Наука и применение ферромагнетизма, парамагнетизма и диамагнетизма

Магнетизм - это уникальное физическое явление, возникающее при воздействии на вещество внешнего магнитного поля. Он возникает благодаря структуре и движению электронов в атомах или молекулах. По поведению в магнитном поле материалы можно разделить на следующие три группы: ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные. Природа материала из каждой категории в основном определяется электронной конфигурацией и физическими свойствами.

Ферромагнетизм

Ферромагнитные материалы известны своим сильным притяжением к магнитным полям и устойчивым магнетизмом. Это свойство обусловлено чистым магнитным моментом неспаренных электронов в материале и крошечными областями, образованными параллельным расположением большого количества атомных магнитных моментов - магнитными доменами. Когда внешнее магнитное поле не приложено, магнитные домены ориентированы случайным образом, и, следовательно, чистое магнитное поле равно нулю. Однако если приложить внешнее магнитное поле, то магнитные домены мгновенно выравниваются, и материал демонстрирует большой магнитный отклик; таким образом, он становится магнитно сильным.

1.Типовые материалы

Железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), гадолиний (Gd), а также сплавы, такие как сталь и неодим (NdFeB, широко используемый в качестве сильного магнита).

Железо: Железо - один из самых распространенных в природе металлов, а его название происходит от латинского слова "ferrium" и английского "ferromagnetism". Его магнетизм обусловлен наличием непарных спинов электронов в его атомной структуре, что приводит к появлению микроскопически естественного свойства постоянного магнетизма. Наиболее значительный вклад ферромагнетизм вносит в производство стали, где легирование такими элементами, как углерод, способствует повышению ее прочности и твердости.

Кобальт: Кобальт даже получил название "кобальтовый синий" из-за своего чарующего темно-синего пигмента. Однако познание настоящей магии кобальта позволяет увидеть лишь его поверхность. Будучи ферромагнитным металлом, сила и стабильность магнетизма кобальта находят широкое применение в высокотехнологичных областях. Чаще всего его добывают вместе с никелем и медью. Другими словами, это сероватый блестящий металл, но в современных популярных технологиях он занимает важное место. Одна из областей применения кобальта - литий-ионные батареи, где оксид кобальта лития используется в качестве активного материала для нескольких аккумуляторных батарей для мобильных телефонов, ноутбуков и электромобилей, обеспечивая эффективную работу и безопасность благодаря своей стабильности.

Никель: Никель - один из "большой тройки" ферромагнитных элементов и принадлежит к тому же семейству переходных металлов, что и железо и кобальт. Благодаря привлекательному серебристо-белому блеску и отличной пластичности он находит широкое применение. Одно из самых известных применений никеля - нержавеющая сталь, которая отличается устойчивостью к коррозии и высоким температурам.

Гадолиний: Неодим - еще один редкоземельный элемент, ферромагнетизм которого проявляет удивительную силу при легировании. Чистый неодим сам по себе парамагнитен. Однако в сочетании с железом и бором он образует неодимовые магниты, одни из самых мощных постоянных магнитов, существующих на сегодняшний день. Эти магниты обладают чрезвычайно высокими магнитными полями, способными поднимать предметы, почти в тысячу раз превышающие их собственный вес.

Неодим: Неодим в виде сплава проявляет сильный ферромагнетизм. Чистый неодим парамагнитен; в сочетании с железом и бором он образует неодимовые магниты. Эти магниты обладают чрезвычайно высокой напряженностью магнитного поля, что позволяет им поднимать грузы, почти в тысячу раз превышающие их реальный вес. Они широко используются во многих приложениях, от небольших устройств, таких как наушники, до крупных, включая ветряные турбины. Благодаря своим небольшим размерам и высокой эффективности они нашли широкое применение в современной электронике.

2.Характеристики

Сильное притяжение: Ферромагнитные материалы демонстрируют сильное притяжение к северному и южному полюсам магнита, достаточное для того, чтобы притягивать тяжелые предметы или приводить их в механическое движение.

Реманентность и постоянный магнетизм: После удаления внешнего магнитного поля некоторые магнитные домены остаются выровненными, материал сохраняет магнетизм (реманентность), а некоторые материалы даже могут стать постоянными магнитами.

