
Waardoor trekken magneten voorwerpen aan en waarom zijn sommige materialen magnetisch en andere niet? Dit artikel onderzoekt de oorsprong en toepassingen van magnetisme, waarbij we dieper ingaan op atoomstructuren en de verschillende soorten magnetische materialen. Ontdek de wetenschap achter magnetisme en leer meer over de verschillende toepassingen van magnetische materialen in moderne technologie, van alledaagse huishoudelijke voorwerpen tot geavanceerde industriële toepassingen. Door deze principes te begrijpen, krijg je inzicht in de cruciale rol die magnetisme in onze wereld speelt.
Magnetisme heeft mensen lang gefascineerd.
Meer dan 3000 jaar geleden ontdekten de Chinezen natuurlijke magneten in de natuur die elkaar of stukken ijzer konden aantrekken. Mensen gebruikten hun rijke verbeelding om dit fenomeen te vergelijken met de liefdevolle zorg van een moeder voor haar kind.
Dit is opgenomen in "Lushi Chunqiu - Jiqiuji": "Vriendelijke stenen roepen om ijzer en ze worden aangetrokken."
Het kompas, een van de vier grote oude uitvindingen van China, is een voorbeeld van hoe de oude Chinezen gebruik maakten van magnetisme.
Zoals we weten is een magnetische steen eigenlijk ijzererts (meestal magnetiet Fe3O4). We weten ook dat ijzer kan worden aangetrokken en gemagnetiseerd door een magneet.
Maar waarom hebben ze magnetisme of worden ze gemagnetiseerd?
Hoe wordt magnetisme geproduceerd?
Om de macroscopische eigenschappen van magnetisme in materialen te verklaren, moeten we beginnen met atomen en de oorsprong van magnetisme onderzoeken.
"Structuur bepaalt eigenschappen". Natuurlijk wordt magnetisme ook bepaald door de interne structuur van materiaalatomen.
De relatie tussen atoomstructuur en magnetisme kan als volgt worden samengevat:
(1) De magnetische eigenschap van een atoom komt van de spin en baanbeweging van elektronen.
(2) De aanwezigheid van ongevulde elektronen in het atoom is een noodzakelijke voorwaarde voor magnetisme in een materiaal.
(3) De "wisselwerking" tussen elektronen is de fundamentele reden waarom atomen magnetisme hebben.
Atoommagnetisme is de basis van magnetische materialen en atoommagnetisme komt voort uit het magnetisch moment van elektronen.
De beweging van elektronen is de bron van het magnetisch moment van elektronen. Elektronen hebben zowel een roterende beweging rond de atoomkern als een intrinsieke spinbeweging.
Daarom bestaat het magnetisch moment van elektronen uit twee delen: orbitaal magnetisch moment en spin magnetisch moment.
Volgens de atoombaantheorie van Bohr bewegen elektronen in atomen rond de atoomkern in een bepaalde baan.
De beweging van elektronen langs de baan correspondeert met een cirkelvormige stroom, die dienovereenkomstig een orbitaal magnetisch moment produceert.
Het vlak van het magnetisch moment van de elektronenbaan in een atoom kan verschillende richtingen aannemen, maar in een richtingsgevoelig magnetisch veld kan de richting van de elektronenbaan alleen in verschillende vaste richtingen zijn, dat wil zeggen, de richting van de baan is gekwantificeerd.
De oorsprong van magnetisme komt voort uit de spin van de elektronlading, die bekend staat als het elektronspin magnetisch moment.
Onder invloed van een extern magnetisch veld kan het magnetisch moment van de spin alleen evenwijdig of evenwijdig aan het magnetisch moment van de baan zijn.
In veel magnetische materialen is het elektronspin magnetisch moment groter dan het elektron orbitaal magnetisch moment.
Dit komt omdat in een kristal de richting van het orbitale magnetische moment van het elektron wordt gewijzigd door het kristalroosterveld en het dus geen samengesteld magnetisch moment kan vormen dat buiten het materiaal uitsteekt, wat leidt tot wat gewoonlijk wordt aangeduid als "doven" of "bevriezen" van het orbitaal impulsmoment en orbitaal magnetisch moment.
Daarom komt het magnetisme van veel vastestofmaterialen niet primair voort uit het elektron orbitaal magnetisch moment, maar eerder uit het elektron spin magnetisch moment.
Natuurlijk is er ook een kernspin magnetisch moment, maar dat is over het algemeen veel kleiner dan het elektronspin magnetisch moment (drie orden van grootte), dus dat kan genegeerd worden.
