Magnetische Eigenschaften eines Materials sind eine Klasse physikalischer Phänomene, die durch Felder vermittelt werden. Elektrische Ströme und magnetische Momente von Elementarteilchen erzeugen ein Feld, das auf andere Ströme wirkt. Die bekanntesten Effekte treten bei ferromagnetischen Materialien auf, die von Magnetfeldern stark angezogen werden und permanent magnetisiert werden können, wodurch die geladenen Felder selbst erzeugt werden.
Nur wenige Substanzen sind ferromagnetisch. Um den Entwicklungsstand dieses Phänomens in einer bestimmten Substanz zu bestimmen, gibt es eine Klassifizierung von Materialien nach magnetischen Eigenschaften. Am gebräuchlichsten sind Eisen, Nickel und Kob alt und deren Legierungen. Die Vorsilbe ferro- bezieht sich auf Eisen, weil Permanentmagnetismus erstmals in leerem Eisen beobachtet wurde, einer Form von natürlichem Eisenerz, die als magnetische Eigenschaften des Materials Fe3O4 bezeichnet wird.
Paramagnetische Materialien
ObwohlFerromagnetismus ist für die meisten Auswirkungen des Magnetismus im Alltag verantwortlich, alle anderen Materialien werden in gewissem Maße vom Feld beeinflusst, ebenso wie einige andere Arten von Magnetismus. Paramagnetische Substanzen wie Aluminium und Sauerstoff werden von einem angelegten Magnetfeld schwach angezogen. Diamagnetische Substanzen wie Kupfer und Kohlenstoff stoßen sich schwach ab.
Dagegen haben antiferromagnetische Materialien wie Chrom und Spin-Gläser eine komplexere Beziehung zum Magnetfeld. Die Stärke eines Magneten auf paramagnetischen, diamagnetischen und antiferromagnetischen Materialien ist normalerweise zu schwach, um gefühlt zu werden, und kann nur von Laborinstrumenten nachgewiesen werden, sodass diese Substanzen nicht in der Liste der Materialien mit magnetischen Eigenschaften enth alten sind.
Bedingungen
Der magnetische Zustand (oder Phase) eines Materials hängt von der Temperatur und anderen Variablen wie Druck und angelegtem Magnetfeld ab. Ein Material kann mehr als eine Form von Magnetismus aufweisen, wenn sich diese Variablen ändern.
Geschichte
Die magnetischen Eigenschaften eines Materials wurden erstmals in der Antike entdeckt, als die Menschen bemerkten, dass Magnete, natürlich magnetisierte Miner alteile, Eisen anziehen konnten. Das Wort „Magnet“kommt vom griechischen Begriff Μαγνῆτις λίθος magnētis lithos, „magnesischer Stein, Fußstein“.
Im antiken Griechenland schrieb Aristoteles die erste wissenschaftliche Diskussion über die magnetischen Eigenschaften von Materialien zu,Philosoph Thales von Milet, der ab 625 v. Chr. lebte. e. vor 545 v e. Der alte indische medizinische Text Sushruta Samhita beschreibt die Verwendung von Magnetit, um im menschlichen Körper eingebettete Pfeile zu entfernen.
Altes China
Im alten China findet sich der früheste literarische Hinweis auf die elektrischen und magnetischen Eigenschaften von Materialien in einem Buch aus dem 4. Jahrhundert v. Chr., das nach seinem Autor benannt ist: The Sage of the Valley of Ghosts. Die früheste Erwähnung der Nadelanziehung findet sich im Werk Lunheng (Balanced Requests) aus dem 1. Jahrhundert: „Der Magnet zieht die Nadel an.“
Der chinesische Wissenschaftler Shen Kuo aus dem 11. Jahrhundert war die erste Person, die - im Dream Pool Essay - einen Magnetkompass mit einer Nadel beschrieb und dass er die Genauigkeit der Navigation durch astronomische Methoden verbesserte. Konzept des wahren Nordens. Im 12. Jahrhundert war bekannt, dass die Chinesen den Magnetkompass zur Navigation verwendeten. Sie haben den Führungslöffel aus Stein gefertigt, sodass der Griff des Löffels immer nach Süden zeigt.
Mittel alter
Alexander Neckam beschrieb 1187 als erster in Europa den Kompass und seine Verwendung zur Navigation. Dieser Forscher stellte erstmals in Europa die Eigenschaften magnetischer Materialien gründlich fest. 1269 schrieb Peter Peregrine de Maricourt die Epistola de magnete, die erste erh altene Abhandlung, die die Eigenschaften von Magneten beschreibt. 1282 wurden die Eigenschaften von Kompassen und Materialien mit besonderen magnetischen Eigenschaften von al-Ashraf, einem jemenitischen Physiker, Astronomen und Geographen, beschrieben.
