Magnetismo e momento magnetico
Tutte le cose nel mondo hanno magnetismo, dai tavoli e dalle sedie intorno a noi ai pianeti e al sole nell'universo. Non importa in quale stato si trovino (cristallino, amorfo, liquido o gassoso), alta o bassa temperatura, alta o bassa pressione, hanno tutte magnetismo. La differenza è che alcune sostanze hanno un forte magnetismo, mentre altre hanno un magnetismo debole. Tuttavia, si può dire che le sostanze senza magnetismo non esistono. Le sostanze possono essere classificate in cinque categorie in base alle loro caratteristiche in un campo magnetico esterno: sostanze paramagnetiche, sostanze diamagnetiche, sostanze ferromagnetiche, sostanze ferrimagnetiche e sostanze antiferromagnetiche. Cosa fa sì che tutte le sostanze abbiano magnetismo? Quali sono le ragioni per cui sostanze diverse hanno le suddette diverse caratteristiche? Tutto inizia con la base della materia: gli atomi. La materia è composta da atomi e gli atomi sono composti da nuclei atomici ed elettroni. Negli atomi, gli elettroni hanno momenti magnetici orbitali dovuti al loro movimento attorno al nucleo atomico; Gli elettroni hanno momenti magnetici di spin dovuti al loro spin, e i momenti magnetici degli atomi provengono principalmente dai momenti magnetici orbitali e di spin degli elettroni, che sono la fonte di tutto il magnetismo materiale. Il momento magnetico di un nucleo atomico è solo 1/1836,5 di quello di un elettrone, quindi il momento magnetico di un nucleo atomico è generalmente ignorato
Momento magnetico di un singolo atomo isolato
Il momento magnetico è un vettore direzionale. La modalità di spin degli elettroni negli atomi può essere divisa in due tipi: su e giù. Nella maggior parte delle sostanze, ci sono tanti elettroni con spin su e giù, e i momenti magnetici che producono si annullano a vicenda. L'intero atomo non ha magnetismo verso il mondo esterno. Solo pochi atomi di sostanza hanno un numero diverso di elettroni in diverse direzioni di spin. Pertanto, dopo che i momenti magnetici degli elettroni con spin opposti si annullano a vicenda, ci sono ancora alcuni elettroni i cui momenti magnetici di spin vengono annullati, e l'intero atomo ha un momento magnetico totale. Il momento magnetico di un singolo atomo dipende dalla sua struttura atomica, vale a dire la disposizione e il numero di elettroni. Tutti gli atomi degli elementi nella tavola periodica hanno i loro momenti magnetici. Il momento magnetico degli atomi in un cristallo di cui abbiamo discusso sopra è il momento magnetico di un singolo atomo, ma nei cristalli solidi o non cristalli, gli atomi si trovano nei nodi cristallini e sono influenzati dal campo elettrico nucleare e dal campo elettrostatico degli elettroni degli atomi vicini. Pertanto, il momento magnetico degli atomi in un cristallo è diverso da quello di un singolo atomo isolato. Ad esempio, ferro, cobalto e nichel sono noti come metalli di transizione 3D. In un cristallo, gli elettroni di alcuni atomi diventano elettroni pubblici di atomi adiacenti, causando un cambiamento nella struttura elettronica degli atomi. Alcuni momenti magnetici orbitali sono congelati, lasciando solo il momento magnetico di spin che contribuisce al momento magnetico atomico nel cristallo. Di conseguenza, il momento magnetico degli atomi nel cristallo devia dal valore teorico. Sappiamo già dal contenuto precedente che tutte le cose nell'universo hanno magnetismo e il magnetismo ha origine principalmente dal magnetismo atomico. A causa dei diversi momenti magnetici di diversi atomi, viene causata l'interazione tra i momenti magnetici atomici nelle sostanze macroscopiche. La disposizione dei momenti magnetici atomici a temperatura ambiente è diversa. Dividiamo le sostanze macroscopiche in sostanze paramagnetiche, sostanze diamagnetiche, sostanze ferromagnetiche, sostanze subferromagnetiche e sostanze antiferromagnetiche in base alle loro proprietà magnetiche, incluse le seguenti tre caratteristiche. 