Magnetismus hat die Menschen schon lange fasziniert.
Vor über 3.000 Jahren entdeckten die Chinesen in der Natur natürliche Magnete, die sich gegenseitig oder Eisenstücke anziehen können. Die Menschen nutzten ihre reiche Fantasie, um dieses Phänomen mit der liebevollen Fürsorge einer Mutter für ihr Kind zu vergleichen.
Dies wurde in "Lushi Chunqiu - Jiqiuji" aufgezeichnet: "Gütige Steine rufen nach Eisen, und sie werden angezogen."
Der Kompass, eine der vier großen antiken Erfindungen Chinas, ist ein Beispiel dafür, wie die alten Chinesen den Magnetismus nutzten.
Wie wir wissen, ist ein magnetischer Stein eigentlich Eisenerz (normalerweise Magnetit Fe3O4). Wir wissen auch, dass Eisen von einem Magneten angezogen und magnetisiert werden kann.
Aber warum haben sie Magnetismus oder werden magnetisiert?
Wie wird Magnetismus erzeugt?
Um die makroskopischen Eigenschaften des Magnetismus in Materialien zu erklären, müssen wir bei den Atomen beginnen und den Ursprung des Magnetismus untersuchen.
"Die Struktur bestimmt die Eigenschaften". Natürlich wird auch der Magnetismus durch die innere Struktur der Atome bestimmt.
Die Beziehung zwischen atomarer Struktur und Magnetismus lässt sich wie folgt zusammenfassen:
(1) Die magnetische Eigenschaft eines Atoms entsteht durch den Spin und die Orbitalbewegung der Elektronen.
(2) Das Vorhandensein ungefüllter Elektronen im Inneren des Atoms ist eine notwendige Bedingung dafür, dass das Material Magnetismus besitzt.
(3) Die "Austauschwechselwirkung" zwischen Elektronen ist der grundlegende Grund für den Magnetismus von Atomen.
Der atomare Magnetismus ist die Grundlage magnetischer Materialien, und der atomare Magnetismus beruht auf dem magnetischen Moment der Elektronen.
Die Bewegung der Elektronen ist die Quelle des magnetischen Moments der Elektronen. Elektronen haben sowohl eine Rotationsbewegung um den Atomkern als auch eine Eigendrehbewegung.
Das magnetische Moment eines Elektrons besteht also aus zwei Teilen: dem orbitalen und dem spinären magnetischen Moment.
Nach der Bohr'schen Atomkreistheorie bewegen sich die Elektronen im Inneren der Atome auf einer bestimmten Bahn um den Atomkern.
Die Bewegung der Elektronen auf der Umlaufbahn entspricht einem Kreisstrom, der ein entsprechendes magnetisches Moment erzeugt.
Die Ebene des magnetischen Moments der Elektronenbahn in einem Atom kann verschiedene Richtungen einnehmen, aber in einem gerichteten Magnetfeld kann die Richtung der Elektronenbahn nur in mehreren festen Richtungen liegen, d. h. die Richtung der Bahn ist quantisiert.
Der Ursprung des Magnetismus liegt im Spin der Elektronenladung, der als magnetisches Moment des Elektronenspins bezeichnet wird.
Unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes kann das magnetische Moment des Spins nur parallel oder antiparallel zum magnetischen Moment des Orbits verlaufen.
In vielen magnetischen Materialien ist das magnetische Moment des Elektronenspins größer als das magnetische Moment des Elektronenorbitals.
Dies liegt daran, dass in einem Kristall die Richtung des magnetischen Orbitalmoments des Elektrons durch das Kristallgitterfeld verändert wird und es daher kein zusammengesetztes magnetisches Moment bilden kann, das aus dem Material herausragt, was zu dem führt, was gemeinhin als "Auslöschen" oder "Einfrieren" des Bahndrehimpulses und des magnetischen Orbitalmoments bezeichnet wird.
Der Magnetismus vieler Festkörpermaterialien beruht daher nicht in erster Linie auf dem magnetischen Moment des Elektronenorbitals, sondern auf dem magnetischen Moment des Elektronenspins.
