Las raíces del magnetismo y las aplicaciones de los materiales magnéticos

El magnetismo ha fascinado a la gente durante mucho tiempo.

Hace más de 3.000 años, los chinos descubrieron en la naturaleza imanes naturales que podían atraerse entre sí o sobre trozos de hierro. La gente utilizó su rica imaginación para comparar este fenómeno con el cuidado amoroso de una madre por su hijo.

Esto quedó registrado en “Lushi Chunqiu – Jiqiuji”: “Las piedras suaves piden hierro y se sienten atraídas”.

La brújula, uno de los cuatro grandes inventos antiguos de China, es un ejemplo de cómo los antiguos chinos utilizaban el magnetismo.

Como sabemos, una piedra magnética es en realidad mineral de hierro (generalmente magnetita Fe3O4). También sabemos que el hierro puede ser atraído y magnetizado por un imán.

Pero ¿por qué tienen magnetismo o se magnetizan?

¿Cómo se produce el magnetismo?

Para explicar las propiedades macroscópicas del magnetismo en los materiales, debemos comenzar con los átomos e investigar el origen del magnetismo.

1. El origen del magnetismo

"La estructura determina las propiedades". Por supuesto, el magnetismo también está determinado por la estructura interna de los átomos materiales.

La relación entre estructura atómica y magnetismo se puede resumir de la siguiente manera:

(1) La propiedad magnética de un átomo proviene del espín y el movimiento orbital de los electrones.

(2) La presencia de electrones vacíos dentro del átomo es una condición necesaria para que el material tenga magnetismo.

(3) La “interacción de intercambio” entre electrones es la razón fundamental por la que los átomos tienen magnetismo.

1. Generación de momento magnético electrónico

El magnetismo atómico es la base de los materiales magnéticos y el magnetismo atómico proviene del momento magnético del electrón.

El movimiento de los electrones es la fuente del momento magnético del electrón. Los electrones tienen movimiento de rotación alrededor del núcleo atómico y movimiento de espín intrínseco.

Por tanto, el momento magnético electrónico consta de dos partes: momento magnético orbital y momento magnético de espín.

Según la teoría de la órbita atómica de Bohr, los electrones dentro de los átomos se mueven alrededor del núcleo atómico en una órbita determinada.

El movimiento de los electrones a lo largo de la órbita corresponde a una corriente circular, que producirá un momento magnético orbital correspondiente.

El plano del momento magnético orbital del electrón en un átomo puede tomar diferentes direcciones, pero en un campo magnético direccional, la dirección de la órbita del electrón solo puede ser en varias direcciones fijas, es decir, la dirección de la órbita está cuantificada.

El origen del magnetismo surge del espín de la carga del electrón, lo que se conoce como momento magnético del espín del electrón.

Bajo la acción de un campo magnético externo, el momento magnético de espín sólo puede ser paralelo o antiparalelo al momento magnético orbital.

En muchos materiales magnéticos, el momento magnético de espín del electrón es mayor que el momento magnético orbital del electrón.

Esto se debe a que en un cristal, la dirección del momento magnético orbital del electrón es modificada por el campo de la red cristalina y, por lo tanto, no puede formar un momento magnético compuesto que se proyecte hacia afuera del material, lo que lleva a lo que comúnmente se conoce como " extinción” o “congelación” del momento angular orbital y del momento magnético orbital.

Por lo tanto, el magnetismo de muchos materiales en estado sólido no surge principalmente del momento magnético orbital del electrón, sino más bien del momento magnético del espín del electrón.

Por supuesto, también existe un momento magnético de espín nuclear, pero generalmente es mucho más pequeño que el momento magnético de espín del electrón (en tres órdenes de magnitud), por lo que puede ignorarse.

2. Momento magnético atómico

En un átomo, debido al principio de exclusión de Pauli, no es posible que dos electrones se encuentren en el mismo estado.

Sólo se pueden acomodar dos electrones como máximo en una órbita, por lo que cuando una órbita se llena de electrones, sus momentos magnéticos de espín se cancelarán porque deben tener espines opuestos.

Para que el átomo forme un momento magnético externamente, debe haber una órbita de electrones vacía.

Por supuesto, como podemos ver en los ejemplos, esto es sólo una condición necesaria. Los metales como Cu, Cr, V y muchos lantánidos tienen órbitas electrónicas vacías pero no exhiben magnetismo (específicamente ferromagnetismo).

3. Clasificación del Magnetismo

Antes de discutir la interacción de intercambio de electrones, veamos primero la manifestación macroscópica del magnetismo material.

