Magnetismus und magnetisches Moment

Große Neodym-Magnete

Ein großer Neodym-Magnet kann unglaublich stark sein und starke magnetische Kräfte ausüben. Neodym-Magnete werden aus einer Legierung aus Neodym, Eisen und Bor hergestellt und sind die stärkste Art von Permanentmagneten, die im Handel erhältlich ist. Die Größe eines Neodym-Magneten kann je nach Zweck und Anwendung stark variieren.

Der Begriff "groß" bezieht sich in diesem Zusammenhang jedoch häufig auf große Neodym-Magnete, die in der Industrie oder in Spezialgeräten eingesetzt werden. Diese Magnete werden in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt, darunter: Magnetische Separatoren: Sie werden im Bergbau und in Recycling-Anlagen eingesetzt, um eisenhaltige Materialien von nicht eisenhaltigen Materialien zu trennen.

MRI-Geräte: Große Neodym-Magnete sind wesentliche Bestandteile von MRT-Geräten, in denen sie ein starkes Magnetfeld erzeugen, das detaillierte Bilder der inneren Strukturen des Körpers liefert.

Windturbinen: Große Neodym-Magnete werden in den Generatoren einiger Windkraftanlagen verwendet, um mechanische Energie in elektrische Energie umzuwandeln.

Elektromotoren: Sie werden in Elektromotoren für Fahrzeuge, Industriemotoren und verschiedenen anderen Anwendungen eingesetzt, bei denen ein hoher Wirkungsgrad und eine kompakte Größe erforderlich sind. Levitation

Systeme: Große Neodym-Magnete werden in Magnetschwebebahnen und anderen Verkehrssystemen für Schwebe- und Antriebssysteme verwendet.

Aufgrund ihrer Stärke ist beim Umgang mit großen Neodym-Magneten Vorsicht geboten. Sie können leicht Finger einklemmen, und wenn zwei große Neodym-Magnete gewaltsam zusammenstoßen, können sie zerspringen oder brechen, was eine Gefahr durch umherfliegende Splitter darstellt.

Die Erzeugung von Magnetfeldern kann in zwei Hauptaspekte unterteilt werden: der eine basiert auf dem fließenden Strom (elektromagnetische Induktion), der andere auf dem Spin der Grundteilchen der Materie. Der erste Aspekt ist die magnetische Wirkung des elektrischen Stroms, die wir kennen. Nachdem der Draht unter Strom gesetzt wurde, bewegen sich die freien Elektronen in eine Richtung und erzeugen ein Magnetfeld. Die zweite Art ist das vom Material selbst erzeugte Magnetfeld, das wir heute hauptsächlich vorstellen wollen.

Alles auf der Welt ist magnetisch, von den Tischen und Stühlen um uns herum bis hin zu den Planeten und der Sonne im Universum. Sie sind alle magnetisch, egal in welchem Zustand sie sich befinden (kristallin, amorph, flüssig und gasförmig), bei hohen oder niedrigen Temperaturen, hohem oder niedrigem Druck, alle haben Magnetismus. Der Unterschied besteht darin, dass einige Stoffe einen starken Magnetismus und andere einen schwachen Magnetismus haben, aber man kann sagen, dass es keinen nichtmagnetischen Stoff gibt.

Stoffe lassen sich je nach ihren Eigenschaften in einem äußeren Magnetfeld in fünf Kategorien einteilen: paramagnetische Stoffe, diamagnetische Stoffe, ferromagnetische Stoffe, ferrimagnetische Stoffe und antiferromagnetische Stoffe. Was ist der Grund dafür, dass Materialien magnetisch sind? Was ist der Grund dafür, dass verschiedene Stoffe die oben genannten unterschiedlichen Eigenschaften haben Große Neodym-Magnete? Dies beginnt mit den Atomen, der Grundlage der Materie.