Natürlich gibt es auch ein magnetisches Moment des Kernspins, das jedoch im Allgemeinen viel kleiner ist als das magnetische Moment des Elektronenspins (um drei Größenordnungen), so dass es vernachlässigt werden kann.
In einem Atom ist es aufgrund des Pauli-Ausschlussprinzips nicht möglich, dass sich zwei Elektronen im gleichen Zustand befinden.
In einem Orbit können nur maximal zwei Elektronen untergebracht werden. Wenn ein Orbit mit Elektronen gefüllt ist, heben sich deren magnetische Momente auf, da sie entgegengesetzte Spins haben müssen.
Damit das Atom nach außen hin ein magnetisches Moment bildet, muss eine unbesetzte Elektronenbahn vorhanden sein.
Wie wir an Beispielen sehen können, ist dies natürlich nur eine notwendige Bedingung. Metalle wie Cu, Cr, V und viele Lanthanoide haben unbesetzte Elektronenbahnen, aber sie zeigen keinen Magnetismus (insbesondere keinen Ferromagnetismus).
Bevor wir uns mit der Austauschwechselwirkung von Elektronen befassen, wollen wir uns zunächst mit der makroskopischen Erscheinungsform des materiellen Magnetismus befassen.
Entsprechend den unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften, die sich auf makroskopischer Ebene durch die Überlagerung der Wirkung atomarer magnetischer Momente zeigen, können magnetische Materialien als diamagnetisch, paramagnetisch, ferromagnetisch, antiferromagnetisch und ferrimagnetisch klassifiziert werden.
(1) Diamagnetismus
Diamagnetismus bezeichnet die Tatsache, dass das magnetische Moment von Atomen mit vollständig gefüllten Elektronenhüllen gleich Null ist, wenn kein Magnetfeld vorhanden ist, oder dass das gesamte magnetische Moment einiger Moleküle gleich Null ist und kein makroskopischer Magnetismus auftritt.
Unter der Einwirkung eines Magnetfeldes erzeugt die Orbitalbewegung der Elektronen jedoch eine zusätzliche Bewegung, die zu einem induzierten magnetischen Moment führt, das der Richtung des äußeren Magnetfeldes entgegengesetzt ist, aber einen sehr kleinen Wert hat.
Dieses Phänomen wird als Diamagnetismus bezeichnet.
Zu den üblichen diamagnetischen Materialien gehören Na+, K+, Ca2+, F-, Cl usw.
(2) Paramagnetismus
Paramagnetismus bezieht sich auf die Tatsache, dass Atome magnetische Momente haben, die sich nicht vollständig aufheben, und daher ein magnetisches Gesamtmoment besitzen.
Da die Richtung der atomaren magnetischen Momente jedoch chaotisch ist, heben sich die externen Effekte gegenseitig auf, und es gibt keinen makroskopischen Magnetismus.
Unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes richtet sich jedoch jedes atomare magnetische Moment häufiger mit der Richtung des Magnetfeldes aus und seltener dagegen, was sich auf makroskopischer Ebene als schwacher Magnetismus äußern kann. In der Tat ist das Material auf diese Weise magnetisiert.
Experimente zeigen, dass die Magnetisierung von paramagnetischen Materialien umso geringer ist, je höher die Temperatur ist. Der Grund dafür ist, dass thermische Bewegungen die regelmäßige Ausrichtung der magnetischen Momente der Atome zerstören.
Je höher die Temperatur ist, desto größer ist die Wärmeenergie der Atome, so dass es für die magnetischen Momente der Atome schwieriger ist, sich mit dem äußeren Magnetfeld auszurichten, und die Magnetisierung daher geringer ist.
(3) Ferromagnetismus
Ferromagnetismus bezeichnet das Phänomen, dass benachbarte Atome durch gegenseitige Wechselwirkungen in Richtung eines äußeren Magnetfeldes ausgerichtet werden können.
Im Allgemeinen können ferromagnetische Materialien auch in schwachen Magnetfeldern eine hohe Magnetisierung erreichen; nach dem Entfernen des äußeren Magnetfelds können sie immer noch einen starken Magnetismus beibehalten.