In een atoom is het vanwege het Pauli uitsluitingsprincipe niet mogelijk dat twee elektronen zich in dezelfde toestand bevinden.
Er kunnen maximaal maar twee elektronen in een baan worden ondergebracht, dus als een baan wordt gevuld met elektronen, zullen hun magnetische draaimomenten opheffen omdat ze tegengestelde spins moeten hebben.
Om het atoom extern een magnetisch moment te laten vormen, moet er een ongevulde elektronenbaan zijn.
Natuurlijk is dit, zoals we aan de hand van voorbeelden kunnen zien, slechts een noodzakelijke voorwaarde. Metalen zoals Cu, Cr, V en veel lanthaniden hebben ongevulde elektronenbanen, maar ze vertonen geen magnetisme (specifiek ferromagnetisme).
Voordat we de uitwisselingsinteractie van elektronen bespreken, kijken we eerst naar de macroscopische manifestatie van materieel magnetisme.
Volgens de verschillende magnetische eigenschappen die op macroscopisch niveau worden aangetoond door de werking van atomaire magnetische momenten te superimpositioneren, kunnen magnetische materialen worden geclassificeerd als diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch, antiferromagnetisch en ferrimagnetisch.
(1) Diamagnetisme
Diamagnetisme verwijst naar het feit dat wanneer er geen magnetisch veld is, het magnetisch moment van atomen met volledig gevulde elektronenschillen gelijk is aan nul, of het totale magnetisch moment van sommige moleculen nul is, en het geen macroscopisch magnetisme vertoont.
Maar onder invloed van een magnetisch veld zal de baanbeweging van elektronen een extra beweging produceren, wat resulteert in een geïnduceerd magnetisch moment tegengesteld aan de richting van het externe magnetische veld, maar met een zeer kleine waarde.
Dit fenomeen wordt diamagnetisme genoemd.
Veel voorkomende diamagnetische materialen zijn Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, etc.
(2) Paramagnetisme
Paramagnetisme verwijst naar het feit dat atomen magnetische momenten hebben die niet volledig worden opgeheven, en daarom een totaal magnetisch moment hebben.
Maar omdat de richting van de atomaire magnetische momenten chaotisch is, heffen de externe effecten elkaar op en vertoont het geen macroscopisch magnetisme.
Maar onder invloed van een extern magnetisch veld wordt elk atomair magnetisch moment vaker uitgelijnd met de richting van het magnetische veld en minder vaak ertegenin, wat zich kan manifesteren als zwak magnetisme op macroscopisch niveau. In feite is het materiaal op deze manier gemagnetiseerd.
Experimenten tonen aan dat hoe hoger de temperatuur, hoe lager de magnetisatie van paramagnetische materialen. Dit komt omdat thermische beweging de regelmatige oriëntatie van atomaire magnetische momenten vernietigt.
Hoe hoger de temperatuur, hoe groter de thermische energie van de atomen, waardoor het moeilijker wordt voor atomaire magnetische momenten om zich te richten op het externe magnetische veld, en daardoor is de magnetisatie lager.
(3) Ferromagnetisme
Ferromagnetisme verwijst naar het fenomeen waarbij aangrenzende atomen door onderlinge interacties geordend kunnen worden in de richting van een extern magnetisch veld.
Over het algemeen kunnen ferromagnetische materialen een hoge magnetisatie bereiken, zelfs in zwakke magnetische velden; nadat het externe magnetische veld is verwijderd, kunnen ze nog steeds een sterk magnetisme behouden.
Waarom kunnen ferromagnetische materialen tot verzadiging gemagnetiseerd worden, zelfs in zwakke magnetische velden?
Dit komt omdat de interne atomaire magnetische momenten van deze materialen al tot op zekere hoogte zijn uitgelijnd in een bepaalde richting, zonder dat er een extern magnetisch veld aan te pas is gekomen.
Deze spontane magnetisatie is verdeeld in kleine gebieden en binnen elk gebied zijn de atomaire magnetische momenten parallel aan elkaar. Deze kleine gebieden worden magnetische domeinen genoemd.
De spontane magnetiseringsoriëntaties van de verschillende magnetische domeinen in het materiaal verschillen van elkaar en ze heffen elkaars externe effecten op, zodat het hele materiaal geen macroscopisch magnetisme vertoont.
Met andere woorden, ferromagnetische materialen bestaan uit kleine "magneten" die onregelmatig gerangschikt zijn en geen extern magnetisme vertonen onder statistische regelmatigheden.
