Mit Ferrimagnetism verwirrter:Not; weil eine Übersicht Magnetismus sieht

Ferromagnetismus ist der grundlegende Mechanismus, durch den bestimmte Materialien (wie Eisen) dauerhafte Magnete bilden, oder von Magneten angezogen werden. In der Physik sind mehrere verschiedene Typen des Magnetismus bemerkenswert. Ferromagnetismus (einschließlich ferrimagnetism) ist der stärkste Typ; es ist der einzige Typ, der Kräfte schafft, die stark genug sind, um gefühlt zu werden, und für die allgemeinen Phänomene des im täglichen Leben gestoßenen Magnetismus verantwortlich ist. Andere Substanzen antworten schwach auf magnetische Felder mit zwei anderen Typen des Magnetismus, Paramagnetismus und diamagnetism, aber die Kräfte sind so schwach, dass sie nur durch empfindliche Instrumente in einem Laboratorium entdeckt werden können. Ein tägliches Beispiel des Ferromagnetismus ist ein Kühlschrank-Magnet, der verwendet ist, um Zeichen auf einer Kühlschrank-Tür zu halten. Die Anziehungskraft zwischen einem Magnet und eisenmagnetischem Material ist "die Qualität des Magnetismus, der zuerst für die alte Welt, und für uns heute offenbar ist".

Dauerhafte Magnete (Materialien, die durch ein magnetisches Außenfeld magnetisiert werden und magnetisiert nach dem Außenfeld bleiben können, wird entfernt), sind entweder eisenmagnetisch oder ferrimagnetic, wie andere Materialien sind, die von ihnen merklich angezogen werden. Nur einige Substanzen sind eisenmagnetisch; die allgemeinen sind Eisen, Nickel, Kobalt und der grösste Teil ihrer Legierung, einige Zusammensetzungen von seltenen Erdmetallen und einige natürlich vorkommende Minerale wie natürlicher Magnet.

Ferromagnetismus ist in der Industrie und modernen Technologie sehr wichtig, und ist die Basis für viele elektrische und elektromechanische Geräte wie Elektromagneten, elektrische Motoren, Generatoren, Transformatoren und magnetische Lagerung wie Tonbandgeräte und Festplatten.

Geschichte und Unterscheidung von ferrimagnetism

Historisch wurde der Begriff Ferromagnet für jedes Material gebraucht, das spontane Magnetisierung ausstellen konnte: ein magnetischer Nettomoment ohne ein magnetisches Außenfeld. Diese allgemeine Definition ist noch in der üblichen Anwendung. Mehr kürzlich, jedoch, sind verschiedene Klassen der spontanen Magnetisierung identifiziert worden, wenn es mehr als ein magnetisches Ion pro primitive Zelle des Materials gibt, zu einer strengeren Definition "des Ferromagnetismus" führend, der häufig verwendet wird, um es von ferrimagnetism zu unterscheiden. Insbesondere ein Material ist in diesem schmaleren Sinn nur "eisenmagnetisch", wenn alle seine magnetischen Ionen einen positiven Beitrag zur Nettomagnetisierung hinzufügen. Wenn einige der magnetischen Ionen von der Nettomagnetisierung Abstriche machen (wenn sie teilweise antiausgerichtet werden), dann ist das Material "ferrimagnetic". Wenn die Momente der ausgerichteten und antiausgerichteten Ionen völlig balancieren, um Nullnettomagnetisierung trotz der magnetischen Einrichtung zu haben, dann ist es ein Antiferromagnet. Diese Anordnungseffekten kommen nur bei Temperaturen unter einer bestimmten kritischen Temperatur, genannt die Temperatur von Curie (für Ferromagnete und ferrimagnets) oder die Temperatur von Néel (für Antiferromagnete) vor.

Unter den ersten Untersuchungen des Ferromagnetismus sind die Pionierarbeiten von Aleksandr Stoletov auf dem Maß der magnetischen Durchdringbarkeit von ferromagnetics, der als die Kurve von Stoletov bekannt ist.

Eisenmagnetische Materialien

Der Tisch auf dem Recht verzeichnet eine Auswahl an eisenmagnetischen und Ferrimagnetic-Zusammensetzungen zusammen mit der Temperatur, über der sie aufhören, spontane Magnetisierung auszustellen (sieh Temperatur von Curie).