Warum können ferromagnetische Materialien auch in schwachen Magnetfeldern bis zur Sättigung magnetisiert werden?
Das liegt daran, dass die inneren atomaren magnetischen Momente dieser Materialien bereits ohne die Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes bis zu einem gewissen Grad in eine bestimmte Richtung ausgerichtet sind, was gemeinhin als spontane Magnetisierung bezeichnet wird.
Diese spontane Magnetisierung ist in kleine Bereiche unterteilt, und in jedem Bereich sind die magnetischen Momente der Atome parallel zueinander. Diese kleinen Bereiche werden als magnetische Domänen bezeichnet.
Die spontanen Magnetisierungsausrichtungen der verschiedenen magnetischen Domänen im Inneren des Materials unterscheiden sich voneinander und heben ihre Wirkung nach außen auf, so dass das gesamte Material keinen makroskopischen Magnetismus aufweist.
Mit anderen Worten, ferromagnetische Materialien bestehen aus kleinen "Magneten", die unregelmäßig angeordnet sind und aufgrund statistischer Gesetzmäßigkeiten nach außen hin keinen Magnetismus zeigen.
Wenn jedoch eine äußere Kraft (äußeres Magnetfeld) die Polarität jedes "kleinen Magneten" in die gleiche Richtung lenkt, entsteht ein starker Magnetismus nach außen.
Die spontane Magnetisierung der magnetischen Domänen in ferromagnetischen Materialien ist ein wichtiger Grund für deren Ferromagnetismus.
Dies erklärt, warum "Atome mit nicht gefüllten Elektronenschalen" nur eine notwendige Bedingung für den materiellen Magnetismus sind.
Streng genommen müsste das, was wir gewöhnlich als Magnetismus bezeichnen, eigentlich Ferromagnetismus sein.
Elemente wie Mn und Cr besitzen zwar ebenfalls atomare magnetische Momente, sind aber im Inneren nicht magnetisch (Ferromagnetismus).
(4) Antiferromagnetismus
Antiferromagnetismus bezeichnet das Phänomen, dass sich benachbarte Atome oder Ionen mit demselben Spin unter der Einwirkung eines Magnetfeldes in entgegengesetzte Richtungen anordnen, wodurch sich ihre magnetischen Momente gegenseitig aufheben, so dass sie paramagnetischen Materialien ähneln und keinen Magnetismus aufweisen.
(5) Ferrimagnetismus
Ferrimagnetismus ist im Wesentlichen Antiferromagnetismus, bei dem sich die umgekehrten magnetischen Momente auf zwei Untergittern nicht vollständig aufheben.
Er ähnelt dem Ferromagnetismus insofern, als er einen starken Magnetismus aufweist, unterscheidet sich aber vom Ferromagnetismus insofern, als sein Magnetismus auf der Differenz zwischen zwei entgegengesetzt gerichteten und ungleichen magnetischen Momenten beruht.
Viele der derzeit untersuchten Ferrite (Verbundoxide aus Eisen und einem oder mehreren Metallen) gehören zu den ferrimagnetischen Materialien.
Ferrimagnetismus und Antiferromagnetismus sind eng miteinander verwandt. Ausgehend von einer bekannten antiferromagnetischen Struktur kann diese durch den Austausch von Elementen in ein ferrimagnetisches Material umgestaltet werden, das die ursprüngliche magnetische Struktur beibehält, aber zwei Untergitter mit ungleichen magnetischen Momenten aufweist.
Ferromagnetische und ferrimagnetische Werkstoffe werden als stark magnetische Werkstoffe bezeichnet und stellen die Hauptrichtung der Entwicklung von magnetischen Werkstoffen dar.
Wechselwirkung Als Nächstes wollen wir uns ansehen, wie die Austauschwechselwirkung von Elektronen das magnetische Spinmoment von Elektronen und damit den makroskopischen Magnetismus von Materialien beeinflusst.
Die Austauschwechselwirkung zwischen Atomen bezieht sich im Allgemeinen auf die elektrostatische Wechselwirkung, die durch den gegenseitigen Austausch der Positionen von Elektronen in benachbarten Atomen verursacht wird.