Wanneer echter een externe kracht (extern magnetisch veld) de polariteit van elke "kleine magneet" in dezelfde richting schikt, vertoont het extern sterk magnetisme.
De spontane magnetisatie van de magnetische domeinen in ferromagnetische materialen is een belangrijke reden voor hun ferromagnetisme.
Dit verklaart waarom "atomen met ongevulde elektronenschillen" slechts een noodzakelijke voorwaarde zijn voor materieel magnetisme.
In strikte zin zou wat we gewoonlijk magnetisme noemen eigenlijk ferromagnetisme moeten zijn.
Daarom hebben elementen zoals Mn en Cr, hoewel ze ook atomaire magnetische momenten hebben, intern geen magnetisme (ferromagnetisme).
(4) Antiferromagnetisme
Antiferromagnetisme verwijst naar het fenomeen waarbij, onder invloed van een magnetisch veld, aangrenzende atomen of ionen met dezelfde spin zich in tegengestelde richtingen rangschikken, waardoor hun magnetische momenten elkaar opheffen, waardoor ze lijken op paramagnetische materialen en geen magnetisme vertonen.
(5) Ferrimagnetisme
Ferrimagnetisme is in wezen antiferromagnetisme waarbij de omgekeerde magnetische momenten op twee subroosters niet volledig opheffen.
Het lijkt op ferromagnetisme omdat het sterk magnetisch is, maar verschilt van ferromagnetisme omdat het magnetisme afkomstig is van het verschil tussen twee tegengesteld gerichte en ongelijke magnetische momenten.
Momenteel behoren veel ferrieten (samengestelde oxiden die bestaan uit ijzer en een of meer metalen) die zijn bestudeerd tot de ferrimagnetische materialen.
Ferrimagnetisme en antiferromagnetisme zijn nauw verwant. Uitgaande van een bekende antiferromagnetische structuur kan deze door elementvervangingen worden omgevormd tot een ferrimagnetisch materiaal dat de oorspronkelijke magnetische structuur behoudt, maar twee subroosters heeft met ongelijke magnetische momenten.
Ferromagnetische en ferrimagnetische materialen worden samen sterk magnetische materialen genoemd en ze vertegenwoordigen de belangrijkste ontwikkelingsrichting van magnetische materialen.
Interactie Laten we vervolgens eens kijken hoe de wisselwerking van elektronen het magnetisch spinmoment van elektronen beïnvloedt en daarmee het macroscopisch magnetisme van materialen.
De uitwisselingsinteractie tussen atomen verwijst over het algemeen naar de elektrostatische interactie die wordt veroorzaakt door de onderlinge uitwisseling van posities van elektronen in aangrenzende atomen.
Wanneer twee atomen dicht bij elkaar liggen, moeten we niet alleen rekening houden met elektron 1 dat rond kern 1 beweegt en elektron 2 dat rond kern 2 beweegt, omdat elektronen niet van elkaar te onderscheiden zijn, maar moeten we ook rekening houden met de mogelijkheid dat de posities van de twee elektronen worden verwisseld, zodat elektron 1 rond kern 2 lijkt te bewegen en elektron 2 rond kern 1 lijkt te bewegen.
In een waterstofatoom bijvoorbeeld vindt dit soort elektronenuitwisseling plaats met een frequentie van ongeveer 1018 keer per seconde. De energieverandering die wordt veroorzaakt door deze uitwisselingsinteractie wordt de uitwisselingsenergie genoemd, aangeduid als Eex.
In het algemeen kan de energie van atoombinding worden uitgedrukt als:
E=E0+E '=E0+(C+A)
Waar E0 de totale energie van elk atoom in de grondtoestand;
C is de energietoename als gevolg van de statische elektrische Coulomb-interactie tussen kernen en elektronen;
A is de energietoename als gevolg van de uitwisseling van elektronen, meestal de uitwisselingsenergieconstante genoemd.
A hangt af van de mate van nabijheid van gedeeltelijk gevulde elektronenschillen van naburige atomen, en het is een energie die de grootte van de uitwisselingsinteractie meet.
Experimenteel bewijs toont aan dat de energieverandering (d.w.z. uitwisselingsenergie Eex) veroorzaakt door de uitwisselingsinteractie van twee elektronen in een waterstofmolecuul bij benadering als volgt kan worden uitgedrukt:
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Waar Sa en Sb staan voor de spin-quantumnummers van de twee elektronen. φ is de hoek tussen de richtingen van de magnetische spinmomenten van de twee elektronen en het mogelijke variatiebereik is 0° tot 180°.