Renaissance
Im Jahr 1600 veröffentlichte William Gilbertsein „Magnetic Corpus“und „Magnetic Tellurium“(„On the Magnet and Magnetic Bodies, and also on the Great Earth Magnet“). In diesem Aufsatz beschreibt er viele seiner Experimente mit seiner Modellerde, genannt Terrella, mit der er die Eigenschaften magnetischer Materialien erforschte.
Aus seinen Experimenten kam er zu dem Schluss, dass die Erde selbst magnetisch ist und dass Kompasse deshalb nach Norden zeigten (früher glaubten einige, dass es der Polarstern (Polaris) oder eine große magnetische Insel im Norden sei Pol, der den Kompass angezogen hat).
Neue Uhrzeit
Das Verständnis der Beziehung zwischen Elektrizität und Materialien mit besonderen magnetischen Eigenschaften entstand 1819 in der Arbeit von Hans Christian Oersted, einem Professor an der Universität Kopenhagen, der durch versehentliches Zucken einer Kompassnadel in der Nähe eines Drahtes entdeckte, dass eine elektrische Strom kann ein Magnetfeld erzeugen. Dieses wegweisende Experiment ist als Oersted-Experiment bekannt. Es folgten mehrere weitere Experimente mit André-Marie Ampère, der 1820 entdeckte, dass ein in einem geschlossenen Pfad zirkulierendes Magnetfeld mit einem Strom zusammenhängt, der um den Umfang des Pfades fließt.
Carl Friedrich Gauß beschäftigte sich mit der Erforschung des Magnetismus. Jean-Baptiste Biot und Felix Savart entwickelten 1820 das Biot-Savart-Gesetz, das die gewünschte Gleichung liefert. Michael Faraday, der 1831 entdeckte, dass ein zeitlich veränderlicher magnetischer Fluss durch eine Drahtschleife eine Spannung verursacht. Und andere Wissenschaftler haben weitere Verbindungen zwischen Magnetismus und Elektrizität gefunden.
XX Jahrhundert und unsereZeit
James Clerk Maxwell hat dieses Verständnis der Maxwellschen Gleichungen synthetisiert und erweitert, indem er Elektrizität, Magnetismus und Optik auf dem Gebiet des Elektromagnetismus vereint hat. 1905 verwendete Einstein diese Gesetze, um seine Theorie der speziellen Relativitätstheorie zu motivieren, indem er forderte, dass die Gesetze in allen Trägheitsbezugssystemen gelten.
Der Elektromagnetismus hat sich bis ins 21. Jahrhundert weiterentwickelt und ist in die grundlegenderen Theorien der Eichtheorie, der Quantenelektrodynamik, der elektroschwachen Theorie und schließlich des Standardmodells integriert worden. Schon heute beschäftigen sich Wissenschaftler intensiv mit den magnetischen Eigenschaften von nanostrukturierten Materialien. Aber die größten und erstaunlichsten Entdeckungen auf diesem Gebiet liegen wahrscheinlich noch vor uns.
Essenz
Die magnetischen Eigenschaften von Materialien beruhen hauptsächlich auf den magnetischen Momenten der Orbitalelektronen ihrer Atome. Die magnetischen Momente von Atomkernen sind in der Regel tausendfach kleiner als die von Elektronen und daher im Zusammenhang mit der Magnetisierung von Materialien vernachlässigbar. Dennoch sind kernmagnetische Momente in anderen Zusammenhängen sehr wichtig, insbesondere in der Kernspinresonanz (NMR) und Magnetresonanztomographie (MRI).
Normalerweise ist die große Anzahl von Elektronen in einem Material so angeordnet, dass ihre magnetischen Momente (sowohl orbital als auch intern) aufgehoben werden. Dies ist teilweise darauf zurückzuführen, dass sich Elektronen aufgrund des Pauli-Prinzips (siehe Elektronenkonfiguration) paarweise mit entgegengesetzten intrinsischen magnetischen Momenten verbinden und sich zu gefüllten Unterschalen mit einer Netto-Umlaufbewegung von Null verbinden.
BIn beiden Fällen verwenden die Elektronen überwiegend Stromkreise, bei denen das magnetische Moment des einen Elektrons durch das entgegengesetzte Moment des anderen Elektrons aufgehoben wird. Darüber hinaus ist es selbst dann, wenn die Elektronenkonfiguration so ist, dass es ungepaarte Elektronen und/oder ungefüllte Unterschalen gibt, oft der Fall, dass verschiedene Elektronen in einem Festkörper magnetische Momente beitragen, die in verschiedene, zufällige Richtungen zeigen, so dass das Material dies nicht sein wird magnetisch.
Manchmal, entweder spontan oder aufgrund eines angelegten externen Magnetfeldes, richten sich die magnetischen Momente der Elektronen im Durchschnitt aus. Das richtige Material kann dann ein starkes Netto-Magnetfeld erzeugen.