1. Il magnetismo macroscopico di una sostanza è dato dai momenti magnetici dei suoi atomi o molecole costituenti. Ci riferiamo al momento magnetico totale di un materiale per unità di volume come la sua magnetizzazione, indicata con M e misurata in A/m. Se il volume di una sostanza è V, ha n atomi e il momento magnetico di ogni atomo è μ J, allora M=μ J1+μ J2+...+μ Jn, ovvero M=∑ μ J/v. 2. La curva di magnetizzazione (curva M~H) dell'intensità di magnetizzazione: quando il campo magnetico esterno è zero, i momenti magnetici atomici possono essere disposti in modo casuale. Tuttavia, quando applichiamo un campo magnetico esterno diverso da zero, ogni momento magnetico atomico può girare nella direzione del campo magnetico esterno,e l'intensità di magnetizzazione M della sostanza cambia. La curva di relazione tra l'intensità di magnetizzazione M e il campo magnetico esterno H è chiamata curva di magnetizzazione, abbreviata come curva di magnetizzazione M~H. Anche le curve di magnetizzazione di sostanze diverse sono diverse.
3. Suscettività magnetica x2
Sulla curva di magnetizzazione M~H, il rapporto tra M e H in qualsiasi punto è chiamato suscettività magnetica, rappresentata da chi. χ=M/H , L'unità di M è A/m, L'unità di H è anche A/m, quindi è suscettività magnetica relativa e non ha unità. Utilizziamo la dimensione e la disposizione dei momenti magnetici atomici, la forma della curva di magnetizzazione M~H e parametri come la suscettività magnetica per descrivere il magnetismo delle sostanze e classificarle.
Le sostanze paramagnetiche sono sostanze che possono magnetizzarsi in base alla direzione del campo magnetico quando vengono avvicinate ad esso, ma sono molto deboli e possono essere misurate solo con strumenti di precisione; Se il campo magnetico esterno viene rimosso, anche il campo magnetico interno tornerà a zero, con conseguente mancanza di magnetismo. Come alluminio, ossigeno, ecc. Ogni atomo nei materiali paramagnetici ha un momento magnetico, che conferisce ai materiali paramagnetici un momento magnetico atomico intrinseco; Non vi è interazione tra atomi adiacenti nei materiali paramagnetici, quindi a temperatura ambiente, i momenti magnetici atomici sono disposti in modo casuale e il valore di proiezione del momento magnetico atomico μ J in qualsiasi direzione è zero. Quando sottoposto a un campo magnetico esterno H, il momento magnetico atomico di tali sostanze può ruotare solo di un angolo molto piccolo lungo la direzione del campo magnetico esterno e la loro forza di magnetizzazione aumenta lentamente con l'aumento del campo magnetico esterno. La sua suscettività magnetica è maggiore di 0, con un valore generalmente compreso tra 10-5 e 10-3. Per allineare completamente i momenti magnetici atomici delle sostanze paramagnetiche nella direzione del campo magnetico esterno, si stima che sia necessaria un'intensità del campo magnetico esterno di 109-1010 A/m, che è attualmente difficile da ottenere con campi magnetici artificiali. Le sostanze antimagnetiche sono sostanze con suscettività magnetica negativa, il che significa che la direzione del campo magnetico dopo la magnetizzazione è opposta alla direzione del campo magnetico esterno. Tutti i composti organici hanno diamagnetismo, come grafite, piombo, acqua, ecc. La proiezione del momento magnetico orbitale atomico e del momento magnetico di spin delle sostanze diamagnetiche in un campo magnetico è zero, il che significa che le sostanze diamagnetiche non hanno un momento magnetico atomico netto. Tuttavia, sotto l'azione di un campo magnetico