Ferromagnetismus ist ein Eigentum nicht nur des chemischen Make-Ups eines Materials, aber von seiner kristallenen Struktur und mikroskopischer Organisation. Es gibt eisenmagnetische Metalllegierungen, deren Bestandteile nicht selbst eisenmagnetische, genannte Legierung von Heusler, genannt nach Fritz Heusler sind. Umgekehrt gibt es nichtmagnetische Legierung, wie Typen von rostfreiem Stahl, zusammengesetzt fast exklusiv aus eisenmagnetischen Metallen.

Man kann auch amorphe (nichtkristallene) eisenmagnetische metallische Legierung durch das sehr schnelle Löschen (das Abkühlen) einer flüssigen Legierung machen. Diese haben den Vorteil, dass ihre Eigenschaften fast (nicht ausgerichtet entlang einer Kristallachse) isotropisch sind; das läuft auf niedrige Sättigungskoerzitivkraft, niedrigen Verlust der magnetischen Trägheit, hohe Durchdringbarkeit und hohen elektrischen spezifischen Widerstand hinaus. Ein solches typisches Material ist eine Übergang-Metall-Metalloid-Legierung, die vom ganzen 80-%-Übergang-Metall (gewöhnlich Fe, Co oder Ni) und ein metalloid Bestandteil gemacht ist (B, C, Si, P, oder Al), der den Schmelzpunkt senkt.

Eine relativ neue Klasse außergewöhnlich starker eisenmagnetischer Materialien ist die Selten-Erdmagnete. Sie enthalten lanthanide Elemente, die für ihre Fähigkeit bekannt sind, große magnetische Momente in gut lokalisiertem f-orbitals zu tragen.

Ferromagnete von Actinide

Mehrere Actinide-Zusammensetzungen sind Ferromagnete bei der Raumtemperatur oder werden Ferromagnete unter der Temperatur von Curie (T). PuP ist ein actinide pnictide, der ein Paramagnet ist und Kubiksymmetrie bei der Raumtemperatur hat, aber nach dem Abkühlen erlebt eine Gitter-Verzerrung zu tetragonal, wenn abgekühlt, zu unter seinem T = 125 K. PuP hat eine leichte Achse dessen

an 5 K. Die Gitter-Verzerrung ist vermutlich eine Folge der Beanspruchung, die durch die magnetoelastic Wechselwirkungen als die magnetischen Momente ausgerichtete Parallele innerhalb von magnetischen Gebieten veranlasst ist.

In NpFe ist die leichte Achse

der die größte Beanspruchung in jeder Actinide-Zusammensetzung ist. NpNi erlebt eine ähnliche Gitter-Verzerrung unter T = 32 K, mit einer Beanspruchung (43 ± 5) × 10. NpCo ist ein ferrimagnet unter 15 K.

Lithiumbenzin

2009 hat eine Mannschaft von MIT Physikern demonstriert, dass ein weniger als einem Kelvin abgekühltes Lithiumbenzin Ferromagnetismus ausstellen kann. Die Mannschaft hat fermionic Lithium 6 zu weniger als 150 Milliardsteln eines Kelvins über der absoluten Null mit dem Infrarotlaserabkühlen abgekühlt. Diese Demonstration ist das erste Mal, dass Ferromagnetismus in einem Benzin demonstriert worden ist.

Erklärung

Der Lehrsatz von Bohr van Leeuwen zeigt, dass Magnetismus in rein klassischen Festkörpern nicht vorkommen kann. Ohne Quant-Mechanik würde es keinen diamagnetism, Paramagnetismus oder Ferromagnetismus geben. Das Eigentum des Ferromagnetismus ist wegen des direkten Einflusses von zwei Effekten von der Quant-Mechanik: Spinnen Sie und der Ausschluss-Grundsatz von Pauli.

Ursprung des Magnetismus

Die Drehung eines Elektrons, das mit seiner elektrischen Anklage verbunden ist, resultiert in einem magnetischen Dipolmoment und schafft ein kleines magnetisches Feld. Obwohl ein Elektron klassisch als ein spinnender Ball der Anklage vergegenwärtigt werden kann, ist Drehung wirklich ein Quant mechanisches Eigentum mit Unterschieden zum klassischen Bild wie die Tatsache, dass es in den getrennten gequantelt wird,/unten setzt fest. Die Drehung der Elektronen in Atomen ist die Hauptquelle des Ferromagnetismus, obwohl es auch einen Beitrag vom winkeligen Augenhöhlenschwung des Elektrons über den Kern gibt, dessen klassische Entsprechung eine aktuelle Schleife ist. Wenn diese winzigen magnetischen Dipole in derselben Richtung ausgerichtet werden, tragen ihre individuellen magnetischen Felder zusammen bei, um ein messbares makroskopisches Feld zu schaffen.

