Ο σιδηρομαγνητισμός και οι αιτίες του

Εισαγωγή

Όταν ορισμένα υλικά (όπως ο σίδηρος) δημιουργούν μόνιμους μαγνήτες ή έλκονται από μαγνήτες, σιδηρομαγνητισμός Ο πρωτεύων μηχανισμός, ο μαγνητισμός, μπορεί να ταξινομηθεί με διάφορους τρόπους στη φυσική. Ο μαγνητισμός προκαλείται απόσιδηρομαγνητισμό (μαζί με τα συγκρίσιμα φαινόμενα του σιδηρομαγνητισμού), ο πιο ισχυρός τύπος μαγνητισμού. Ωστόσο, αυτές οι ασθενείς δυνάμεις μπορούν να παρατηρηθούν μόνο σε εργαστήριο χρησιμοποιώντας ευαίσθητα όργανα λόγω της παρουσίας τριών πρόσθετων μορφών μαγνητισμού:παραμαγνητισμού, διαμαγνητισμού και αντισιδηρομαγνητισμού.

Ένας μαγνήτης ψυγείου, που χρησιμοποιείται συνήθως για τη συγκράτηση των αυτοκόλλητων σημειώσεων στην πόρτα του ψυγείου, είναι ένα καθημερινό παράδειγμα σιδηρομαγνητισμού. Στον αρχαίο κόσμο, «η ποιότητα του μαγνητισμού ήταν αρχικά ορατή, και σε εμάς σήμερα», περιγράφει την έλξη ενός μαγνήτη προς το σιδηρομαγνητικό υλικό.

Σιδηρομαγνητικά υλικά

Υπάρχει μόνο ένας μικρός αριθμός ενώσεων που παρουσιάζουν τη μοναδική ιδιότητα του σιδηρομαγνητισμού . Τα κράματα μεταβατικών μετάλλων όπως ο σίδηρος, το νικέλιο, το κοβάλτιο και τα μέταλλα σπάνιων γαιών είναι τα πιο συχνά. Είναι μια ιδιότητα της κρυσταλλικής δομής και της μικροδομής του υλικού, όχι μόνο της χημικής του σύνθεσης. Λόγω του νόμου του Hund της μέγιστης ποικιλότητας, αυτά τα υλικά έχουν πολλά ασύζευκτα ηλεκτρόνια στο μπλοκ d (σίδηρος και τα ξαδέρφια του) ή στο μπλοκ f (τα μέταλλα σπάνιων γαιών), που έχει ως αποτέλεσμα τον σιδηρομαγνητισμό τους .

Τα κράματα Heusler, που ονομάστηκαν από τον Fritz Heusler, είναι κράματα σιδηρομαγνητικών μετάλλων με μη σιδηρομαγνητικά συστατικά. Τα σιδηροηλεκτρικά μέταλλα, όπως αυτά που βρίσκονται στον ανοξείδωτο χάλυβα, είναι τα κύρια συστατικά των μη μαγνητικών κραμάτων. Η ταχεία ψύξη ενός υγρού κράματος μπορεί να παράγει άμορφο (μη κρυσταλλικό) σιδηρομαγνητικό μεταλλικά κράματα. Μερικά παραδείγματα περιλαμβάνουν το κράμα μετάλλου μετάπτωσης-μεταλλοειδούς (συχνά αποτελείται από περίπου 80% μέταλλο μετάπτωσης και το υπόλοιπο μεταλλοειδές συστατικό) που μειώνει το σημείο τήξης ενός δεδομένου υλικού. Οι μαγνήτες σπάνιων γαιών είναι μια σχετικά νέα κατηγορία στερεών σιδηρομαγνητικών υλικών. Στοιχεία λανθανίδης, τα οποία είναι ευρέως αναγνωρισμένα για τη μεταφορά τεράστιων μαγνητικών ροπών, βρίσκονται σε αυτά τα άτομα.

Αιτίες σιδηρομαγνητισμού

Ο σιδηρομαγνητισμός προκαλείται από την ευθυγράμμιση των μόνιμων διπόλων στα άτομα που προκύπτουν από μη ζευγαρωμένα ηλεκτρόνια στα εξωτερικά κελύφη και την αλληλεπίδραση μεταξύ των διπόλων των γειτονικών ατόμων. Για παράδειγμα, το εξωτερικό περίβλημα των σιδηρομαγνητικών υλικών όπως ο σίδηρος και το κοβάλτιο περιέχει ηλεκτρόνια, αλλά το εσωτερικό κέλυφος κοντά στο άκρο παραμένει άδειο. Ως αποτέλεσμα, τα σιδηροηλεκτρικά υλικά έχουν τεράστιες μαγνητικές ροπές σπιν λόγω της ηλεκτρονικής δομής τους, που οδηγούν σε ατομικές διπολικές ροπές στερεού.