Según las diferentes propiedades magnéticas que presenta a nivel macroscópico por la superposición de la acción de momentos magnéticos atómicos, los materiales magnéticos se pueden clasificar en diamagnéticos, paramagnéticos, ferromagnéticos, antiferromagnéticos y ferrimagnéticos.

(1) Diamagnetismo

El diamagnetismo se refiere al hecho de que cuando no hay campo magnético, el momento magnético de los átomos con capas electrónicas completamente llenas es igual a cero, o el momento magnético total de algunas moléculas es cero y no exhibe magnetismo macroscópico.

Pero bajo la acción de un campo magnético, el movimiento orbital de los electrones producirá un movimiento adicional, lo que dará como resultado un momento magnético inducido opuesto a la dirección del campo magnético externo, pero con un valor muy pequeño.

Este fenómeno se llama diamagnetismo.

Los materiales diamagnéticos comunes incluyen Na+, K+, Ca2+, F-, Cl, etc.

(2) Paramagnetismo

El paramagnetismo se refiere a que los átomos tienen momentos magnéticos que no están completamente anulados y por tanto tienen un momento magnético total.

Sin embargo, como la dirección de los momentos magnéticos atómicos es caótica, los efectos externos se anulan entre sí y no exhiben magnetismo macroscópico.

Pero bajo la acción de un campo magnético externo, cada momento magnético atómico se alinea más a menudo con la dirección del campo magnético y menos contra él, lo que puede manifestarse como un magnetismo débil a nivel macroscópico. De hecho, el material queda magnetizado de esta forma.

Los experimentos muestran que cuanto mayor es la temperatura, menor es la magnetización de los materiales paramagnéticos. Esto ocurre porque el movimiento térmico destruye la orientación regular de los momentos magnéticos atómicos.

A mayor temperatura, mayor energía térmica de los átomos, dificultando el alineamiento de los momentos magnéticos atómicos con el campo magnético externo y, por tanto, la magnetización es menor.

(3) Ferromagnetismo

El ferromagnetismo se refiere al fenómeno en el que átomos adyacentes pueden alinearse ordenadamente en la dirección de un campo magnético externo debido a interacciones mutuas.

Generalmente, los materiales ferromagnéticos pueden alcanzar una alta magnetización incluso en campos magnéticos débiles; Una vez eliminado el campo magnético externo, aún pueden retener un fuerte magnetismo.

¿Por qué los materiales ferromagnéticos pueden magnetizarse hasta la saturación incluso en campos magnéticos débiles?

Esto se debe a que los momentos magnéticos atómicos internos de estos materiales ya se han alineado en cierta dirección en cierta medida sin la acción de un campo magnético externo, lo que comúnmente se denomina magnetización espontánea.

Esta magnetización espontánea se divide en pequeñas regiones, y dentro de cada región los momentos magnéticos atómicos son paralelos entre sí. Estas pequeñas regiones se denominan dominios magnéticos.

Las orientaciones de magnetización espontánea de los distintos dominios magnéticos dentro del material son diferentes entre sí y anulan los efectos de cada uno externamente, de modo que todo el material no exhibe magnetismo macroscópico.

En otras palabras, los materiales ferromagnéticos están compuestos de pequeños "imanes" dispuestos de forma irregular y no exhiben magnetismo externo bajo regularidades estadísticas.

Sin embargo, cuando una fuerza externa (campo magnético externo) organiza la polaridad de cada “pequeño imán” en la misma dirección, exhibe un fuerte magnetismo externo.

La magnetización espontánea de dominios magnéticos dentro de materiales ferromagnéticos es una razón importante de su ferromagnetismo.

Esto explica por qué los “átomos con capas electrónicas vacías” son sólo una condición necesaria para el magnetismo material.

En sentido estricto, lo que normalmente llamamos magnetismo debería ser en realidad ferromagnetismo.

Por tanto, elementos como el Mn y el Cr, aunque también tienen momentos magnéticos atómicos, no tienen magnetismo (ferromagnetismo) internamente.

(4) Antiferromagnetismo

El antiferromagnetismo se refiere al fenómeno en el que, bajo la acción de un campo magnético, átomos o iones adyacentes con el mismo espín se organizan en direcciones opuestas, provocando que sus momentos magnéticos se cancelen entre sí, haciéndolos similares a materiales paramagnéticos y no exhibiendo magnetismo. . .

(5) Ferrimagnetismo

El fermagnetismo es esencialmente antiferromagnetismo donde los momentos magnéticos inversos en dos subredes no se anulan completamente entre sí.

Es similar al ferromagnetismo porque exhibe un fuerte magnetismo, pero diferente del ferromagnetismo porque su magnetismo proviene de la diferencia entre dos momentos magnéticos de direcciones opuestas y desiguales.