Hoewel de bovenstaande vergelijking is verkregen uit de uitwisselingsinteractie tussen waterstofatomen met slechts één elektron, heeft ze een algemene betekenis voor de kwalitatieve analyse van de uitwisselingsinteractie van atomen met meerdere elektronen. Verdere analyse onthult dat:
(1) Als A>0, als φ=180°, cosφ=-1, wat aangeeft dat de richtingen van de magnetische draaimomenten van de twee elektronen tegengesteld zijn, d.w.z. de magnetische draaimomenten van de elektronen zijn antiparallel gerangschikt, en Eex(180)=+2ASaSbals φ=0°, wat aangeeft dat de richtingen van de magnetische draaimomenten van de twee elektronen gelijk zijn, en de magnetische draaimomenten van de elektronen parallel zijn gerangschikt, Eex(0)=-2ASaSb.
Bovendien, als 0°<φ<180°, dan zijn de spinrichtingen van de twee elektronen noch hetzelfde noch tegengesteld, maar juist gescheiden door een hoek φ, en hun uitwisselingsenergie Eex ligt tussen de twee, dus Eex(0°)<Eex<Eex(180°). Volgens de basiswet dat energieminimalisatie de meest stabiele toestand is, kan worden gezien dat de energie van het systeem alleen wordt geminimaliseerd wanneer φ=0°, op welk punt het systeem zich in de meest stabiele toestand bevindt.
Wanneer de richtingen van de aangrenzende magnetische spinmomenten van de twee elektronen hetzelfde zijn, zijn de magnetische spinmomenten van de elektronen noodzakelijkerwijs parallel gerangschikt, wat aanleiding geeft tot spontane magnetisatie en leidt tot het bestaan van ferromagnetisme in materie.
(2) Wanneer A < 0, alleen wanneer φ = 180°, is de energie van het hele systeem geminimaliseerd, wat betekent dat de richting van de elektronspin antiparallel is gerangschikt, wat antiferromagnetisme is.
(3) Als |A| heel klein is, is de uitwisselingsinteractie tussen deze twee naburige atomen zwak en is de uitwisselingsenergie Eex erg klein is. Wanneer φ rond 90o is, is de energie laag, dus is de richting van het magnetische moment chaotisch en is het materiaal paramagnetisch.
Samengevat hangen de specifieke eigenschappen van materiaalmagnetisme af van A, dat is de mate waarin de ongevulde elektronenschillen van naburige atomen dicht bij elkaar liggen.
Daarom wordt het magnetisme van materialen bepaald door de verdeling van elektronen in atomen en de kristalstructuur van het materiaal.
De eigenschappen van magnetisme maken magnetische materialen cruciaal voor de ontwikkeling van hightechindustrieën en ze vormen een belangrijke pijler voor de vooruitgang van wetenschap en technologie. Ze vormen ook een zeer actief onderzoeksgebied in de moderne technologie.
Gezien de prominente rol van magnetische materialen in de huidige informatiemaatschappij, kan het niveau van technologische ontwikkeling van een land worden weerspiegeld door zijn magnetische materialen en kan de vraag naar dit type materiaal worden gebruikt om de economische en gemiddelde levensstandaard van een land te meten.
Vervolgens zullen we kort enkele veelvoorkomende magnetische materialen in het dagelijks leven beschrijven.
De term "magnetische materialen" verwijst voornamelijk naar ferromagnetische en ferrimagnetische materialen.
Op basis van hun magnetische verdeling kunnen ze worden onderverdeeld in harde (permanente) magnetische materialen, halfharde magnetische materialen en zachte magnetische materialen.
Materialen Zachte magnetische materialen zijn materialen die gemakkelijk gemagnetiseerd en gedemagnetiseerd worden door wisselstroom, meestal met ferrimagnetische eigenschappen.
Ze hebben een aantal speciale eigenschappen:
(1) Door magnetisatie met een extern magnetisch veld kunnen ze een hoge maximale magnetische inductie-intensiteit hebben;
(2) Onder de magnetisatie van een extern magnetisch veld van een bepaalde sterkte kunnen zachte magnetische materialen zelf een hogere magnetische inductie-intensiteit hebben;
(3) De weerstand tegen beweging van het magnetische domein in zachte magnetische materialen is klein.
Vanwege deze eigenschappen worden zachte magnetische materialen veel gebruikt in communicatie, omroep, televisie, instrumentatie en moderne elektronische technologie. Ze worden vaak gebruikt als kernen voor generatoren en distributietransformatoren.
Op deze gebieden moeten magnetische materialen een hoge gevoeligheid hebben voor veranderingen in externe magnetische velden.