Die Materie besteht aus Atomen, die sich aus Kernen und Elektronen zusammensetzen. In einem Atom haben die Elektronen ein orbitales magnetisches Moment, weil sie sich um den Kern bewegen; die Elektronen haben ein spin-magnetisches Moment aufgrund des Spins Großer Neodym-Magnete. Das magnetische Moment des Atoms ergibt sich hauptsächlich aus dem orbitalen magnetischen Moment und dem magnetischen Spinmoment des Elektrons, das die Quelle des Magnetismus aller Materialien ist. (Das magnetische Moment des Atomkerns beträgt nur 1/1836,5 des magnetischen Moments des Elektrons, daher wird das magnetische Moment des Atomkerns im Allgemeinen ignoriert)

Das magnetische Moment eines einzelnen isolierten Atoms

Das magnetische Moment ist ein Richtungsvektor. Die Spinarten der Elektronen in den Atomen werden in zwei Typen unterteilt: Aufwärts- und Abwärtsspin. In den meisten Substanzen gibt es ebenso viele Elektronen mit Aufwärtsspin wie mit Abwärtsspin. Die von ihnen erzeugten magnetischen Momente heben sich gegenseitig auf, und das gesamte Atom ist für die Außenwelt nicht magnetisch.

Nur wenige Materieatome haben eine unterschiedliche Anzahl von Elektronen in verschiedenen Spinrichtungen. Auf diese Weise heben sich die magnetischen Momente der Elektronen mit entgegengesetztem Spin auf, und die magnetischen Momente der verbleibenden Elektronen heben sich auf, und das gesamte Atom hat ein magnetisches Gesamtmoment. Das magnetische Moment eines einzelnen Atoms hängt von der Atomstruktur ab, d. h. von der Anordnung und Anzahl der Elektronen. Die Atome aller Elemente im Periodensystem haben ihr eigenes magnetisches Moment.

Magnetisches Moment von Atomen in einem Kristall

Oben haben wir über das magnetische Moment eines einzelnen Atoms gesprochen, aber in festen oder amorphen Kristallen befinden sich die Atome an Kristallknotenpunkten. Diese Atome werden durch das elektrische Kernfeld und das elektrostatische Elektronenfeld der benachbarten Atome Großer Neodym-Magnete beeinflusst. Daher ist das magnetische Moment der Atome im Kristall nicht dasselbe wie das eines einzelnen isolierten Atoms. Eisen, Kobalt und Nickel werden zum Beispiel als 3D-Übergangsmetalle bezeichnet. Im Kristall werden die Elektronen einiger Atome zu öffentlichen Elektronen benachbarter Atome Big Neodymium Magnets.

Die elektronische Struktur der Atome wird sich ändern, und einige orbitale magnetische Momente werden eingefroren. Zu diesem Zeitpunkt trägt nur das magnetische Spinmoment zum magnetischen Moment der Atome im Kristall bei, so dass sich das magnetische Moment der Atome im Kristall von dem theoretischen Wert Große Neodym-Magnete unterscheidet.

Magnetisches Moment der makroskopischen Materie

Aus dem vorangegangenen Inhalt wissen wir bereits, dass alles im Universum magnetisch ist und dass der Magnetismus hauptsächlich auf den atomaren Magnetismus zurückzuführen ist. Aufgrund der unterschiedlichen magnetischen Momente der verschiedenen Atome führt die Wechselwirkung zwischen den atomaren magnetischen Momenten makroskopischer Substanzen zu unterschiedlichen Anordnungen der atomaren magnetischen Momente bei Raumtemperatur Große Neodym-Magnete.

Je nach den magnetischen Eigenschaften der makroskopischen Stoffe unterteilen wir sie in paramagnetische Stoffe, diamagnetische Stoffe, ferromagnetische Stoffe, ferrimagnetische Stoffe und antiferromagnetische Stoffe, wobei diese Eigenschaften die folgenden drei umfassen.

1. Magnetisierungsstärke M

Der makroskopische Magnetismus eines Stoffes wird durch das magnetische Moment der Atome oder Moleküle, aus denen er besteht, bestimmt. Wir nennen das gesamte magnetische Moment des Materials pro Volumeneinheit die Magnetisierungsintensität des Materials, dargestellt durch M, und die Einheit ist A/m Große Neodym-Magnete.
Angenommen, das Volumen einer bestimmten Substanz ist V, sie hat n Atome und das magnetische Moment jedes Atoms ist μJ, dann ist M=μJ1+μJ2+...+μJn, also M= ΣμJ/v.

2. Magnetisierungskurve der Magnetisierungsintensität (M~H-Kurve)

Wenn das äußere Magnetfeld gleich Null ist, können die atomaren magnetischen Momente chaotisch angeordnet sein, aber wenn wir ein äußeres Magnetfeld ungleich Null anlegen, kann sich jedes atomare magnetische Moment unter der Einwirkung des äußeren Magnetfeldes in die Richtung des äußeren Magnetfeldes drehen. In diesem Fall ändert sich die Magnetisierung M des Materials.

