Магнетизм и магнитный момент

http://www.магнит-навсегда.ком

Все вещи в мире обладают магнетизмом, от столов и стульев вокруг нас до планет и солнца во вселенной. Независимо от того, в каком состоянии они находятся (кристаллическом, аморфном, жидком или газообразном), при высокой или низкой температуре, высоком или низком давлении, все они обладают магнетизмом. Разница в том, что некоторые вещества обладают сильным магнетизмом, а другие — слабым. Однако можно сказать, что веществ без магнетизма не существует. Вещества можно разделить на пять категорий на основе их характеристик во внешнем магнитном поле: парамагнитные вещества, диамагнитные вещества, ферромагнитные вещества, ферримагнитные вещества и антиферромагнитные вещества. Что заставляет все вещества обладать магнетизмом? Каковы причины, по которым разные вещества обладают указанными выше различными характеристиками? Это начинается с основы материи — атомов. Материя состоит из атомов, а атомы состоят из атомных ядер и электронов. В атомах электроны имеют орбитальные магнитные моменты из-за их движения вокруг атомного ядра; Электроны имеют спиновые магнитные моменты из-за их спина, а магнитные моменты атомов в основном происходят от орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, которые являются источником всего материального магнетизма. Магнитный момент атомного ядра составляет всего 1/1836.5 от магнитного момента электрона, поэтому магнитный момент атомного ядра обычно игнорируется

Магнитный момент одиночного изолированного атома

Магнитный момент — это направленный вектор. Спиновую моду электронов в атомах можно разделить на два типа: вверх и вниз. В большинстве веществ имеется столько же электронов со спином вверх и вниз, и магнитные моменты, которые они создают, компенсируют друг друга. Весь атом не имеет магнетизма для внешнего мира. Только несколько атомов вещества имеют разное количество электронов в разных направлениях спина. Поэтому после того, как магнитные моменты электронов с противоположными спинами компенсируют друг друга, все еще есть некоторые электроны, спиновые магнитные моменты которых компенсируются, и весь атом имеет полный магнитный момент. Магнитный момент отдельного атома зависит от его атомной структуры, а именно от расположения и количества электронов. Все атомы элементов в периодической таблице имеют свои собственные магнитные моменты. Магнитный момент атомов в кристалле, который мы обсуждали выше, является магнитным моментом одного атома, но в твердых кристаллах или некристаллах атомы расположены в узлах кристалла и находятся под воздействием ядерного электрического поля и электронного электростатического поля соседних атомов. Поэтому магнитный момент атомов в кристалле отличается от магнитного момента отдельного изолированного атома. Например, железо, кобальт и никель известны как 3D переходные металлы. В кристалле электроны некоторых атомов становятся открытыми электронами соседних атомов, вызывая изменение электронной структуры атомов. Некоторые орбитальные магнитные моменты замораживаются, оставляя только спиновый магнитный момент, способствующий атомному магнитному моменту в кристалле. В результате магнитный момент атомов в кристалле отклоняется от теоретического значения. Мы уже знаем из предыдущего содержания, что все вещи во вселенной обладают магнетизмом, и магнетизм в основном возникает из атомного магнетизма. Из-за различных магнитных моментов различных атомов возникает взаимодействие между атомными магнитными моментами в макроскопических веществах. Расположение атомных магнитных моментов при комнатной температуре различно. Мы разделяем макроскопические вещества на парамагнитные вещества, диамагнитные вещества, ферромагнитные вещества, субферромагнитные вещества и антиферромагнитные вещества в соответствии с их магнитными свойствами, включая следующие три характеристики. 1. Макроскопический магнетизм вещества обусловлен магнитными моментами его составляющих атомов или молекул. Мы называем полный магнитный момент материала на единицу объема его намагниченностью, обозначаемой M и измеряемой в A/m. Если объем вещества равен V, он имеет n атомов, а магнитный момент каждого атома равен μ J, то M=μ J1+μ J2+...+μ Джн, то есть M=∑ μ J/v. 2. Кривая намагничивания (кривая M~H) напряженности намагничивания: Когда внешнее магнитное поле равно нулю, атомные магнитные моменты могут быть расположены случайным образом. Однако, когда мы применяем ненулевое внешнее магнитное поле, каждый атомный магнитный момент может повернуться в направлении внешнего магнитного поля,и изменяется интенсивность намагничивания M вещества. Кривая зависимости между интенсивностью намагничивания M и внешним магнитным полем H называется кривой намагничивания, сокращенно — кривой намагничивания M~H. Кривые намагничивания разных веществ также различны.

3. Магнитная восприимчивость х2

На кривой намагничивания M~H отношение M к H в любой точке называется магнитной восприимчивостью, представленной как чи. χ=M/H, Единица измерения M — А/м, Единица измерения H — также А/м, поэтому это относительная магнитная восприимчивость, не имеющая единицы. Мы используем размер и расположение атомных магнитных моментов, форму кривой намагничивания M~H и такие параметры, как магнитная восприимчивость, для описания магнетизма веществ и их классификации.

