Właściwości magnetyczne materiałów
Właściwości magnetyczne materiałów
Właściwości magnetyczne inne niż diamagnetyzm, który jest obecny we wszystkich substancjach, wynikają z interakcji niesparowanych elektronów. Właściwości te są tradycyjnie spotykane w metalach przejściowych, lantanowcach i ich związkach z powodu niesparowanych d i f elektronów na metalu. Istnieją trzy ogólne typy zachowań magnetycznych: paramagnetyzm, w którym niesparowane elektrony są rozmieszczone losowo, ferromagnetyzm, w którym wszystkie niesparowane elektrony są wyrównane, oraz antyferromagnetyzm, w którym niesparowane elektrony ustawiają się naprzeciwko siebie. Materiały ferromagnetyczne mają ogólny moment magnetyczny, podczas gdy materiały antyferromagnetyczne mają zerowy moment magnetyczny. Związek jest definiowany jako ferrimagnetyczny, jeśli spiny elektronów są zorientowane przeciwnie do siebie, ale z powodu nierówności w liczbie spinów w każdej orientacji istnieje ogólny moment magnetyczny. Istnieją również wymuszone substancje ferromagnetyczne (zwane spin-glass-like), w których materiały antyferromagnetyczne mają kieszenie wyrównanych spinów (Rysunek 1).
Rysunek 1.Rodzaje magnetyzmu: (A) paramagnetyzm (B) ferromagnetyzm (C) antyferromagnetyzm (D) ferrimagnetyzm (E) ferromagnetyzm wymuszony
Charakter magnetyczny materiałów jest zwykle analizowany w odniesieniu do ich podatności magnetycznej (χ). Podatność magnetyczna to stosunek magnetyzacji (M) do pola magnetycznego (H). Rodzaj zachowania magnetycznego związku może być określony przez jego wartość χ (Tabela 1 dla porównania zachowania magnetycznego w stosunku do χ i Tabela 2 dla podatności niektórych popularnych materiałów paramagnetycznych).
| Zachowanie magnetyczne | Wartość χ |
|---|---|
| Diamagnetyczny | mała i ujemna |
| Paramagnetyczny | Mały i dodatni |
| Ferromagnetyczny | duży i dodatni |
| Antyferromagnetyczny | małe i dodatnie |
| Związek/Pierwiastek | Formuła | Podatność masowa (χm) (m3/kg) | Podatność masowa (χm) (emu/Oe-g) x 10-3 |
|---|---|---|---|
| Cerium. | Ce | 64.84 | 5.160 |
| Tlenek chromu(III) | Cr2O3 | 24.63 | 1.960 |
| Tlenek kobaltu(II) | CoO | 61.57 | 4.900 |
| Dysprosium | Dy | 1301 | 103.500 |
| Tlenek cysprozu | Dy2O3 | 1126 | 89.600 |
| Erbium. | Er | 556.7 | 44.300 |
| Tlenek erbu | Er2O3 | 928.9 | 73.920 |
| Europium. | Eu | 427.3 | 34.000 |
| Tlenek europu | Eu2O3 | 126.9 | 10.100 |
| Gadolinium | Gd | 9488 | 755.000 |
| Tlenek Gadolinu | Gd2O3 | 668.5 | 53.200 |
| Tlenek żelaza(II) | FeO | 90.48 | 7.200 |
| Tlenek żelaza(III) | Fe2O3 | 45.06 | 3.586 |
| Siarczek żelaza(II) | FeS | 13.5 | 1.074 |
| Neodym. | Nd | 70.72 | 5.628 |
| Tlenek neodymu | Nd2O3 | 128.2 | 10.200 |
| Nadtlenek potasu | KO2 | 40.59 | 3.230 |
| Praseodymium | Pr | 62.96 | 5.010 |
| Samarium. | Sm | 28.02 | 2.230 |
| Tlenek samaru | Sm2O3 | 24.98 | 1.988 |
| Terbium | Tb | 1822 | 146.000 |
| Tlenek terbu | Tb2O3 | 984.4 | 78.340 |
| Thulium. | Tm | 320.4 | 25.500 |
| Tlenek tulu | Tm2O3 | 646.5 | 51.444 |
| Tlenek wanadu | V2O3 | 24.83 | 1.976 |
Materiały antyferromagnetyczne można odróżnić od substancji paramagnetycznych tym, że wartość χ wzrasta wraz z temperaturą, podczas gdy χ nie wykazuje zmian lub maleje wraz ze wzrostem temperatury dla związków paramagnetycznych. Materiały ferromagnetyczne i antyferromagnetyczne tracą charakter magnetyczny i stają się paramagnetyczne, jeśli zostaną wystarczająco podgrzane. Temperatura, w której to następuje, jest określana jako temperatura Curie (Tc) dla związków ferromagnetycznych i temperatura Néela (TN) dla związków antyferromagnetycznych. Niektóre substancje, w szczególności późniejsze lantanowce, przechodzą od paramagnetycznego do antyferromagnetycznego do ferromagnetycznego wraz ze spadkiem temperatury (Tabela 3).