Die Beziehungskurve zwischen der Änderung der Magnetisierungsintensität M und der Änderung des äußeren Magnetfeldes H wird Magnetisierungskurve genannt, abgekürzt als M~H-Magnetisierungskurve. Die Magnetisierungskurven der verschiedenen Materialien sind auch unterschiedlich Große Neodym-Magnete.

3. Magnetische Suszeptibilität χ

Auf der Magnetisierungskurve M~H wird das Verhältnis von M zu H an einem beliebigen Punkt als magnetische Suszeptibilität bezeichnet und durch χ dargestellt. χ=M/H, wobei die Einheit von M A/m und die Einheit von H ebenfalls A/m ist, es handelt sich also um eine relative magnetische Suszeptibilität ohne Einheit.

Wir verwenden die Größe und Anordnung der oben erwähnten atomaren magnetischen Momente, die Form der M~H-Magnetisierungskurve, die magnetische Suszeptibilität und andere Parameter, um den Magnetismus von Materialien zu beschreiben und Materialien zu klassifizieren.

Paramagnetische Stoffe

Es handelt sich um eine Substanz, die entsprechend der Richtung des Magnetfeldes magnetisiert werden kann, wenn sie in die Nähe des Magnetfeldes gebracht wird, aber sie ist sehr schwach und kann nur mit Präzisionsinstrumenten gemessen werden.

Wird das äußere Magnetfeld entfernt, geht das innere Magnetfeld auf Null zurück, so dass es nicht mehr magnetisch ist. Wie zum Beispiel Aluminium, Sauerstoff, etc.
Jedes Atom eines paramagnetischen Materials hat ein magnetisches Moment, wodurch das paramagnetische Material ein inhärentes atomares magnetisches Moment hat; es gibt keine Wechselwirkung zwischen benachbarten Atomen eines paramagnetischen Materials, so dass bei Raumtemperatur die atomaren magnetischen Momente chaotisch angeordnet sind und die atomaren magnetischen Momente Der projizierte Wert von μJ ist in jeder Richtung null.

Wenn ein äußeres Magnetfeld H vorhanden ist, kann das atomare magnetische Moment dieser Art von Material nur in einem sehr kleinen Winkel entlang der Richtung des äußeren Magnetfeldes rotieren, und seine Magnetisierungsintensität steigt langsam mit der Zunahme des äußeren Magnetfeldes. Seine magnetische Suszeptibilität χ>0, der Wert ist im Allgemeinen 10-5~10-3 Große Neodym-Magnete.

Um die atomaren magnetischen Momente von paramagnetischen Materialien vollständig in Richtung des äußeren Magnetfeldes auszurichten, ist nach groben Schätzungen eine äußere Magnetfeldstärke von 109~1010 A/m erforderlich, die derzeit mit künstlichen Magnetfeldern nur schwer zu erreichen ist.

Diamagnetisches Material

Es handelt sich um eine Substanz mit negativer magnetischer Suszeptibilität, was bedeutet, dass die Richtung des Magnetfeldes nach der Magnetisierung der Richtung des äußeren Magnetfeldes entgegengesetzt ist. Alle organischen Verbindungen sind diamagnetisch, und auch Graphit, Blei, Wasser usw. sind diamagnetische Stoffe.

Die Projektion des atomaren orbitalen magnetischen Moments und des magnetischen Spinmoments des diamagnetischen Materials im Magnetfeld ist Null, was bedeutet, dass das diamagnetische Material kein atomares magnetisches Nettomoment Big Neodymium Magnets hat, aber unter der Wirkung des äußeren Magnetfeldes wird die Elektronenbahn ein induziertes zusätzliches magnetisches Moment erzeugen, und dieses induzierte magnetische Moment ist in der entgegengesetzten Richtung zum äußeren Magnetfeld, so dass negativer Magnetismus Big Neodymium Magnets erscheint.

Die Magnetisierungsrichtung von diamagnetischen Materialien ist negativ, entgegengesetzt zum äußeren Magnetfeld, und ihr absoluter Wert steigt linear mit der Zunahme des äußeren Magnetfelds.