Παραδείγματα σιδηρομαγνητικών υλικών

Τα μέταλλα αποτελούν τη συντριπτική πλειοψηφία των σιδηρομαγνητικών υλικών. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά περιλαμβάνουν σίδηρο, κοβάλτιο, νικέλιο και άλλα μέταλλα. Επιπλέον, τα σιδηρομαγνητικά υλικά περιλαμβάνουν κράματα μετάλλων και μαγνήτες σπάνιων γαιών. Η οξείδωση του σιδήρου σε οξείδιο παράγει μαγνητίτη, μια σιδηρομαγνητική ουσία. 580°C είναι η θερμοκρασία Κιουρί. Αρχικά, θεωρήθηκε ότι ήταν μαγνητικό υλικό. Ο μαγνητίτης διαθέτει τις πιο ισχυρές μαγνητικές ιδιότητες από όλα τα φυσικά ορυκτά.

Ιδιότητες σιδηρομαγνητικών υλικών

• Οι τομείς διπολικής ροπής υπάρχουν στα άτομα του σιδηρομαγνητικού υλικά.
• Τα σιδηροηλεκτρικά υλικά έχουν δίπολα ευθυγραμμισμένα στην ίδια κατεύθυνση με το μαγνητικό πεδίο έξω από το υλικό.
• Το μαγνήσιο έχει μια ζωτική διπολική ροπή, η οποία δείχνει προς την κατεύθυνση έλξης του μαγνητικού πεδίου.
• Όταν εφαρμόζεται μαγνητικό πεδίο, η ένταση της μαγνήτισης (M) αυξάνεται γρήγορα και γραμμικά (H). Ως αποτέλεσμα, ο κορεσμός είναι ειδικός για το υλικό.
• Η ευαισθησία στα μαγνητικά πεδία είναι τεράστια και πολύ θετική. Το M υποδηλώνει την ένταση της μαγνήτισης, ενώ το H δείχνει πόσο ισχυρό είναι ένα εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο. Αυτό σημαίνει ότι η μαγνητική επιδεκτικότητα Xm είναι ίση με M/H.
• Το υλικό έχει πολύ υψηλή και θετική πυκνότητα μαγνητικής ροής. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν υψηλή πυκνότητα γραμμών μαγνητικού πεδίου. Το 0 είναι η μαγνητική διαπερατότητα του ελεύθερου χώρου, το H είναι η ισχύς του εφαρμοζόμενου μαγνητικού πεδίου και το M αντιπροσωπεύει την ένταση της μαγνήτισης. Αυτό μας δίνει την πυκνότητα μαγνητικής ροής B =0 (H + M).
• Το πεδίο μέσα στο υλικό είναι σημαντικά πιο ουσιαστικό από το πεδίο μαγνήτισης. Ως εκ τούτου, η σχετική διαπερατότητα ποικίλλει γραμμικά ανάλογα με το πεδίο μαγνήτισης. Ως αποτέλεσμα, σύρονται πολλές γραμμές δύναμης στο υλικό.
• Το μαγνητικό πεδίο έχει ισχυρή έλξη στα σιδηρομαγνητικά υλικά. Ως αποτέλεσμα, τείνουν να συγκεντρώνονται γύρω από τους πόλους σε ένα ανώμαλο πεδίο.
• Ένα γυαλί ρολογιού με σιδηρομαγνητική σκόνη θα εμφανίσει μια κοιλότητα στη μέση του εάν τοποθετηθεί σε δύο πόλους που απέχουν αρκετά μεταξύ τους. Αυτό συμβαίνει επειδή τα ισχυρότερα μαγνητικά πεδία βρίσκονται κοντά στους πόλους.
• Οι σιδηρομαγνητικές ουσίες χάνουν τα μαγνητικά τους χαρακτηριστικά όταν υγροποιούνται σε υψηλές θερμοκρασίες.

Χρήσεις σιδηρομαγνητικών ουσιών

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν πολλές βιομηχανικές χρήσεις, για παράδειγμα, ηλεκτρικούς κινητήρες, γεννήτριες, μετασχηματιστές, τηλέφωνα, μεγάφωνα και πιστωτικές κάρτες.

Θερμοκρασία Κιουρί

Η θερμοκρασία επηρεάζει τις σιδηρομαγνητικές ιδιότητες. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά γίνονται παραμαγνητικά όταν θερμαίνονται σε αρκετά υψηλή θερμοκρασία. Η θερμοκρασία του Κιουρί είναι η θερμοκρασία στην οποία συμβαίνει αυτή η μετάβαση. Η συντομογραφία είναι TC.