| Temperatura Curie | temperatura Neela | temperatura Curie | Temperatura Neela | |
|---|---|---|---|---|
| Metal | TC (°C) | TN (°C) | TC (K) | TN (K) |
| Ce | -260.65 | 12.5 | ||
| Pr | -248 | 25 | ||
| Nd | -254 | 19 | ||
| Sm | -258.35 | 14.8 | ||
| Eu | -183 | 90 | ||
| Gd | 20 | 293 | ||
| Tb | -51 | -44 | 222 | 229 |
| Dy | -188 | -94 | 85 | 179 |
| Ho | -253 | -142 | 20 | 131 |
| Er | -253 | -189 | 20 | 84 |
| Tm | -248 | -217 | 25 | 56 |
Istnieje kilka unikalnych właściwości materiałów magnetycznych, które są wykorzystywane. Zmieniające się pola magnetyczne indukują napięcie elektryczne, dzięki czemu materiały magnetyczne są głównym składnikiem prawie wszystkich generatorów elektrycznych. Materiały magnetyczne są również niezbędnymi komponentami do przechowywania informacji w komputerach, czujnikach, siłownikach i różnych urządzeniach telekomunikacyjnych, od telefonów po satelity.
Niektóre materiały, znane jako miękkie materiały magnetyczne, wykazują właściwości magnetyczne tylko wtedy, gdy są wystawione na działanie siły magnesującej, takiej jak zmieniające się pole elektryczne. Miękkie materiały ferromagnetyczne są najczęstszymi z nich, ponieważ są szeroko stosowane zarówno w obwodach prądu przemiennego, jak i stałego w celu wzmocnienia strumienia elektrycznego. Nanoproszki magnetyczne okazały się bardzo obiecujące w zaawansowanych miękkich materiałach magnetycznych.2 Materiały magnetokaloryczne nagrzewają się w obecności pola magnetycznego, a następnie ochładzają się po usunięciu z pola magnetycznego. Na przykład czyste żelazo zmienia temperaturę o 0,5 - 2,0°C/Teslę. Od niedawna stopy o wzorze Gd5SixGe1-x (gdzie x = 0 - 5) wykazują zmianę o 3 - 4 °C/Teslę.3,4 Niektóre materiały nanomagnetyczne wykazały znaczące właściwości magnetokaloryczne.
Zaloguj się lub utwórz konto, aby kontynuować.
Nie masz konta użytkownika?Dla wygody naszych klientów ta strona została przetłumaczona maszynowo. Dołożyliśmy starań, aby zapewnić dokładne tłumaczenie maszynowe. Tłumaczenie maszynowe nie jest jednak doskonałe. Jeśli tłumaczenie maszynowe nie spełnia Twoich oczekiwań, przejdź do wersji w języku angielskim.