Магнетизм издавна завораживал людей.
Более 3 000 лет назад китайцы обнаружили в природе естественные магниты, способные притягивать друг друга или куски железа. Используя свое богатое воображение, люди сравнивали это явление с материнской заботой о своем ребенке.
Это было записано в книге "Луши Чуньцю - Цзицюйцзи": "Добрые камни зовут железо, и оно их притягивает".
Компас, одно из четырех великих древних изобретений Китая, является примером того, как древние китайцы использовали магнетизм.
Как мы знаем, магнитный камень - это железная руда (обычно магнетит Fe3O4). Мы также знаем, что железо может притягиваться и намагничиваться под действием магнита.
Но почему они обладают магнетизмом или становятся магнетическими?
Как возникает магнетизм?
Чтобы объяснить макроскопические свойства магнетизма в материалах, нам нужно начать с атомов и исследовать происхождение магнетизма.
"Структура определяет свойства". Разумеется, магнетизм также определяется внутренней структурой атомов вещества.
Взаимосвязь между атомной структурой и магнетизмом можно описать следующим образом:
(1) Магнитные свойства атома обусловлены спином и орбитальным движением электронов.
(2) Наличие незаполненных электронов внутри атома - необходимое условие для того, чтобы материал обладал магнетизмом.
(3) "Обменное взаимодействие" между электронами является фундаментальной причиной того, что атомы обладают магнетизмом.
Атомный магнетизм - основа магнитных материалов, а атомный магнетизм происходит от магнитного момента электрона.
Движение электронов является источником электронного магнитного момента. Электроны обладают как вращательным движением вокруг атомного ядра, так и собственным спиновым движением.
Поэтому магнитный момент электрона состоит из двух частей: орбитального магнитного момента и спинового магнитного момента.
Согласно теории атомных орбит Бора, электроны внутри атомов движутся вокруг атомного ядра по определенной орбите.
Движение электронов по орбите соответствует круговому току, который, соответственно, создает орбитальный магнитный момент.
Плоскость орбитального магнитного момента электрона в атоме может принимать различные направления, но в направленном магнитном поле направление орбиты электрона может быть только в нескольких фиксированных направлениях, то есть направление орбиты квантовано.
Происхождение магнетизма связано со спином заряда электрона, который известен как спиновый магнитный момент электрона.
Под действием внешнего магнитного поля спиновый магнитный момент может быть только параллельным или антипараллельным орбитальному магнитному моменту.
Во многих магнитных материалах спиновый магнитный момент электрона больше, чем орбитальный магнитный момент электрона.
Это связано с тем, что в кристалле направление орбитального магнитного момента электрона изменяется полем кристаллической решетки, и поэтому он не может сформировать составной магнитный момент, выступающий за пределы материала, что приводит к так называемому "гашению" или "замораживанию" орбитального углового момента и орбитального магнитного момента.
Поэтому магнетизм многих твердотельных материалов обусловлен не столько электронным орбитальным магнитным моментом, сколько электронным спиновым магнитным моментом.
Конечно, существует и ядерный спиновый магнитный момент, но он, как правило, намного меньше спинового магнитного момента электрона (на три порядка), поэтому им можно пренебречь.
В атоме, благодаря принципу исключения Паули, невозможно, чтобы два электрона находились в одном и том же состоянии.
На одной орбите может разместиться максимум два электрона, поэтому, когда орбита заполняется электронами, их спиновые магнитные моменты аннулируются, так как они должны иметь противоположные спины.
Чтобы атом образовывал внешний магнитный момент, должна существовать незаполненная электронная орбиталь.
Конечно, как видно из примеров, это лишь необходимое условие. Такие металлы, как Cu, Cr, V и многие лантаноиды, имеют незаполненные электронные орбиты, но они не проявляют магнетизма (в частности, ферромагнетизма).
Прежде чем обсуждать обменное взаимодействие электронов, давайте сначала рассмотрим макроскопическое проявление материального магнетизма.
В соответствии с различными магнитными свойствами, проявляющимися на макроскопическом уровне при наложении действия атомных магнитных моментов, магнитные материалы можно классифицировать как диамагнитные, парамагнитные, ферромагнитные, антиферромагнитные и ферримагнитные.
(1) Диамагнетизм
Диамагнетизм относится к тому факту, что при отсутствии магнитного поля магнитный момент атомов с полностью заполненными электронными оболочками равен нулю, или суммарный магнитный момент некоторых молекул равен нулю, и они не проявляют макроскопического магнетизма.