Actualmente, muchas ferritas (óxidos compuestos de hierro y uno o más metales) que se han estudiado pertenecen a materiales ferrimagnéticos.

El fermagnetismo y el antiferromagnetismo están estrechamente relacionados. Partiendo de una estructura antiferromagnética conocida, se puede reconfigurar mediante sustituciones de elementos en un material ferrimagnético que mantiene la estructura magnética original, pero tiene dos subredes con momentos magnéticos desiguales.

Los materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos se denominan colectivamente materiales magnéticos fuertes y representan la principal dirección de desarrollo de los materiales magnéticos.

4. Intercambio

Interacción A continuación, echemos un vistazo a cómo la interacción de intercambio de electrones afecta el momento magnético de espín de los electrones y, por lo tanto, afecta el magnetismo macroscópico de los materiales.

La interacción de intercambio entre átomos generalmente se refiere a la interacción electrostática causada por el intercambio mutuo de posiciones de electrones en átomos adyacentes.

En concreto, cuando dos átomos están muy juntos, además de considerar el electrón 1 moviéndose alrededor del núcleo 1 y el electrón 2 moviéndose alrededor del núcleo 2, dado que los electrones son indistinguibles, también debemos considerar la posibilidad de intercambio de posiciones de los dos electrones, de modo que El electrón 1 parece moverse alrededor del núcleo 2 y el electrón 2 parece moverse alrededor del núcleo 1.

Por ejemplo, en un átomo de hidrógeno, este tipo de intercambio de electrones ocurre a una frecuencia de aproximadamente 1018 veces por segundo. El cambio de energía causado por esta interacción de intercambio se llama energía de intercambio y se denota como Eex.

En general, la energía de enlace atómico se puede expresar como:

E=E0+E '=E 0 +(C+A)

Donde E 0 es la energía total de cada átomo en su estado fundamental;

C es el aumento de energía resultante de la interacción eléctrica estática de Coulomb entre núcleos y electrones;

A es el aumento de energía resultante del intercambio de electrones, generalmente denominado constante de energía de intercambio.

A depende del grado de proximidad de las capas electrónicas parcialmente llenas a los átomos vecinos y es una energía que mide la magnitud de la interacción de intercambio.

La evidencia experimental muestra que el cambio de energía (es decir, la energía de intercambio Eex) causado por la interacción de intercambio de dos electrones en una molécula de hidrógeno se puede expresar aproximadamente de la siguiente manera:

E ex =ΔE=-2AS a S b cosφ

Donde a y S b representan los números cuánticos de espín de los dos electrones. φ es el ángulo entre las direcciones de los momentos magnéticos de espín de los dos electrones, y su posible rango de variación es de 0° a 180°.

Aunque la ecuación anterior se obtiene de la interacción de intercambio entre átomos de hidrógeno con un solo electrón, tiene un significado general para el análisis cualitativo de la interacción de intercambio de átomos multielectrónicos. Un análisis más profundo revela que:

(1) Cuando A>0, si φ=180°, cosφ=-1, indica que las direcciones de los momentos magnéticos de espín de los dos electrones son opuestas, es decir, los momentos magnéticos de espín de los electrones están dispuestos en antiparalelo, y E ex (180)=+2AS a S b ; si φ=0°, indica que las direcciones de los momentos magnéticos de espín de los dos electrones son las mismas, y los momentos magnéticos de espín de los electrones están dispuestos en paralelo, E ex (0)=-2AS a S b .

Además, si 0°<φ<180°, entonces las direcciones de espín de los dos electrones no son iguales ni opuestas, sino que están separadas por un ángulo φ, y su energía de intercambio E ex se encuentra entre los dos, es decir, E ex (0° ) ex ej.(180°). De acuerdo con la ley básica de que la minimización de energía es el estado más estable, se puede observar que la energía del sistema se minimiza solo cuando φ=0°, momento en el cual el sistema se encuentra en el estado más estable.

Cuando las direcciones de los momentos magnéticos de espín adyacentes de los dos electrones son iguales, los momentos magnéticos de espín del electrón están necesariamente dispuestos en paralelo, dando lugar a una magnetización espontánea y dando lugar a la existencia de ferromagnetismo en la materia.

(2) Cuando A <0, solo cuando φ = 180 °, la energía de todo el sistema se minimiza, lo que significa que la dirección de espín del electrón está dispuesta de manera antiparalela, lo cual es antiferromagnetismo.