Jedoch in Materialien mit einer gefüllten Elektronschale ist der Gesamtdipolmoment der Elektronen Null, weil die Drehungen in/unten Paaren sind. Nur Atome mit teilweise gefüllten Schalen (d. h., allein stehende Drehungen) können einen magnetischen Nettomoment haben, so kommt Ferromagnetismus nur in Materialien mit teilweise gefüllten Schalen vor. Wegen der Regierungen von Hund neigen die ersten paar Elektronen in einer Schale dazu, dieselbe Drehung zu haben, dadurch den Gesamtdipolmoment vergrößernd.

Diese allein stehenden Dipole (häufig genannt "spinnt" einfach, wenn auch sie auch allgemein winkeligen Schwung einschließen), neigen dazu, sich in der Parallele zu einem magnetischen Außenfeld, eine Wirkung genannt Paramagnetismus auszurichten. Ferromagnetismus schließt ein zusätzliches Phänomen jedoch ein: Die Dipole neigen dazu, sich spontan auszurichten, eine spontane Magnetisierung verursachend, selbst wenn es kein angewandtes Feld gibt.

Austauschwechselwirkung

Gemäß dem klassischen Elektromagnetismus werden zwei nahe gelegene magnetische Dipole dazu neigen, sich in entgegengesetzten Richtungen auszurichten, so werden ihre magnetischen Felder einander entgegensetzen und annullieren. Jedoch ist diese Wirkung sehr schwach, weil die magnetischen durch individuelle Drehungen erzeugten Felder klein sind und die resultierende Anordnung durch Thermalschwankungen leicht zerstört wird. In einigen Materialien entsteht eine viel stärkere Wechselwirkung zwischen Drehungen, weil die Änderung in der Richtung auf die Drehung zu einer Änderung in der elektrostatischen Repulsion zwischen benachbarten Elektronen wegen eines besonderen Quants führt, das mechanische Wirkung die Austauschwechselwirkung genannt hat. In kurzen Entfernungen ist die Austauschwechselwirkung viel stärker als der Dipoldipol magnetische Wechselwirkung. Infolgedessen, in einigen Materialien, den eisenmagnetischen, neigen nahe gelegene Drehungen dazu, sich in derselben Richtung auszurichten.

Die Austauschwechselwirkung ist mit dem Ausschluss-Grundsatz von Pauli verbunden, der sagt, dass zwei Elektronen mit derselben Drehung dieselbe "Position" nicht auch haben können. Deshalb, unter bestimmten Bedingungen, wenn der orbitals der allein stehenden Außenwertigkeitselektronen vom angrenzenden Atom-Übergreifen, der Vertrieb ihrer elektrischen Anklage im Raum weiter einzeln darin besteht, wenn die Elektronen parallele Drehungen haben als, wenn sie entgegengesetzte Drehungen haben. Das reduziert die elektrostatische Energie der Elektronen, wenn ihre Drehungen im Vergleich zu ihrer Energie parallel sind, wenn die Drehungen antiparallel sind, so ist der Staat der parallelen Drehung stabiler. In einfachen Begriffen können sich die Elektronen, die einander zurücktreiben, "weiter einzeln" durch das Übereinstimmen ihrer Drehungen bewegen, so neigen die Drehungen dieser Elektronen dazu sich aufzustellen. Dieser Unterschied in der Energie wird die Austauschenergie genannt.

Die Materialien, in denen die Austauschwechselwirkung viel stärker ist als die konkurrierende Dipoldipol-Wechselwirkung, werden oft magnetische Materialien genannt. Zum Beispiel in Eisen (Fe) ist die Austauschkraft ungefähr 1000mal stärker als die Dipolwechselwirkung. Deshalb unter der Curie-Temperatur eigentlich werden alle Dipole in einem eisenmagnetischen Material ausgerichtet.