Эффект гистерезиса: Процесс намагничивания ферромагнитных материалов обладает свойством "памяти", а сила намагничивания связана с историей магнитного поля, что имеет решающее значение в электромагнитных устройствах.

Температурная зависимость: Выше определенной температуры (температуры Кюри) тепловое движение разрушает выравнивание магнитных доменов, и ферромагнетизм превращается в парамагнетизм.

Парамагнетизм

Из-за того, что в парамагнитных веществах происходит электронное распаривание, они обладают слабым чистым магнитным моментом, а спин каждого неспаренного электрона создает небольшой магнитный диполь. Однако при отсутствии внешнего поля тепловое движение приводит к тому, что эти диполи ориентируются произвольным образом, и, следовательно, чистый магнитный момент будет равен нулю. Когда прикладывается внешнее магнитное поле, некоторые диполи выравниваются вдоль направления магнитного поля, создавая слабое притяжение, которое заставляет материал двигаться в сторону магнитного поля

1.Типичные материалы

Слабое притяжение: Парамагнитные материалы обладают очень слабым притяжением, и для их обнаружения обычно требуются точные приборы (например, магнитные весы).

Возвратный магнетизм: После удаления магнитного поля тепловое движение быстро возвращает диполи в неупорядоченное состояние, и магнетизм полностью исчезает.

Зависимость от интенсивности: Интенсивность намагничивания пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Чем больше неспаренных электронов, тем значительнее парамагнетизм.

Влияние окружающей среды: При низких температурах тепловое движение ослабевает, а парамагнетизм усиливается; при высоких температурах магнетизм ослабевает.

Диамагнетизм

Диамагнетизм является неотъемлемым свойством всех материалов, но из-за его крайне слабой интенсивности он обычно проявляется только в материалах, не обладающих другими магнитными свойствами (такими как ферромагнетизм или парамагнетизм). Диамагнетизм обусловлен тем, что все электроны в материале спарены, имеют противоположные спины и нулевой чистый магнитный момент. Внешнее магнитное поле вмешивается в орбитальное движение электронов, вызывая слабый обратный магнитный момент, в результате чего материал отталкивается от магнитного поля и перемещается в область более слабого магнитного поля. Эффект Мейсснера" сверхпроводники полностью диамагнитны (χ=-1), что принципиально отличается от обычного диамагнетика (χ≈-10-⁵).

1.Типичные материалы

Висмут (Bi, сильный диамагнетик), углерод (C), медь (Cu), золото (Au), серебро (Ag), вода, водород (H), гелий (He) и большинство органических соединений.

2.Характеристики

<Слабое отталкивание: диамагнитные материалы отталкиваются от областей со слабым магнитным полем. Эффект отталкивания более очевиден в сильных магнитных полях, а некоторые материалы могут даже достичь магнитной левитации.

Универсальность: Все вещества обладают диамагнитными свойствами, но они часто маскируются в ферромагнитных или парамагнитных материалах.

Нет реманентности: После снятия магнитного поля диамагнитный эффект немедленно исчезает, и никакого магнетизма не остается.

Заключение: Безграничные возможности в магнитном мире

Ферромагнетизм, парамагнетизм и диамагнетизм демонстрируют разнообразное поведение материалов в магнитных полях, которое обусловлено тонкими различиями в электронной структуре. Уникальные свойства магнитных материалов не только углубили наше понимание природы материи, но и предоставили безграничные возможности для будущего развития науки, техники и общества - от сильной магнитной силы ферромагнитных материалов, способствующей промышленной революции, до чувствительной реакции парамагнитных материалов, помогающей научным исследованиям, и тонкого отталкивания диамагнитных материалов, открывающего технологию левитации. Будь то точные приборы в лабораториях или высокотехнологичные устройства в нашей повседневной жизни, магнитные материалы незаметно формируют наш мир.

Ethan Huang

Я занимаюсь научно-популярной литературой о магнитах. Мои статьи в основном посвящены принципам их действия, применению и анекдотам. Наша цель - предоставить читателям ценную информацию, помочь каждому лучше понять очарование и значение магнитов. В то же время мы будем рады услышать ваши мнения о потребностях, связанных с магнитами. Не стесняйтесь следовать за нами и сотрудничать с нами, ведь мы вместе исследуем бесконечные возможности магнитов!

Все сообщения