Но под действием магнитного поля орбитальное движение электронов будет создавать дополнительное движение, в результате чего возникнет индуцированный магнитный момент, противоположный направлению внешнего магнитного поля, но с очень малой величиной.
Это явление называется диамагнетизмом.
К распространенным диамагнитным материалам относятся Na+, K+, Ca2+, F-, Cl и др.
(2) Парамагнетизм
Парамагнетизм относится к тому факту, что атомы имеют магнитные моменты, которые не полностью аннулируются, и поэтому имеют общий магнитный момент.
Однако, поскольку направление атомных магнитных моментов хаотично, внешние эффекты нивелируют друг друга, и макроскопический магнетизм не проявляется.
Но под действием внешнего магнитного поля каждый атомный магнитный момент выравнивается чаще по направлению магнитного поля и реже против него, что может проявляться как слабый магнетизм на макроскопическом уровне. На самом деле материал намагничивается именно таким образом.
Эксперименты показывают, что чем выше температура, тем меньше намагниченность парамагнитных материалов. Это происходит потому, что тепловое движение разрушает регулярную ориентацию атомных магнитных моментов.
Чем выше температура, тем больше тепловая энергия атомов, в результате чего атомным магнитным моментам сложнее выровняться с внешним магнитным полем, а значит, и намагниченность ниже.
(3) Ферромагнетизм
Ферромагнетизм - это явление, при котором соседние атомы могут упорядоченно выравниваться по направлению внешнего магнитного поля благодаря взаимному взаимодействию.
Как правило, ферромагнитные материалы могут достигать высокой намагниченности даже в слабых магнитных полях; после снятия внешнего магнитного поля они могут сохранять сильный магнетизм.
Почему ферромагнитные материалы могут намагничиваться до насыщения даже в слабых магнитных полях?
Это происходит потому, что внутренние атомные магнитные моменты этих материалов уже выровнены в определенном направлении без воздействия внешнего магнитного поля, что принято называть спонтанной намагниченностью.
Эта спонтанная намагниченность делится на небольшие области, и внутри каждой области атомные магнитные моменты параллельны друг другу. Эти маленькие области называются магнитными доменами.
Ориентации спонтанной намагниченности различных магнитных доменов внутри материала отличаются друг от друга и нивелируют внешнее влияние друг друга, поэтому весь материал не проявляет макроскопического магнетизма.
Другими словами, ферромагнитные материалы состоят из маленьких "магнитов", которые расположены неравномерно и не проявляют магнетизма внешне в соответствии со статистическими закономерностями.
Однако, когда внешняя сила (внешнее магнитное поле) выстраивает полярность каждого "маленького магнита" в одном направлении, он проявляет сильный внешний магнетизм.
Спонтанная намагниченность магнитных доменов внутри ферромагнитных материалов является важной причиной их ферромагнетизма.
Это объясняет, почему "атомы с незаполненными электронными оболочками" являются лишь необходимым условием для материального магнетизма.
В строгом смысле то, что мы обычно называем магнетизмом, на самом деле должно быть ферромагнетизмом.
Поэтому такие элементы, как Mn и Cr, хотя и обладают атомными магнитными моментами, не обладают внутренним магнетизмом (ферромагнетизмом).
(4) Антиферромагнетизм
Антиферромагнетизм - это явление, при котором под действием магнитного поля соседние атомы или ионы с одинаковым спином располагаются в противоположных направлениях, в результате чего их магнитные моменты отменяют друг друга, что делает их похожими на парамагнитные материалы и не проявляющими магнетизма.
(5) Ферримагнетизм
Ферримагнетизм - это, по сути, антиферромагнетизм, в котором обратные магнитные моменты на двух подрешетках не полностью аннулируются.
Он похож на ферромагнетизм тем, что проявляет сильный магнетизм, но отличается от ферромагнетизма тем, что его магнетизм возникает из-за разницы между двумя противоположно направленными и неравными магнитными моментами.
В настоящее время многие изученные ферриты (композитные оксиды, состоящие из железа и одного или нескольких металлов) относятся к ферримагнитным материалам.
Ферримагнетизм и антиферромагнетизм тесно связаны между собой. Начиная с известной антиферромагнитной структуры, ее можно переконфигурировать путем замены элементов в ферримагнитный материал, который сохраняет исходную магнитную структуру, но имеет две подрешетки с неравными магнитными моментами.
Ферромагнитные и ферримагнитные материалы в совокупности называют сильными магнитными материалами, и они представляют собой основное направление развития магнитных материалов.
Взаимодействие Далее рассмотрим, как обменное взаимодействие электронов влияет на спиновый магнитный момент электронов и, следовательно, на макроскопический магнетизм материалов.