Die Austauschwechselwirkung ist auch für die anderen Typen der spontanen Einrichtung von magnetischen Atommomenten verantwortlich, in magnetischen Festkörpern, Antiferromagnetismus und ferrimagnetism vorkommend.

Es gibt verschiedene Austauschwechselwirkungsmechanismen, die den Magnetismus im verschiedenen eisenmagnetisch, ferrimagnetic, und antimagnetische Substanzen schaffen. Diese Mechanismen schließen direkten Austausch, RKKY Austausch, doppelten Austausch und Superaustausch ein.

Magnetischer anisotropy

Obwohl die Austauschwechselwirkung Drehungen ausgerichtet hält, richtet sie sie in einer besonderen Richtung nicht aus. Ohne magnetischen anisotropy ändern die Drehungen in einem Magnet zufällig Richtung als Antwort auf Thermalschwankungen, und der Magnet ist superparamagnetic. Es gibt mehrere Arten von magnetischen anisotropy, von denen der allgemeinste magnetocrystalline anisotropy ist. Das ist eine Abhängigkeit der Energie auf der Richtung der Magnetisierung hinsichtlich des crystallographic Gitters. Eine andere allgemeine Quelle von anisotropy, umgekehrter Magnetostriktion, wird durch innere Beanspruchungen veranlasst. Magnete des einzelnen Gebiets können auch eine Gestalt anisotropy wegen der magnetostatic Effekten der Partikel-Gestalt haben. Als die Temperatur eines Magnets zunimmt, neigt der anisotropy dazu abzunehmen, und es gibt häufig eine blockierende Temperatur, bei der ein Übergang zum Superparamagnetismus vorkommt.

Magnetische Gebiete

Der obengenannte würde scheinen darauf hinzuweisen, dass jedes Stück des eisenmagnetischen Materials ein starkes magnetisches Feld haben sollte, da alle Drehungen noch ausgerichtet werden, werden Eisen und andere Ferromagnete häufig in einem "unmagnetisierten" Staat gefunden. Der Grund dafür besteht darin, dass ein Hauptteil-Stück des eisenmagnetischen Materials in winzige magnetische Gebiete (auch bekannt als Gebiete von Weiss) geteilt wird. Innerhalb jedes Gebiets werden die Drehungen ausgerichtet, aber (wenn das Schüttgut in seiner niedrigsten Energiekonfiguration, d. h. unmagnetisiert ist) annullieren die Drehungen des getrennten Bereichspunkts in verschiedenen Richtungen und ihren magnetischen Feldern, so hat der Gegenstand kein magnetisches in großem Umfang Nettofeld.

Eisenmagnetische Materialien teilen sich spontan in magnetische Gebiete, weil die Austauschwechselwirkung eine Kraft für kurze Strecken, so über lange Entfernungen von vielen Atomen die Tendenz der magnetischen Dipole ist, ihre Energie durch die Ortsbestimmung in entgegengesetzten Richtungsgewinnen zu reduzieren. Wenn alle Dipole in einem Stück des eisenmagnetischen Materials Parallele ausgerichtet werden, schafft es ein großes magnetisches Feld, das sich in den Raum darum ausstreckt. Das enthält viel magnetostatic Energie. Das Material kann diese Energie durch das Aufspalten in viele Gebiete reduzieren, die in verschiedenen Richtungen hinweisen, so wird das magnetische Feld auf kleine lokale Felder im Material beschränkt, das Volumen des Feldes reduzierend. Die Gebiete werden durch dünne Bereichswände mehrere dicke Moleküle getrennt, in dem die Richtung der Magnetisierung der Dipole glatt von der Richtung eines Gebiets bis den anderen rotiert.

So hat ein Stück von Eisen in seinem niedrigsten Energiestaat ("unmagnetisiert") allgemein wenig oder kein magnetisches Nettofeld. Jedoch, wenn es in ein genug starkes magnetisches Außenfeld gelegt wird, werden sich die Bereichswände bewegen, die Gebiete neu einstellend, so werden mehr von den Dipolen nach dem Außenfeld ausgerichtet. Die Gebiete werden ausgerichtet bleiben, wenn das Außenfeld entfernt wird, ein magnetisches Feld ihres eigenen Verlängerns in den Raum um das Material schaffend, so einen "dauerhaften" Magnet schaffend. Die Gebiete gehen zu ihrer ursprünglichen minimalen Energiekonfiguration nicht zurück, wenn das Feld entfernt wird, weil die Bereichswände dazu neigen, 'befestigt' oder 'gegen einen Stumpf fahren gelassen' auf Defekten im Kristallgitter zu werden, ihre parallele Orientierung bewahrend. Das wird durch die Wirkung von Barkhausen gezeigt: Da das Magnetisieren-Feld, die Magnetisierungsänderungen in Tausenden von winzigen diskontinuierlichen Sprüngen geändert wird, weil die Bereichswände plötzlich vorige Defekte "schnappen".