esterno, l'orbitale elettronico genererà un momento magnetico aggiuntivo indotto e questo momento magnetico indotto è opposto in direzione al campo magnetico esterno, con conseguente magnetismo negativo. La direzione di magnetizzazione delle sostanze diamagnetiche è negativa, opposta al campo magnetico esterno, e il suo valore assoluto aumenta linearmente con l'aumento del campo magnetico esterno. Una sostanza ferromagnetica è una sostanza che può mantenere il suo stato magnetico anche quando il campo magnetico esterno scompare dopo essere stata magnetizzata da un campo magnetico esterno. Finora sono stati scoperti 83 elementi metallici, di cui 4 sono elementi ferromagnetici a temperatura ambiente, vale a dire ferro, cobalto, nichel e gadolinio; a temperature estremamente basse, ci sono cinque elementi che possono trasformarsi in elementi ferromagnetici, vale a dire terbio, disprosio, olmio, erbio e tulio. Nei materiali ferromagnetici, gli atomi hanno momenti magnetici atomici intrinseci e alcuni elettroni sono condivisi.I momenti magnetici di spin degli atomi adiacenti sono disposti parallelamente tra loro nella stessa direzione (noto anche come magnetizzazione spontanea). La curva di magnetizzazione M~H dei materiali ferromagnetici è non lineare e la suscettività magnetica x varia con il campo magnetico. La suscettività magnetica x dei materiali ferromagnetici è molto grande, raggiungendo fino a 105~107. Sostanza antiferromagnetica
Non genera un campo magnetico e questa sostanza è relativamente rara. Nuove sostanze antiferromagnetiche vengono ancora scoperte. La maggior parte dei materiali antiferromagnetici esiste solo a basse temperature e, supponendo che la temperatura superi un certo valore, di solito diventano paramagnetici. Ad esempio, cromo, manganese, ecc. hanno tutti proprietà antiferromagnetiche. Gli atomi nei materiali antiferromagnetici hanno anche momenti magnetici atomici intrinseci, con alcuni elettroni condivisi, ma atomi adiacenti con momenti magnetici opposti (noto anche come ordinamento antiferromagnetico). La curva di magnetizzazione M~H dei materiali ferromagnetici è lineare, con una velocità di magnetizzazione di χ>0 e un valore di circa 10-4~10-5, che è molto piccolo e costante. Ciò significa che quando i materiali antiferromagnetici vengono magnetizzati in un campo magnetico esterno, il loro momento magnetico atomico cambia molto poco con il campo magnetico esterno, simile ai materiali paramagnetici, e appartiene al magnetismo debole. La suscettività magnetica dei materiali antiferromagnetici varia con la temperatura, come mostrato nella figura sottostante, dove Tn è indicata come temperatura di Niel. Il magnetismo macroscopico dei materiali ferromagnetici è lo stesso di quello del ferromagnetismo, eccetto per il fatto che la loro suscettività magnetica è inferiore (con una suscettività di 102~105). I tipici materiali ferromagnetici, come le ferriti, differiscono in modo più significativo dai materiali ferromagnetici nella loro struttura magnetica interna (disposizione dei momenti magnetici). I momenti magnetici atomici dei materiali ferromagnetici non sono zero e c'è uno scambio indiretto o scambio RKKY tra momenti magnetici atomici adiacenti, che fa sì che i momenti magnetici atomici dei sottoreticoli adiacenti siano disposti in parallelo inverso, ma i momenti magnetici atomici dei sottoreticoli adiacenti sono di dimensioni diverse (come mostrato nella figura sopra). Questo fenomeno è anche noto come ordinamento ferromagnetico o magnetizzazione spontanea ferromagnetica. La curva di magnetizzazione M~H dei materiali ferromagnetici è non lineare, simile ai materiali ferromagnetici, eccetto per una suscettività magnetica leggermente inferiore, ma appartiene comunque al magnetismo forte.