Под обменным взаимодействием между атомами обычно понимается электростатическое взаимодействие, обусловленное взаимным обменом положениями электронов в соседних атомах.
В частности, когда два атома расположены близко друг к другу, помимо того, что электрон 1 движется вокруг ядра 1, а электрон 2 - вокруг ядра 2, поскольку электроны неразличимы, мы также должны учитывать возможность обмена положениями двух электронов, так что электрон 1, как кажется, движется вокруг ядра 2, а электрон 2 - вокруг ядра 1.
Например, в атоме водорода такой обмен электронами происходит с частотой около 1018 раз в секунду. Изменение энергии, вызванное этим обменным взаимодействием, называется энергией обмена, обозначаемой как Eex.
В общем случае энергия связи атомов может быть выражена как:
E=E0+E '=E0+(C+A)
Где E0 полная энергия каждого атома в основном состоянии;
C - приращение энергии, возникающее в результате статического электрического кулоновского взаимодействия между ядрами и электронами;
A - приращение энергии в результате обмена электронами, обычно называемое константой энергии обмена.
A зависит от степени близости частично заполненных электронных оболочек соседних атомов и является энергией, измеряющей величину обменного взаимодействия.
Экспериментальные данные показывают, что изменение энергии (т.е. обменная энергия Eex), вызванное обменным взаимодействием двух электронов в молекуле водорода, может быть приблизительно выражено следующим образом:
Eex =ΔE=-2ASaSbcosφ
Где Sa и Сb представляют собой спиновые квантовые числа двух электронов. φ - угол между направлениями спиновых магнитных моментов двух электронов, возможный диапазон изменения которого составляет от 0° до 180°.
Хотя приведенное выше уравнение получено для обменного взаимодействия между атомами водорода с одним электроном, оно имеет общее значение для качественного анализа обменного взаимодействия многоэлектронных атомов. Дальнейший анализ показывает, что:
(1) Когда A>0, при φ=180°, cosφ=-1, что указывает на то, что направления спиновых магнитных моментов двух электронов противоположны, т.е. спиновые магнитные моменты электронов расположены антипараллельно, и Eex(180)=+2ASaSb; если φ=0°, что указывает на то, что направления спиновых магнитных моментов двух электронов одинаковы, а спиновые магнитные моменты электронов расположены параллельно, то Eex(0)=-2ASaSb.
Более того, если 0°<φ<180°, то направления спинов двух электронов не совпадают и не противоположны, а разделены углом φ, и их обменная энергия Eex лежит между ними, т.е. Eex(0°)<Eex<Eex(180°). Согласно основному закону минимизации энергии в наиболее устойчивом состоянии, видно, что энергия системы минимизируется только при φ=0°, в этот момент система находится в наиболее устойчивом состоянии.
Когда направления соседних спиновых магнитных моментов двух электронов одинаковы, спиновые магнитные моменты электронов обязательно располагаются параллельно, что приводит к спонтанной намагниченности и обусловливает существование ферромагнетизма в веществе.
(2) Когда A < 0, только при φ = 180° энергия всей системы минимальна, что означает, что направление спина электрона расположено антипараллельно, что является антиферромагнетизмом.
(3) Когда |A| очень мал, обменное взаимодействие между этими двумя соседними атомами слабое, и энергия обмена Eex очень мала. Когда φ составляет около 90o, энергия мала, поэтому направление магнитного момента хаотично, а материал парамагнитен.
В общем, специфические свойства материального магнетизма зависят от A, то есть от степени близости незаполненных электронных оболочек соседних атомов друг к другу.
Таким образом, магнетизм материалов определяется распределением электронов в атомах и кристаллической структурой материала.
Благодаря свойствам магнетизма магнитные материалы имеют решающее значение для развития высокотехнологичных отраслей промышленности и являются важной опорой для научно-технического прогресса. Кроме того, они являются одной из самых активных областей исследований в современной технике.
Учитывая важную роль магнитных материалов в современном информационном обществе, уровень технологического развития страны может быть отражен в ее магнитных материалах, а спрос на этот вид материалов может быть использован для оценки экономического и среднего уровня жизни в стране.
Далее мы кратко опишем некоторые магнитные материалы, часто встречающиеся в повседневной жизни.
Термин "магнитные материалы" в основном относится к ферромагнитным и ферримагнитным материалам.
По распределению магнитного поля их можно разделить на магнитные материалы с твердым (постоянным) магнитом, полутвердые магнитные материалы и магнитные материалы с мягким магнитом.