Diese Magnetisierung als eine Funktion des Außenfeldes wird durch eine Kurve der magnetischen Trägheit beschrieben. Obwohl dieser Staat von ausgerichteten in einem Stück des magnetisierten eisenmagnetischen Materials gefundenen Gebieten nicht eine Konfiguration der minimalen Energie ist, ist es metastable, und kann seit langen Zeiträumen, wie gezeigt, durch Proben des Magneteisensteins vom Meeresboden andauern, die ihre Magnetisierung seit Millionen von Jahren aufrechterhalten haben.

Für die stärksten dauerhaften Magnete verwendete Legierung ist "harte" Legierung, die mit vielen Defekten in ihrer Kristallstruktur gemacht ist, wo die Bereichswände "greifen" und sich stabilisieren. Die Nettomagnetisierung kann durch die Heizung und dann das Abkühlen (das Ausglühen) des Materials ohne ein Außenfeld jedoch zerstört werden. Die Wärmebewegung erlaubt den Bereichsgrenzen, sich zu bewegen, sie von irgendwelchen Defekten veröffentlichend, in ihre niedrige Energie unausgerichteten Staat zurückzugeben.

Curie-Temperatur

Weil die Temperatur, Wärmebewegung oder Wärmegewicht zunimmt, sich mit der eisenmagnetischen Tendenz um Dipole bewirbt, um sich auszurichten. Wenn sich die Temperatur außer einem bestimmten Punkt, genannt die Temperatur von Curie erhebt, gibt es einen Phase-Übergang der zweiten Ordnung, und das System kann eine spontane Magnetisierung nicht mehr aufrechterhalten, obwohl es noch paramagnetically auf ein Außenfeld antwortet. Unter dieser Temperatur gibt es ein spontanes Symmetrie-Brechen und zufällige Bereichsform (ohne ein Außenfeld). Die Temperatur von Curie selbst ist ein kritischer Punkt, wo die magnetische Empfänglichkeit theoretisch unendlich ist und, obwohl es keine Nettomagnetisierung gibt, schwanken bereichsähnliche Drehungskorrelationen an allen Länge-Skalen.

Die Studie von eisenmagnetischen Phase-Übergängen, besonders über das vereinfachte Drehungsmodell von Ising, hatte einen wichtigen Einfluss auf die Entwicklung der statistischen Physik. Dort wurde es zuerst klar gezeigt, dass Mittelfeldtheorie-Annäherungen gescheitert haben, das richtige Verhalten am kritischen Punkt vorauszusagen (der, wie man fand, unter einer Allgemeinheitsklasse gefallen ist, die viele andere Systeme, wie Flüssig-Gasübergänge einschließt), und durch die Wiedernormalisierungsgruppentheorie ersetzt werden musste.

Siehe auch

• Eisenmagnetische materielle Eigenschaften
• Thermomagnetischer Motor

Bibliografie

• E. P. Wohlfarth, Hrsg., Eisenmagnetische Materialien (Nordholland, 1980).
• "Legierung von Heusler," Encyclopædia Britannica Online, wiederbekommen am 23. Januar 2005.
• F. Heusler, W. Völlig, und E. Haupt, Verh. der Phys. Ges. 5, 219 (1903).
• S. Vonsovsky Magnetism von elementaren Partikeln (Mir Herausgeber, Moskau, 1975).
• Tyablikov S. V (1995): Methoden in der Quant-Theorie des Magnetismus. Springer; 1. Ausgabe. Internationale Standardbuchnummer 0-306-30263-2.

Links

• Elektromagnetismus - ein Kapitel aus einem Online-Lehrbuch
• Ausführliche nichtmathematische Beschreibung von eisenmagnetischen Materialien mit belebten Illustrationen