Das magnetische Verh alten eines Materials hängt von seiner Struktur ab, insbesondere von seiner elektronischen Konfiguration, aus den oben genannten Gründen, und auch von der Temperatur. Bei hohen Temperaturen erschwert die zufällige thermische Bewegung die Ausrichtung der Elektronen.
Diamagnetismus
Diamagnetismus findet sich in allen Materialien und ist die Tendenz eines Materials, einem angelegten Magnetfeld zu widerstehen und daher das Magnetfeld abzustoßen. Bei einem Material mit paramagnetischen Eigenschaften (d. h. mit der Tendenz, ein externes Magnetfeld zu verstärken) dominiert jedoch das paramagnetische Verh alten. Diamagnetisches Verh alten wird also trotz des universellen Vorkommens nur in einem rein diamagnetischen Material beobachtet. In einem diamagnetischen Material gibt es keine ungepaarten Elektronen, daher können die intrinsischen magnetischen Momente von Elektronen nicht erzeugt werdenbeliebiger Lautstärkeeffekt.
Bitte beachten Sie, dass diese Beschreibung nur als Heuristik gedacht ist. Das Bohr-Van-Leeuwen-Theorem zeigt, dass Diamagnetismus gemäß der klassischen Physik unmöglich ist und dass ein korrektes Verständnis eine quantenmechanische Beschreibung erfordert.
Beachte, dass alle Materialien diese Orbitalreaktion durchlaufen. In para- und ferromagnetischen Stoffen wird der diamagnetische Effekt jedoch durch viel stärkere Effekte durch ungepaarte Elektronen unterdrückt.
Es gibt ungepaarte Elektronen in einem paramagnetischen Material; das heißt, Atom- oder Molekülorbitale mit genau einem Elektron darin. Während das Pauli-Ausschlussprinzip erfordert, dass gepaarte Elektronen ihre eigenen magnetischen Momente ("Spin") haben, die in entgegengesetzte Richtungen zeigen, wodurch sich ihre Magnetfelder aufheben, kann ein ungepaartes Elektron sein magnetisches Moment in beide Richtungen ausrichten. Wenn ein externes Feld angelegt wird, tendieren diese Momente dazu, sich in die gleiche Richtung wie das angelegte Feld auszurichten, wodurch es verstärkt wird.
Ferromagnete
Ein Ferromagnet hat als paramagnetische Substanz ungepaarte Elektronen. Zusätzlich zu der Tendenz des intrinsischen magnetischen Moments der Elektronen, parallel zum angelegten Feld zu sein, besteht bei diesen Materialien jedoch auch eine Tendenz, dass sich diese magnetischen Momente parallel zueinander orientieren, um einen reduzierten Zustand aufrechtzuerh alten Energie. Somit auch in Abwesenheit eines angelegten Feldesdie magnetischen Momente der Elektronen im Material richten sich spontan parallel zueinander aus.
Jeder ferromagnetische Stoff hat seine eigene individuelle Temperatur, die sogenannte Curie-Temperatur oder Curie-Punkt, oberhalb dessen er seine ferromagnetischen Eigenschaften verliert. Dies liegt daran, dass die thermische Tendenz zur Unordnung die Energieabnahme durch ferromagnetische Ordnung überwiegt.
Ferromagnetismus kommt nur in wenigen Substanzen vor; Eisen, Nickel, Kob alt, ihre Legierungen und einige Seltenerdlegierungen sind üblich.
Die magnetischen Momente von Atomen in einem ferromagnetischen Material bewirken, dass sie sich wie winzige Permanentmagnete verh alten. Sie haften aneinander und verbinden sich zu kleinen Regionen mit mehr oder weniger einheitlicher Ausrichtung, die als magnetische Domänen oder Weiss-Domänen bezeichnet werden. Magnetische Domänen können mit einem Magnetkraftmikroskop beobachtet werden, um magnetische Domänengrenzen aufzudecken, die weißen Linien in einer Skizze ähneln. Es gibt viele wissenschaftliche Experimente, die Magnetfelder physikalisch zeigen können.
Rolle der Domains
Wenn eine Domäne zu viele Moleküle enthält, wird sie instabil und sp altet sich in zwei Domänen auf, die in entgegengesetzte Richtungen ausgerichtet sind, um stabiler zusammenzuh alten, wie rechts gezeigt.
Wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, verschieben sich die Domänengrenzen, sodass magnetisch ausgerichtete Domänen wachsen und die Struktur dominieren (gepunkteter gelber Bereich), wie links gezeigt. Wenn das Magnetisierungsfeld entfernt wird, kehren die Domänen möglicherweise nicht in einen nicht magnetisierten Zustand zurück. Dies führt zuweil das ferromagnetische Material magnetisiert wird und einen Permanentmagneten bildet.
