常磁性:定義と例

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常磁性とは、磁場にさらされると力が発生し、磁場が取り除かれると力が消える物質の特性です。常磁性を説明する前に、まず磁気と磁場についていくつかのアイデアを見てみましょう。

磁気と磁場

磁性は、重力と電気的相互作用とともに、古典物理学、つまりニュートン物理学が考えた物質の 3 つの相互作用の 1 つです。過去に、特定の物質が鉄を引き付けることはすでに観察されていました。強磁性特性を持つ鉄鉱物に関連して、「磁性」という用語が生まれたのは古代ギリシャです。その後、磁力の基本的な用途が中国で発見されました。コンパスは、磁化された針を地球の磁場に合わせて、あらゆる地理的環境での向きを可能にします。ハンス・クリスチャン・エルステッドが 1820 年に電流が磁力を生成することを観察したときに最初に実証したように、磁気と電気は関連しています。移動する電荷は磁場を生成し、移動する磁場は電流を生成します。この最後のステートメントは、モーターで磁場を回転させることによって電流を生成する発電機の動作原理です。運動中の電荷と磁場との間のこの関連付けは、磁性材料と常磁性の挙動を理解するために不可欠です。

電子は負の電荷であり、原子内を移動すると磁場が発生します。これが物質の磁気特性の原点です。物質の磁性を生み出すのは、電子とその動きです。磁場は、磁場の発生源の周りの各点における力の分布として理解され、大きさ方向、および方向を持ちます。; 記事のプレゼンテーション図は、2 つの引力の極を持つ磁気バーの磁場を示しています。電子とその動きは、原子内で発生する動きのタイプに関連する 2 つの方法で磁場を生成します。原子核の周りの軌道運動と、それ自体の回転、そのスピンです。後者のスピン磁気モーメントは、その大きさのために最も重要です。原子の磁気モーメントは、電子の磁気モーメントの合計です。電子はペアで原子軌道を占有し、反対方向のスピンを持っています。同じ軌道にある電子対のスピン磁気モーメントはゼロになります。方向が反対の場合はキャンセルされるためです。したがって、軌道が完全でなく、電子が 1 つしかない原子のみが、それらは正味の磁気モーメントを持ち、強度は電子が 1 つしかない軌道の数に依存します。たとえば、鉄には 26 個の電子と 4 個の 3 軌道があります。dは単一の電子で占められています。27 個の電子を持つコバルトには、単一の電子が占める3 つの 3d 軌道があります。

強磁性およびフェリ磁性材料

物質内では、原子の磁気モーメントが乱れ、さまざまな方向をたどります。物質のすべての原子磁気モーメントが同じ方向に同じ意味で整列している場合、それらが合計され、物質の磁化が生成されます。この場合、永久磁場を持つ強磁性体があります。この原子磁気モーメントの秩序化は、一部の材料で自発的に生成されますが、元素だけでなく、微視的にどのように組織化されるか、特に結晶構造にも依存します。自発永久磁化を生成する材料は、次の図に示すように、異なる磁化方向を持つ微細なセクターで構成できます。この場合、

外部磁場の適用によるセクター化された強磁性材料の配向
外部磁場の適用によるセクター化された強磁性材料の配向

鉄 (Fe)、コバルト、およびニッケルは、元素として、または分子の一部として結晶構造を形成し、強磁性体を構成するいくつかの元素です。鉄で構成された強磁性化合物は、磁性という用語を生み出した、いわゆるマグネタイトである二鉄酸化第一鉄、Fe 3 O 4です。

次の図に示すように、材料内の原子磁気モーメントの方向の別の方法は、同じ方向ですが、交互の線で反対方向になる場合があります。磁気モーメントの大きさは方向ごとに異なるため、アセンブリには正味の磁化があります。これらの材料はフェリ磁性体と呼ばれ、強磁性体と同様に永久に磁化されています。フェライトは、最も普及しているフェリ磁性材料です。フェライトは、バリウム、亜鉛、コバルト、ストロンチウム、マンガン、モリブデン、またはニッケルと合金化された鉄化合物のグループであり、中心立方結晶構造を形成します。それらの重要性は、それらが永久磁化を持つ材料であるという事実にありますが、それらは電気の導体ではなく、非常に優れた機械的特性を持っています. その用途は、冷蔵庫の磁石からレーザー プリンターのインクにまで及びます。それらは初期のコンピューターのメモリ コアを形成し、粉末状でデータ記録テープやバンド、塗料、その他多くの用途に使用されました。

フェリ磁性体における原子磁気モーメントの秩序化
フェリ磁性体における原子磁気モーメントの秩序化

常磁性体

常磁性体とは、磁場内で原子磁気モーメントが秩序化されているため、磁場に置かれると力を受けますが、外部磁場がなくなると原子磁気モーメントが元に戻り、無秩序になります。磁化を保持しません。常磁性材料の例としては、酸化鉄 (FeO) と遷移金属錯体 (クロム、銅、マンガン、スカンジウム、チタン、バナジウム) があります。しかし、すべての強磁性およびフェリ磁性材料は、キュリー温度 (T c )と呼ばれる特定の温度を超えて加熱されると、常磁性になります。たとえば、鉄のキュリー温度は 770 ° C、コバルトのキュリー温度は 1127 °Cです。C と磁鉄鉱のそれ 585 o C.

常磁性材料では、温度が上昇すると原子磁気モーメントの秩序が低下するため、温度は外部磁場が適用されたときに材料に生成される磁力に影響を与えます。これはキュリーの法則で表されます。次の式によって:

χ = C/T

ここで、χ は磁化率、T は絶対温度 (ケルビン単位)、C は材料に依存するパラメーター (キュリー定数) です。

常磁性材料の磁化 M は、外部磁場 H の強度にも依存します。磁化の式は次のとおりです。

M = χH = (C/T)H

この式は、高温および弱い外部磁場に対して有効です。ただし、すべての原子磁気モーメントがほぼ完全に整列すると、その有効性が失われます。その時点で、外部磁場が増加したり、温度が低下したりしても、原子磁気モーメントの順序に変化がないため、材料の磁化に影響はありません。これが磁気飽和点 です。

飽和の考え方は、キュリーの法則を強磁性材料に拡張した、いわゆるキュリー-ワイスの法則で明確に観察され、前に見たキュリー温度 T cを導入します。

χ = C/(TT c )

この式は、材料が常磁性として動作する状況である、キュリー温度よりも高い温度値に対してのみ意味があります。キュリー温度以下の温度値の場合、材料は強磁性であり、その磁化は可能な最大値を取ります。

ソース

アミカム・アハロニ。強磁性理論の紹介。第二版。オックスフォード大学出版局、2000 年。

ロルフ・E・フンメル。材料の電子特性。スプリンガー、2011年。

WKH パノフスキーと M. フィリップス。古典的な電気と磁気。ニューヨーク: ドーバー、2005 年。

材料コースの基礎、UPV。https://www.upv.es/materiales/Fcm/Fcm10/trb10_2.html

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Sergio Ribeiro Guevara (Ph.D.)
(Doctor en Ingeniería) - COLABORADOR. Divulgador científico. Ingeniero físico nuclear.

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