Wenn sich zwei Atome nahe beieinander befinden, müssen wir nicht nur in Betracht ziehen, dass sich das Elektron 1 um den Kern 1 und das Elektron 2 um den Kern 2 bewegt, da die Elektronen nicht zu unterscheiden sind, sondern wir müssen auch die Möglichkeit in Betracht ziehen, dass die Positionen der beiden Elektronen vertauscht werden, so dass das Elektron 1 sich um den Kern 2 und das Elektron 2 sich um den Kern 1 zu bewegen scheint.
In einem Wasserstoffatom zum Beispiel findet diese Art von Elektronenaustausch etwa 1018 Mal pro Sekunde statt. Die Energieänderung, die durch diese Austauschwechselwirkung verursacht wird, wird als Austauschenergie bezeichnet und mit Eex bezeichnet.
Im Allgemeinen kann die Energie der Atombindung wie folgt ausgedrückt werden:
E=E0+E '=E0+(C+A)
Wobei E0 ist die Gesamtenergie jedes Atoms in seinem Grundzustand;
C ist der Energiezuwachs, der sich aus der statischen elektrischen Coulomb-Wechselwirkung zwischen Kernen und Elektronen ergibt;
A ist der Energiezuwachs, der sich aus dem Austausch von Elektronen ergibt und im Allgemeinen als Austauschenergiekonstante bezeichnet wird.
A hängt vom Grad der Nähe der teilweise gefüllten Elektronenschalen benachbarter Atome ab und ist eine Energie, die das Ausmaß der Austauschwechselwirkung misst.
Aus Experimenten geht hervor, dass die Energieänderung (d. h. die Austauschenergie Eex), die durch die Austauschwechselwirkung zweier Elektronen in einem Wasserstoffmolekül verursacht wird, ungefähr wie folgt ausgedrückt werden kann:
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Wo Sa und Sb sind die Spinquantenzahlen der beiden Elektronen. φ ist der Winkel zwischen den Richtungen der magnetischen Spinmomente der beiden Elektronen, der zwischen 0° und 180° variieren kann.
Obwohl die obige Gleichung von der Austauschwechselwirkung zwischen Wasserstoffatomen mit nur einem Elektron ausgeht, hat sie eine allgemeine Bedeutung für die qualitative Analyse der Austauschwechselwirkung von Atomen mit mehreren Elektronen. Eine weitere Analyse zeigt, dass:
(1) Wenn A>0, wenn φ=180°, cosφ=-1, was bedeutet, dass die Richtungen der magnetischen Spinmomente der beiden Elektronen entgegengesetzt sind, d. h. die magnetischen Spinmomente der Elektronen sind antiparallel angeordnet, und Eex(180)=+2ASaSbWenn φ=0° ist, was bedeutet, dass die Richtungen der magnetischen Spinmomente der beiden Elektronen gleich sind, und die magnetischen Spinmomente der Elektronen parallel angeordnet sind, Eex(0)=-2ASaSb.
Und wenn 0°<φ<180°, dann sind die Spinrichtungen der beiden Elektronen weder gleich noch entgegengesetzt, sondern durch einen Winkel φ getrennt, und ihre Austauschenergie Eex liegt zwischen den beiden, d. h., Eex(0°)<Eex<Eex(180°). Gemäß dem grundlegenden Gesetz der Energieminimierung, das den stabilsten Zustand beschreibt, ist die Energie des Systems nur dann minimiert, wenn φ=0° ist, denn dann befindet sich das System im stabilsten Zustand.
Wenn die Richtungen der benachbarten magnetischen Spinmomente der beiden Elektronen gleich sind, sind die magnetischen Spinmomente der Elektronen notwendigerweise parallel angeordnet, was zu einer spontanen Magnetisierung führt und die Existenz von Ferromagnetismus in der Materie begründet.
(2) Wenn A < 0, nur wenn φ = 180°, ist die Energie des gesamten Systems minimiert, was bedeutet, dass die Richtung des Elektronenspins antiparallel angeordnet ist, was Antiferromagnetismus bedeutet.