Ferromagnetische Stoffe

Es handelt sich um eine Art von magnetischer Substanz, die ihren magnetisierten Zustand auch dann beibehält, wenn das äußere Magnetfeld verschwindet, nachdem sie unter der Einwirkung eines äußeren Magnetfeldes magnetisiert wurde. Bislang hat man insgesamt 83 metallische Elemente entdeckt, von denen 4 über der Raumtemperatur liegen Große Neodym-Magnete. Es handelt sich um ferromagnetische Elemente, nämlich Eisen, Kobalt, Nickel und Gadolinium; bei extrem niedrigen Temperaturen gibt es 5 Elemente, die in ferromagnetische Elemente umgewandelt werden können, nämlich Terbium, Dysprosium, Holmium, Erbium und Thulium.

Atome in ferromagnetischen Materialien haben inhärente atomare magnetische Momente, und einige Elektronen werden gemeinsam genutzt. Die magnetischen Spinmomente benachbarter Atome sind in der gleichen Richtung und parallel zueinander angeordnet (auch spontane Magnetisierung genannt) Große Neodym-Magnete. Die M~H-Magnetisierungskurve ferromagnetischer Materialien ist nichtlinear, und die magnetische Suszeptibilität χ ändert sich mit der Änderung des Magnetfelds. Die magnetische Suszeptibilität χ von ferromagnetischen Materialien ist sehr groß, bis zu 105~107.

Antiferromagnetisches Material

Es erzeugt kein Magnetfeld und ist relativ selten. Es werden immer noch neue antiferromagnetische Materialien entdeckt. Die meisten antiferromagnetischen Materialien existieren nur bei niedrigen Temperaturen und werden normalerweise paramagnetisch, wenn die Temperatur einen bestimmten Wert überschreitet. Zum Beispiel sind Chrom, Mangan usw. antiferromagnetisch.

Atome in antiferromagnetischen Materialien haben ebenfalls inhärente atomare magnetische Momente, und einige Elektronen werden gemeinsam genutzt, aber die magnetischen Momente benachbarter Atome sind in entgegengesetzten Richtungen angeordnet (auch antiferromagnetische Ordnung genannt). Die M~H-Magnetisierungskurve von ferromagnetischem Material ist linear, und die magnetische Suszeptibilität χ>0, ihr Wert beträgt etwa 10-4~10-5, was sehr klein und eine Konstante ist.

Das heißt, wenn antiferromagnetisches Material in einem äußeren Magnetfeld magnetisiert wird, ändert sich sein atomares magnetisches Moment nur sehr wenig mit dem äußeren Magnetfeld, was dasselbe ist wie bei paramagnetischen Stoffen und zum schwachen Magnetismus gehört Große Neodymmagnete. Die magnetische Suszeptibilität χ von antiferromagnetischen magnetischen Materialien ändert sich mit der Temperatur, wie in der Abbildung unten dargestellt, und Tn wird als Neel-Temperatur bezeichnet.

Ferrimagnetische Stoffe

Der makroskopische Magnetismus ist derselbe wie der Ferromagnetismus, nur dass die magnetische Suszeptibilität geringer ist (die magnetische Suszeptibilität χ beträgt 102~105). Typische ferrimagnetische Materialien wie Ferrit unterscheiden sich von ferromagnetischen Materialien vor allem durch ihre innere magnetische Struktur (magnetische Suszeptibilität).

Das atomare magnetische Moment von ferrimagnetischen Materialien ist nicht null, und es gibt eine indirekte Austauschwechselwirkung oder RKKY-Austauschwechselwirkung zwischen benachbarten atomaren magnetischen Momenten Großer Neodym-Magnete, wodurch die atomaren magnetischen Momente benachbarter Untergitter antiparallel angeordnet sind, aber ihre benachbarten Untergitter Die atomaren magnetischen Momente des Arrays sind unterschiedlich groß (siehe Abbildung oben).

Dieses Phänomen wird auch als ferrimagnetische Ordnung oder ferrimagnetische Spontanmagnetisierung bezeichnet. Die M~H-Magnetisierungskurve ferrimagnetischer Materialien ist nichtlinear, ähnlich wie bei ferromagnetischen Materialien, mit der Ausnahme, dass die magnetische Suszeptibilität etwas geringer ist, aber sie ist immer noch stark magnetisch Große Neodym-Magnete.

Oben haben wir die Quelle des Magnetismus von Materialien und die physikalische Bedeutung des magnetischen Moments auf der mikroskopischen Ebene verstanden. In der nächsten Ausgabe von Understanding Magnetism wird das magnetische Moment von magnetischen Materialien auf makroskopischer Ebene vorgestellt, einschließlich der Beziehung zwischen magnetischem Moment, magnetischem Fluss, Remanenz usw., magnetischem Moment, wie man es misst und berechnet usw.