Υστέρηση

Μια σιδηρομαγνητική ουσία δεν απομαγνητίζεται πλήρως όταν αφαιρείται το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Πρέπει να παρέχεται μαγνητικό πεδίο προς την αντίθετη κατεύθυνση για να επαναφέρει το υλικό σε κατάσταση μηδενικής μαγνήτισης. Η υστέρηση του μαγνητισμού συμβαίνει όταν ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο αφαιρείται από ένα σιδηρομαγνητικό υλικό. Ένας βρόχος σχηματίζεται όταν η πυκνότητα της μαγνητικής ροής (Β) του υλικού σχεδιάζεται έναντι της έντασης ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου (Η). Ο όρος είναι βρόχος υστέρησης. Η πυκνότητα της μαγνητικής ροής είναι γνωστή ως συγκράτηση όταν αφαιρείται η δύναμη μαγνήτισης. Απαιτείται ένα αντίστροφο μαγνητιστικό πεδίο υψηλής καταναγκασμού για να απομαγνητιστεί πλήρως ένα υλικό.

Δομή τομέα

Αυτό το μεγάλης κλίμακας είδος μαγνητικής οργάνωσης για σιδηρομαγνήτες, που ονομάστηκε δομή τομέα, προτάθηκε από τον Γάλλο επιστήμονα Pierre-Ernest Weiss. Υπάρχουν πολλά πεδία σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό στα οποία όλες οι μαγνητικές ροπές των ατόμων και των ιόντων είναι ευθυγραμμισμένες. Μια εξωτερική δύναμη μαγνήτισης, ανάλογα με τη δύναμή της, θα περιστραφεί η μία μετά την άλλη από αυτές τις περιοχές σε ευθυγράμμιση με το εξωτερικό πεδίο και θα προκαλέσει την αύξηση των ευθυγραμμισμένων περιοχών σε βάρος των μη ευθυγραμμισμένων, με αποτέλεσμα ένα μαγνητισμένο αντικείμενο στο σύνολό του.

Ο κορεσμός είναι μια κατάσταση στην οποία το όλο πράγμα περιέχεται σε μια ενιαία περιοχή. Είναι δυνατό να δείτε τη δομή ενός τομέα απευθείας. Ένα κολλοειδές διάλυμα με βάση μαγνήτη εφαρμόζεται στην επιφάνεια των σιδηρομαγνητών με μία μέθοδο. Ένα οπτικό μικροσκόπιο μπορεί εύκολα να ανιχνεύσει ένα διακριτό μοτίβο συγκεντρώσεων σωματιδίων όταν υπάρχουν επιφανειακοί πόλοι. Το πολωμένο φως, τα πολωμένα νετρόνια, οι δέσμες ηλεκτρονίων και οι ακτίνες Χ έχουν όλα εμφανίσει τομείς.

Συμπέρασμα 

Αρκετές ιοντικά συνδεδεμένες ενώσεις είναι σιδηρομαγνητικές από τη δεκαετία του 1950, ιδιαίτερα από το 1960. Ηλεκτρικοί μονωτές μπορούν να βρεθούν σε ορισμένες από αυτές τις ενώσεις, ενώ ημιαγωγοί βρίσκονται σε άλλες. Τα αλογονίδια (ενώσεις φθορίου και άλλων στοιχείων που περιέχουν φθόριο όπως το χλώριο και το βρώμιο) και τα χαλκογονίδια (ενώσεις οξυγόνου και θείου) είναι παραδείγματα αυτών των ενώσεων. Μόνο το μαγγάνιο, το χρώμιο (Cr) και το ευρώπιο (Eu) έχουν μόνιμες διπολικές ροπές σε αυτά τα υλικά. τα άλλα είναι διαμαγνητικά. Σημαντική ποσότητα αυθόρμητης μαγνήτισης εμφανίζεται στα μέταλλα σπάνιων γαιών έρβιο (Er) και χόλμιο (Ho) όταν οι μη παράλληλες ροπές τους υπάρχουν σε χαμηλές θερμοκρασίες. Επιπλέον, η σιδηρομαγνητική διάταξη μπορεί να βρεθεί σε ορισμένες ιοντικές ενώσεις με την κρυσταλλική δομή του σπινελίου. Για παράδειγμα, το Θούλιο (Tm) μαγνητίζεται αυθόρμητα κάτω από 32 Κέλβιν (K) λόγω ενός ξεχωριστού σχεδιασμού.

Έχουμε μελετήσει τον σιδηρομαγνητισμό και τα σιδηρομαγνητικά υλικά. Είναι πολύ χρήσιμα στις σύγχρονες βιομηχανίες.