Парамагнитные вещества — это вещества, которые могут намагничиваться в соответствии с направлением магнитного поля, когда они приближаются к нему, но они очень слабы и могут быть измерены только точными приборами; Если внешнее магнитное поле убрать, внутреннее магнитное поле также вернется к нулю, что приведет к отсутствию его магнетизма. Такие как алюминий, кислород и т. д. Каждый атом в парамагнитных материалах имеет магнитный момент, который дает парамагнитным материалам присущий атомный магнитный момент; В парамагнитных материалах нет взаимодействия между соседними атомами, поэтому при комнатной температуре атомные магнитные моменты расположены случайным образом, а значение проекции атомного магнитного момента μ J в любом направлении равно нулю. При воздействии внешнего магнитного поля H атомный магнитный момент таких веществ может вращаться только на очень небольшой угол вдоль направления внешнего магнитного поля, и их сила намагничивания медленно увеличивается с увеличением внешнего магнитного поля. Его магнитная восприимчивость больше 0, со значением, как правило, в диапазоне от 10-5 до 10-3. Для того чтобы полностью выровнять атомные магнитные моменты парамагнитных веществ по направлению внешнего магнитного поля, по оценкам, требуется внешнее магнитное поле напряженностью 109-1010 А/м, что в настоящее время трудно достичь с помощью искусственных магнитных полей. Антимагнитные вещества - это вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью, что означает, что направление магнитного поля после намагничивания противоположно направлению внешнего магнитного поля. Все органические соединения обладают диамагнетизмом, такие как графит, свинец, вода и т. д. Проекция атомного орбитального магнитного момента и спинового магнитного момента диамагнитных веществ в магнитном поле равна нулю, что означает, что диамагнитные вещества не имеют чистого атомного магнитного момента. Однако под действием внешнего магнитного поля электронная орбиталь будет генерировать индуцированный дополнительный магнитный момент, и этот индуцированный магнитный момент противоположен по направлению внешнему магнитному полю, что приводит к отрицательному магнетизму. Направление намагничивания диамагнитных веществ отрицательно, противоположно внешнему магнитному полю, и его абсолютное значение линейно увеличивается с увеличением внешнего магнитного поля. Ферромагнитное вещество — это вещество, которое может сохранять свое магнитное состояние даже при исчезновении внешнего магнитного поля после намагничивания внешним магнитным полем. На данный момент открыто 83 металлических элемента, из которых 4 являются ферромагнитными элементами выше комнатной температуры, а именно железо, кобальт, никель и гадолиний; При крайне низких температурах существует пять элементов, которые могут превращаться в ферромагнитные элементы, а именно тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий. В ферромагнитных материалах атомы имеют собственные атомные магнитные моменты, а некоторые электроны являются общими.Спиновые магнитные моменты соседних атомов расположены параллельно друг другу в одном направлении (также известно как спонтанная намагниченность). Кривая намагничивания M~H ферромагнитных материалов нелинейна, а магнитная восприимчивость x изменяется в зависимости от магнитного поля. Магнитная восприимчивость x ферромагнитных материалов очень велика, достигая 105~107. Антиферромагнитное вещество

Он не создает магнитного поля, и это вещество относительно редко встречается. Новые антиферромагнитные вещества все еще открываются. Большинство антиферромагнитных материалов существуют только при низких температурах, и если предположить, что температура превышает определенное значение, они обычно становятся парамагнитными. Например, хром, марганец и т. д. все обладают антиферромагнитными свойствами. Атомы в антиферромагнитных материалах также имеют присущие им атомные магнитные моменты, при этом некоторые электроны являются общими, но соседние атомы имеют противоположные магнитные моменты (также известные как антиферромагнитное упорядочение). Кривая намагничивания M~H ферромагнитных материалов линейна со скоростью намагничивания χ>0 и значением около 10-4~10-5, что очень мало и является постоянным. Это означает, что когда антиферромагнитные материалы намагничиваются во внешнем магнитном поле, их атомный магнитный момент изменяется очень мало с внешним магнитным полем, подобно парамагнитным материалам, и относится к слабому магнетизму. Магнитная восприимчивость антиферромагнитных материалов меняется в зависимости от температуры, как показано на рисунке ниже, где Тн называется температурой Ниеля. Макроскопический магнетизм ферромагнитных материалов такой же, как и у ферромагнетизма, за исключением того, что их магнитная восприимчивость ниже (с восприимчивостью 102~105). Типичные ферромагнитные материалы, такие как ферриты, наиболее существенно отличаются от ферромагнитных материалов своей внутренней магнитной структурой (расположением магнитных моментов). Атомные магнитные моменты ферромагнитных материалов не равны нулю, и между соседними атомными магнитными моментами происходит косвенный обмен или обмен РККИ, что приводит к тому, что атомные магнитные моменты соседних подрешеток располагаются обратно параллельно, но атомные магнитные моменты соседних подрешеток имеют разные размеры (как показано на рисунке выше). Это явление также известно как ферромагнитное упорядочение или ферромагнитная спонтанная намагниченность. Кривая намагничивания M~H ферромагнитных материалов нелинейна, похожа на ферромагнитные материалы, за исключением несколько меньшей магнитной восприимчивости, но все еще относится к сильному магнетизму.