Wenn die Magnetisierung stark genug war, dass die dominante Domäne alle anderen überlappte, was zur Bildung nur einer separaten Domäne führte, war das Material magnetisch gesättigt. Wenn ein magnetisiertes ferromagnetisches Material auf die Temperatur des Curie-Punkts erhitzt wird, vermischen sich die Moleküle bis zu dem Punkt, an dem die magnetischen Domänen ihre Organisation verlieren und die von ihnen verursachten magnetischen Eigenschaften aufhören. Wenn das Material abgekühlt wird, kehrt diese Domänenausrichtungsstruktur spontan zurück, ungefähr analog dazu, wie eine Flüssigkeit zu einem kristallinen Feststoff gefrieren kann.
Antiferromagnetika
In einem Antiferromagneten zeigen im Gegensatz zu einem Ferromagneten die intrinsischen magnetischen Momente benachbarter Valenzelektronen tendenziell in entgegengesetzte Richtungen. Wenn alle Atome in einem Stoff so angeordnet sind, dass jeder Nachbar antiparallel ist, ist der Stoff antiferromagnetisch. Antiferromagnete haben ein magnetisches Nettomoment von Null, was bedeutet, dass sie kein Feld erzeugen.
Antiferromagnete sind seltener als andere Verh altensweisen und werden am häufigsten bei niedrigen Temperaturen beobachtet. Bei unterschiedlichen Temperaturen weisen Antiferromagnete diamagnetische und ferromagnetische Eigenschaften auf.
In einigen Materialien zeigen benachbarte Elektronen vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen, aber es gibt keine geometrische Anordnung, in der jedes Paar von Nachbarn anti-ausgerichtet ist. Es heißt Spinglas undist ein Beispiel für geometrische Frustration.
Magnetische Eigenschaften ferromagnetischer Materialien
Wie Ferromagnetismus beh alten Ferrimagnete ihre Magnetisierung in Abwesenheit eines Feldes bei. Wie bei Antiferromagneten neigen jedoch benachbarte Paare von Elektronenspins dazu, in entgegengesetzte Richtungen zu zeigen. Diese beiden Eigenschaften widersprechen sich nicht, denn bei optimaler geometrischer Anordnung ist das magnetische Moment von einem Untergitter aus Elektronen, die in die gleiche Richtung zeigen, größer als von einem Untergitter, das in die entgegengesetzte Richtung zeigt.
Die meisten Ferrite sind ferrimagnetisch. Die magnetischen Eigenschaften ferromagnetischer Materialien gelten heute als unbestreitbar. Die erste entdeckte magnetische Substanz, Magnetit, ist ein Ferrit und wurde ursprünglich für einen Ferromagneten geh alten. Louis Neel widerlegte dies jedoch, indem er den Ferrimagnetismus entdeckte.
Wenn ein Ferromagnet oder Ferrimagnet klein genug ist, wirkt er als einzelner magnetischer Spin, der der Brownschen Bewegung unterliegt. Seine Reaktion auf ein Magnetfeld ist qualitativ ähnlich der eines Paramagneten, aber viel mehr.
Elektromagnete
Ein Elektromagnet ist ein Magnet, in dem durch elektrischen Strom ein Magnetfeld erzeugt wird. Das Magnetfeld verschwindet, wenn der Strom abgesch altet wird. Elektromagnete bestehen normalerweise aus einer großen Anzahl eng beieinander liegender Drahtwindungen, die ein Magnetfeld erzeugen. Drahtspulen werden häufig um einen Magnetkern aus ferromagnetischem oder ferrimagnetischem Material gewickelt.ein Material wie Eisen; Der Magnetkern konzentriert den Magnetfluss und erzeugt einen stärkeren Magneten.
Der Hauptvorteil eines Elektromagneten gegenüber einem Permanentmagneten besteht darin, dass das Magnetfeld schnell geändert werden kann, indem die Menge des elektrischen Stroms in der Wicklung gesteuert wird. Im Gegensatz zu einem Permanentmagneten, der keinen Strom benötigt, benötigt ein Elektromagnet jedoch eine kontinuierliche Stromzufuhr, um das Magnetfeld aufrechtzuerh alten.
Elektromagnete werden häufig als Komponenten anderer elektrischer Geräte wie Motoren, Generatoren, Relais, Solenoide, Lautsprecher, Festplatten, MRT-Geräte, wissenschaftliche Instrumente und Geräte zur magnetischen Trennung verwendet. Elektromagnete werden auch in der Industrie verwendet, um schwere Eisengegenstände wie Schrott und Stahl zu greifen und zu bewegen. Der Elektromagnetismus wurde 1820 entdeckt. Gleichzeitig wurde die erste Klassifizierung von Materialien nach magnetischen Eigenschaften veröffentlicht.
