präzisionsinstrumenten gemessen werden. Wenn das äußere Magnetfeld entfernt wird, wird auch das innere Magnetfeld auf Null zurückgesetzt, was zu einem Verlust des Magnetismus führt. Wie Aluminium, Sauerstoff usw. Jedes Atom in paramagnetischen Materialien hat ein magnetisches Moment, das paramagnetischen Materialien ein inhärentes atomares magnetisches Moment verleiht. In paramagnetischen Materialien gibt es keine Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen, daher sind die atomaren magnetischen Momente bei Raumtemperatur zufällig angeordnet und der Projektionswert des atomaren magnetischen Moments µ J in jede Richtung ist Null. Wenn solche Substanzen einem äußeren Magnetfeld H ausgesetzt werden, kann sich das atomare magnetische Moment nur um einen sehr kleinen Winkel entlang der Richtung des äußeren Magnetfelds drehen, und ihre Magnetisierungsstärke nimmt mit zunehmendem äußeren Magnetfeld langsam zu. Ihre magnetische Suszeptibilität ist größer als 0 und liegt im Allgemeinen im Bereich von 10-5 bis 10-3. Um die atomaren magnetischen Momente paramagnetischer Substanzen vollständig in Richtung des äußeren Magnetfelds auszurichten, ist schätzungsweise eine äußere Magnetfeldstärke von 109-1010 A/m erforderlich, was derzeit mit künstlichen Magnetfeldern nur schwer zu erreichen ist. Antimagnetische Substanzen sind Substanzen mit negativer magnetischer Suszeptibilität, was bedeutet, dass die Richtung des Magnetfelds nach der Magnetisierung entgegengesetzt zur Richtung des äußeren Magnetfelds ist. Alle organischen Verbindungen wie Graphit, Blei, Wasser usw. haben Diamagnetismus. Die Projektion des atomaren orbitalen magnetischen Moments und des Spin-magnetischen Moments diamagnetischer Substanzen in einem Magnetfeld ist Null, was bedeutet, dass diamagnetische Substanzen kein Netto-atomares magnetisches Moment haben. Unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfelds erzeugt das elektronische Orbital jedoch ein induziertes zusätzliches magnetisches Moment, und dieses induzierte magnetische Moment ist in der Richtung entgegengesetzt zum äußeren Magnetfeld, was zu negativem Magnetismus führt. Die Magnetisierungsrichtung diamagnetischer Substanzen ist negativ, entgegengesetzt zum äußeren Magnetfeld, und ihr absoluter Wert steigt linear mit der Zunahme des äußeren Magnetfelds an. Eine ferromagnetische Substanz ist eine Substanz, die ihren magnetischen Zustand beibehalten kann, selbst wenn das äußere Magnetfeld verschwindet, nachdem sie durch ein äußeres Magnetfeld magnetisiert wurde. Bisher wurden 83 Metallelemente entdeckt, von denen 4 oberhalb der Raumtemperatur ferromagnetische Elemente sind, nämlich Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium; Bei extrem niedrigen Temperaturen gibt es fünf Elemente, die sich in ferromagnetische Elemente verwandeln können, nämlich Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Thulium. In ferromagnetischen Materialien haben Atome inhärente atomare magnetische Momente und einige Elektronen werden geteilt.Die Spinmagnetmomente benachbarter Atome sind parallel zueinander in derselben Richtung angeordnet (auch als spontane Magnetisierung bekannt). Die M~H-Magnetisierungskurve ferromagnetischer Materialien ist nicht linear und die magnetische Suszeptibilität x variiert mit dem Magnetfeld. Die magnetische Suszeptibilität x ferromagnetischer Materialien ist sehr groß und erreicht bis zu 105~107. Antiferromagnetische Substanz
Es erzeugt kein Magnetfeld und diese Substanz ist relativ selten. Es werden immer noch neue antiferromagnetische Substanzen entdeckt. Die meisten antiferromagnetischen Materialien existieren nur bei niedrigen Temperaturen und werden normalerweise paramagnetisch, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet. Beispielsweise haben Chrom, Mangan usw. alle antiferromagnetische Eigenschaften. Atome in antiferromagnetischen Materialien haben auch inhärente atomare magnetische Momente, wobei einige Elektronen geteilt werden, benachbarte Atome jedoch entgegengesetzte magnetische Momente haben (auch als antiferromagnetische Ordnung bekannt). Die M~H-Magnetisierungskurve von ferromagnetischen Materialien ist linear, mit einer Magnetisierungsrate von χ>0 und einem Wert von etwa 10-4~10-5, der sehr klein und konstant ist. Dies bedeutet, dass sich ihr atomares magnetisches Moment bei antiferromagnetischen Materialien, wenn sie in einem externen Magnetfeld magnetisiert werden, ähnlich wie bei paramagnetischen Materialien, mit dem externen Magnetfeld sehr wenig ändert und zum schwachen Magnetismus gehört. Die magnetische Suszeptibilität antiferromagnetischer Materialien variiert mit der Temperatur, wie in der Abbildung unten gezeigt, wobei Tn als Niel-Temperatur bezeichnet wird. Der makroskopische Magnetismus ferromagnetischer Materialien ist der gleiche wie der des Ferromagnetismus, außer dass ihre magnetische Suszeptibilität geringer ist (mit einer Suszeptibilität von 102~105). Typische ferromagnetische Materialien wie Ferrite unterscheiden sich am deutlichsten von ferromagnetischen Materialien in ihrer inneren magnetischen Struktur (Anordnung der magnetischen Momente). Die atomaren magnetischen Momente ferromagnetischer Materialien sind nicht Null, und es gibt einen indirekten Austausch oder RKKY-Austausch zwischen benachbarten atomaren magnetischen Momenten, was dazu führt, dass die atomaren magnetischen Momente benachbarter Untergitter umgekehrt parallel angeordnet sind, die atomaren magnetischen Momente benachbarter Untergitter jedoch unterschiedlich groß sind (wie in der Abbildung oben gezeigt). Dieses Phänomen wird auch als ferromagnetische Ordnung oder ferromagnetische spontane Magnetisierung bezeichnet. Die M~H-Magnetisierungskurve von ferromagnetischen Materialien ist nicht linear und ähnelt ferromagnetischen Materialien, mit Ausnahme einer etwas geringeren magnetischen Suszeptibilität, gehört aber dennoch zum starken Magnetismus.