Материалы Мягкие магнитные материалы относятся к материалам, которые легко намагничиваются и размагничиваются под действием переменного тока, обычно с ферримагнитными свойствами.
Они обладают особыми свойствами:
(1) Благодаря намагничиванию внешним магнитным полем, они могут иметь высокую максимальную интенсивность магнитной индукции;
(2) При намагничивании внешним магнитным полем определенной силы мягкие магнитные материалы сами по себе могут иметь более высокую интенсивность магнитной индукции;
(3) Сопротивление движению магнитных доменов в мягких магнитных материалах невелико.
Благодаря этим свойствам магнитомягкие материалы широко используются в связи, радиовещании, телевидении, приборостроении и современной электронной технике. Они широко используются в качестве сердечников для генераторов и распределительных трансформаторов.
В этих областях от магнитных материалов требуется высокая чувствительность к изменениям внешних магнитных полей.
Если материал трудно намагнитить или если магнитные свойства нелегко высвобождаются после намагничивания, он не сможет удовлетворить требованиям этих приложений. Мягкие ферримагнитные материалы идеально подходят для этих целей.
Поэтому мягкие ферримагнитные материалы являются одними из самых ранних, самых разнообразных, самых высокопроизводительных и наиболее широко используемых магнитных материалов.
Твердые магнитные материалы, также известные как постоянные магниты, могут сохранять сильную намагниченность после намагничивания и обеспечивать постоянное магнитное поле в заданном пространстве в течение длительного времени без потребления электрической энергии.
Обычно это ферромагнитные материалы. Твердые магнитные материалы широко используются в электродвигателях, генераторах, динамиках, подшипниках, крепеже и передаточных устройствах.
Постоянный магнетизм твердых магнитных материалов - именно то, что нужно для таких полей.
Например, для работы электродвигателей и генераторов требуется магнитное тело с постоянным магнитным полем, а постоянные магниты идеальны, поскольку не потребляют электрическую энергию для поддержания своих магнитных свойств.
Однако из-за низкой изменчивости магнитных материалов, несмотря на их высокую стабильность, область их применения ограничена.
Полутвердые магнитные материалы обладают свойствами, которые находятся между мягкими и твердыми магнитными материалами.
Они характеризуются стабильной остаточной интенсивностью магнитной индукции при внешних магнитных полях меньше определенного значения (подобно магнитотвердым материалам), но при этом имеют тенденцию к изменению направления намагниченности при обратных магнитных полях, превышающих определенный порог, подобно магнитомягким материалам.
Поэтому полутвердые магнитные материалы используются в качестве динамических материалов, а с развитием интеллектуального общества растет спрос на динамические материалы, что делает полутвердые магнитные материалы перспективным направлением развития.
Области применения - реле, полустационарные накопители и устройства сигнализации.
Магнитные носители - это важный тип полутвердых магнитных материалов, которые широко используются в устройствах хранения информации, таких как жесткие диски, магнитные ленты и кредитные карты.
Полутвердые магнитные материалы играют важную роль в этих приложениях благодаря своим динамическим свойствам.
Если взять в качестве примера жесткие диски, то полутвердый магнитный материал используется в основном в части диска.
При вращении диска, если головка остается в одном положении, каждая головка создает круговую дорожку на поверхности диска.
Эти круговые дорожки называются треками, которые, по сути, являются магнитными цепями с зазорами.
В процессе письма компьютер преобразует информацию в электрический ток и посылает его на катушку вокруг головы.
Ток в катушке намагничивает головку, а магнитное поле, создаваемое намагниченной головкой, намагничивает носитель на дорожке.
Поскольку величина тока различна, магнитное поле головки меняется, что, в свою очередь, изменяет намагниченность магнитного носителя и записывает различные данные.
При движении головки и диска на него записываются большие объемы информации.
Процесс считывания происходит в направлении, противоположном процессу записи, с использованием магнитного поля магнитного носителя для создания изменения магнитного потока на головке, генерирующего переменный ток в катушке, который служит электрическим сигналом, используемым компьютером.
Магнитные материалы играют значительную роль в нашей повседневной жизни, и их важность очевидна. Мы верим, что с углублением понимания магнетизма и развитием технологии магнитных материалов они найдут еще более широкое применение в нашей жизни.
Приведенный выше анализ является относительно общим и простым.
Понимание глубинных принципов и способов управления магнитными свойствами магнитных материалов для нашего использования станет тем направлением, в котором мы должны продолжать двигаться в будущем.
Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.
RU 
EN 
DE 
ES 