(3) Wenn |A| sehr klein ist, ist die Austauschwechselwirkung zwischen diesen beiden benachbarten Atomen schwach, und die Austauschenergie Eex ist sehr klein. Wenn φ um 90o liegt, ist die Energie gering, so dass die Richtung des magnetischen Moments chaotisch ist und das Material paramagnetisch ist.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die spezifischen Eigenschaften des Materialmagnetismus von A abhängen, d. h. davon, wie nahe die unbesetzten Elektronenschalen benachbarter Atome beieinander liegen.
Der Magnetismus von Materialien wird also durch die Verteilung der Elektronen in den Atomen und die Kristallstruktur des Materials bestimmt.
Aufgrund der Eigenschaften des Magnetismus sind magnetische Werkstoffe von entscheidender Bedeutung für die Entwicklung der Hightech-Industrie und ein wichtiger Pfeiler für den Fortschritt in Wissenschaft und Technik. Sie sind auch ein sehr aktiver Forschungsbereich in der modernen Technologie.
Angesichts der herausragenden Rolle, die magnetische Werkstoffe in der heutigen Informationsgesellschaft spielen, kann der technologische Entwicklungsstand eines Landes an seinen magnetischen Werkstoffen abgelesen werden, und die Nachfrage nach dieser Art von Werkstoffen kann als Indikator für den wirtschaftlichen und durchschnittlichen Lebensstandard eines Landes dienen.
Als Nächstes werden wir kurz einige im Alltag gebräuchliche magnetische Materialien beschreiben.
Der Begriff "magnetische Materialien" bezieht sich hauptsächlich auf ferromagnetische und ferrimagnetische Materialien.
Aufgrund ihrer magnetischen Verteilung lassen sie sich in hartmagnetische (permanentmagnetische) Werkstoffe, halbharte magnetische Werkstoffe und weichmagnetische Werkstoffe unterteilen.
Werkstoffe Weichmagnetische Werkstoffe sind Werkstoffe, die sich durch Wechselstrom leicht magnetisieren und entmagnetisieren lassen, in der Regel mit ferrimagnetischen Eigenschaften.
Sie haben einige besondere Eigenschaften:
(1) Durch die Magnetisierung durch ein externes Magnetfeld können sie eine hohe maximale magnetische Induktionsstärke aufweisen;
(2) Unter der Magnetisierung eines externen Magnetfeldes einer bestimmten Stärke können weichmagnetische Materialien selbst eine höhere magnetische Induktionsstärke aufweisen;
(3) Der Widerstand gegen die Bewegung der magnetischen Domänen in weichmagnetischen Materialien ist gering.
Aufgrund dieser Eigenschaften finden weichmagnetische Werkstoffe breite Anwendung in der Kommunikations-, Rundfunk-, Fernseh- und Messtechnik sowie in der modernen elektronischen Technologie. Sie werden häufig als Kerne für Generatoren und Verteilungstransformatoren verwendet.
In diesen Bereichen wird von magnetischen Materialien eine hohe Empfindlichkeit gegenüber Veränderungen der äußeren Magnetfelder verlangt.
Wenn das Material schwer zu magnetisieren ist oder die magnetischen Eigenschaften nach der Magnetisierung nicht leicht freigesetzt werden, kann es die Anforderungen dieser Anwendungen nicht erfüllen. Weiche ferrimagnetische Werkstoffe sind für diese Zwecke ideal.
Daher gehören weichferromagnetische Werkstoffe zu den am frühesten entwickelten, vielfältigsten, ergiebigsten und am häufigsten verwendeten magnetischen Werkstoffen.
Hartmagnetische Materialien, die auch als Dauermagnete bezeichnet werden, können eine starke Magnetisierung beibehalten, nachdem sie magnetisiert wurden, und können ein konstantes Magnetfeld für einen bestimmten Raum für eine lange Zeit bereitstellen, ohne elektrische Energie zu verbrauchen.
In der Regel handelt es sich um ferromagnetische Werkstoffe. Hartmagnetische Werkstoffe werden häufig in Elektromotoren, Generatoren, Lautsprechern, Lagern, Befestigungselementen und Übertragungsvorrichtungen verwendet.