Als het materiaal moeilijk te magnetiseren is of als de magnetische eigenschappen niet gemakkelijk vrijkomen na het magnetiseren, kan het niet voldoen aan de eisen van deze toepassingen. Zachte ferrimagnetische materialen zijn ideaal voor deze toepassingen.
Daarom behoren zachte ferrimagnetische materialen tot de vroegst ontwikkelde, meest diverse, meest rendabele en meest gebruikte magnetische materialen.
Harde magnetische materialen, ook wel permanente magneten genoemd, kunnen een sterke magnetisatie behouden nadat ze zijn gemagnetiseerd en kunnen een gegeven ruimte gedurende lange tijd van een constant magnetisch veld voorzien zonder elektrische energie te verbruiken.
Het zijn meestal ferromagnetische materialen. Harde magnetische materialen worden veel gebruikt in elektromotoren, generatoren, luidsprekers, lagers, bevestigingsmiddelen en transmissieapparaten.
Het permanente magnetisme van harde magnetische materialen is precies wat deze velden nodig hebben.
Zo hebben elektromotoren en generatoren een magnetisch lichaam met een constant magnetisch veld nodig om te kunnen werken. Permanente magneten zijn ideaal omdat ze geen elektrische energie verbruiken om hun magnetische eigenschappen te behouden.
Vanwege de lage variabiliteit van harde magnetische materialen is hun toepassingsgebied echter beperkt, ook al bieden ze een hoge stabiliteit.
Halfharde magnetische materialen hebben eigenschappen die tussen zachte magnetische materialen en harde magnetische materialen in liggen.
Ze worden gekenmerkt door een stabiele residuele magnetische inductie-intensiteit onder externe magnetische velden kleiner dan een bepaalde waarde (vergelijkbaar met harde magnetische materialen), maar ze hebben ook de neiging om hun magnetisatierichting te veranderen onder omgekeerde magnetische velden groter dan een bepaalde drempel, vergelijkbaar met zachte magnetische materialen.
Daarom worden halfharde magnetische materialen gebruikt als dynamische materialen en met de steeds intelligentere samenleving is er een groeiende vraag naar dynamische materialen, waardoor halfharde magnetische materialen een veelbelovend ontwikkelingsgebied worden.
Toepassingen zijn onder andere relais, semi-vaste opslagapparaten en alarmapparaten.
Magnetische opnamemedia zijn een belangrijk type halfhard magnetisch materiaal dat veel wordt gebruikt in apparaten voor informatieopslag, zoals harde schijven, magneetbanden en creditcards.
Halfharde magnetische materialen spelen een vitale rol in deze toepassingen vanwege hun dynamische eigenschappen.
Als we harde schijven als voorbeeld nemen, wordt het halfharde magnetische materiaal voornamelijk gebruikt in het schijfgedeelte.
Als de schijf draait en de kop in één positie blijft, maakt elke kop een cirkelvormig spoor op het oppervlak van de schijf.
Deze cirkelvormige sporen worden sporen genoemd, die in feite magnetische circuits met openingen zijn.
Tijdens het schrijven zet de computer informatie om in elektrische stroom en stuurt deze naar de spoel rond het hoofd.
De stroom in de spoel magnetiseert de kop en het magnetische veld dat door de gemagnetiseerde kop wordt opgewekt, magnetiseert het medium op de baan.
Omdat de stroomsterkte verschilt, verandert het magnetische veld van de kop, waardoor de magnetisatie van het magnetische medium verandert en er andere gegevens worden vastgelegd.
Terwijl de kop en de schijf bewegen, worden grote hoeveelheden informatie op de schijf opgeslagen.
Het uitleesproces verloopt in de tegenovergestelde richting van het schrijfproces en maakt gebruik van het magnetische veld van het magnetische medium om een verandering in de magnetische flux op de kop te produceren, waardoor een variërende stroom in de spoel wordt opgewekt, die als elektrisch signaal door de computer kan worden gebruikt.
Magnetische materialen spelen een belangrijke rol in ons dagelijks leven en het belang ervan spreekt voor zich. Wij geloven dat met een beter begrip van magnetisme en vooruitgang in magnetische materiaaltechnologie, het nog bredere toepassingen in ons leven zal hebben.
De bovenstaande analyse is relatief algemeen en eenvoudig.
Als we de diepere principes begrijpen en weten hoe we de magnetische eigenschappen van magnetische materialen voor ons gebruik kunnen beheersen, zullen we in de toekomst vooruitgang moeten blijven boeken.