Der Dauermagnetismus von hartmagnetischen Werkstoffen ist genau das, was diese Felder benötigen.
So benötigen beispielsweise Elektromotoren und Generatoren für ihren Betrieb einen magnetischen Körper mit einem konstanten Magnetfeld, und Dauermagnete sind ideal, weil sie keine elektrische Energie zur Aufrechterhaltung ihrer magnetischen Eigenschaften verbrauchen.
Aufgrund der geringen Variabilität von hartmagnetischen Werkstoffen bieten sie zwar eine hohe Stabilität, ihr Einsatzbereich ist jedoch begrenzt.
Halbhartmagnetische Werkstoffe haben Eigenschaften, die zwischen weichmagnetischen und hartmagnetischen Werkstoffen liegen.
Sie zeichnen sich durch eine stabile magnetische Restinduktionsstärke bei äußeren Magnetfeldern unter einem bestimmten Wert aus (ähnlich wie hartmagnetische Werkstoffe), haben aber auch die Tendenz, ihre Magnetisierungsrichtung bei umgekehrten Magnetfeldern über einem bestimmten Schwellenwert zu ändern, ähnlich wie weichmagnetische Werkstoffe.
Daher werden halbharte magnetische Materialien als dynamische Materialien verwendet, und mit der zunehmend intelligenten Gesellschaft steigt die Nachfrage nach dynamischen Materialien, was halbharte magnetische Materialien zu einem vielversprechenden Entwicklungsfeld macht.
Zu den Anwendungen gehören Relais, halbfeste Speichergeräte und Alarmgeräte.
Magnetische Speichermedien sind eine wichtige Art von halbharten magnetischen Materialien, die häufig in Informationsspeichergeräten wie Festplatten, Magnetbändern und Kreditkarten verwendet werden.
Halbharte magnetische Materialien spielen aufgrund ihrer dynamischen Eigenschaften eine wichtige Rolle in diesen Anwendungen.
Am Beispiel von Festplattenlaufwerken wird das halbharte magnetische Material hauptsächlich für den Plattenteil verwendet.
Wenn sich die Scheibe dreht und der Kopf in einer Position bleibt, erzeugt jeder Kopf eine kreisförmige Spur auf der Oberfläche der Scheibe.
Diese kreisförmigen Spuren werden Spuren genannt, die im Grunde genommen magnetische Kreise mit Lücken sind.
Während des Schreibvorgangs wandelt der Computer Informationen in elektrischen Strom um und sendet ihn an die Spule um den Kopf.
Der Strom in der Spule magnetisiert den Kopf, und das durch den magnetisierten Kopf erzeugte Magnetfeld magnetisiert das Medium auf der Spur.
Da die Stromstärke unterschiedlich groß ist, ändert sich das Magnetfeld des Kopfes, was wiederum die Magnetisierung des magnetischen Mediums verändert und unterschiedliche Daten aufzeichnet.
Während sich der Kopf und die Platte bewegen, werden große Mengen an Informationen auf der Platte aufgezeichnet.
Der Auslesevorgang läuft in entgegengesetzter Richtung zum Schreibvorgang ab und nutzt das Magnetfeld des magnetischen Mediums, um eine Änderung des magnetischen Flusses auf dem Kopf zu erzeugen, wodurch in der Spule ein variierender Strom erzeugt wird, der als elektrisches Signal dient, das vom Computer verwendet werden kann.
Magnetische Werkstoffe spielen in unserem täglichen Leben eine wichtige Rolle, und ihre Bedeutung liegt auf der Hand. Wir sind davon überzeugt, dass mit einem tieferen Verständnis des Magnetismus und Fortschritten in der Magnetwerkstofftechnologie seine Anwendungsmöglichkeiten in unserem Leben noch größer werden.
Die obige Analyse ist relativ allgemein und einfach.
Das Verständnis der tieferen Prinzipien und der Kontrolle der magnetischen Eigenschaften von magnetischen Materialien für unsere Zwecke wird die Richtung sein, in die wir uns in Zukunft weiterentwickeln müssen.
Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.
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