(3) Cuando A es muy pequeño, la interacción de intercambio entre estos dos átomos adyacentes es débil y la energía de intercambio E ex es muy pequeña. Cuando φ está alrededor de 90o, la energía es baja, por lo que la dirección del momento magnético es caótica y el material es paramagnético.

En resumen, las propiedades específicas del magnetismo material dependen de A, es decir, del grado en que las capas electrónicas vacías de los átomos vecinos están cerca unas de otras.

Por tanto, el magnetismo de los materiales está determinado por la distribución de electrones en los átomos y la estructura cristalina del material.

Las características del magnetismo hacen que los materiales magnéticos sean cruciales para el desarrollo de industrias de alta tecnología y sean un pilar importante para el avance de la ciencia y la tecnología. También son un área de investigación muy activa en tecnología moderna.

Dado el papel destacado de los materiales magnéticos en la sociedad de la información actual, el nivel de desarrollo tecnológico de un país puede reflejarse en sus materiales magnéticos, y la demanda de este tipo de material puede utilizarse para evaluar el nivel económico y de vida medio de un país.

A continuación, describiremos brevemente algunos materiales magnéticos comunes en la vida cotidiana.

2. Aplicaciones de materiales magnéticos comunes.

El término "materiales magnéticos" se refiere principalmente a materiales ferromagnéticos y ferrimagnéticos.

Según su distribución magnética, se pueden dividir en materiales magnéticos duros (permanentes), materiales magnéticos semiduros y materiales magnéticos blandos.

(1) Magnético suave

Materiales Los materiales magnéticos blandos se refieren a materiales que se magnetizan y desmagnetizan fácilmente mediante corriente alterna, generalmente con propiedades ferrimagnéticas.

Tienen algunas propiedades especiales:

(1) A través de la magnetización del campo magnético externo, pueden tener una intensidad máxima alta de inducción magnética;

(2) Bajo la magnetización de un campo magnético externo de cierta intensidad, los propios materiales magnéticos blandos pueden tener una mayor intensidad de inducción magnética;

(3) La resistencia al movimiento del dominio magnético en materiales magnéticos blandos es pequeña.

Debido a estas propiedades, los materiales magnéticos blandos se utilizan ampliamente en comunicaciones, radiodifusión, televisión, instrumentación y tecnología electrónica moderna. Se utilizan comúnmente como núcleos para generadores y transformadores de distribución.

En estos campos, es necesario que los materiales magnéticos tengan una alta sensibilidad a los cambios en los campos magnéticos externos.

Si el material es difícil de magnetizar o las propiedades magnéticas no se liberan fácilmente después de la magnetización, no puede cumplir con los requisitos de estas aplicaciones. Los materiales ferrimagnéticos blandos son ideales para estos fines.

Por lo tanto, los materiales ferrimagnéticos blandos se encuentran entre los materiales magnéticos más antiguos, más diversos, de mayor rendimiento y más utilizados.

(2) Materiales magnéticos duros

Los materiales magnéticos duros, también conocidos como imanes permanentes, pueden mantener una fuerte magnetización después de ser magnetizados y pueden proporcionar un campo magnético constante en un espacio determinado durante mucho tiempo sin consumir energía eléctrica.

Generalmente son materiales ferromagnéticos. Los materiales magnéticos duros se utilizan ampliamente en motores eléctricos, generadores, parlantes, cojinetes, sujetadores y dispositivos de transmisión.

El magnetismo permanente de los materiales magnéticos duros es precisamente lo que requieren estos campos.

Por ejemplo, los motores y generadores eléctricos requieren un cuerpo magnético con un campo magnético constante para funcionar, y los imanes permanentes son ideales porque no consumen energía eléctrica para mantener sus propiedades magnéticas.

Sin embargo, debido a la baja variabilidad de los materiales magnéticos duros, aunque ofrecen una alta estabilidad, su rango de uso es limitado.

(3) Materiales magnéticos semiduros

Los materiales magnéticos de dureza media tienen propiedades que se encuentran entre los materiales magnéticos blandos y los materiales magnéticos duros.

Se caracterizan por una intensidad de inducción magnética residual estable bajo campos magnéticos externos menores que un cierto valor (similar a los materiales magnéticos duros), pero también tienen una tendencia a cambiar su dirección de magnetización bajo campos magnéticos inversos mayores que un cierto umbral, similar a Materiales magnéticos blandos.

Por lo tanto, los materiales magnéticos semiduros se utilizan como materiales dinámicos y, a medida que la sociedad se vuelve cada vez más inteligente, existe una demanda cada vez mayor de materiales dinámicos, lo que convierte a los materiales magnéticos semiduros en un campo de desarrollo prometedor.

Las aplicaciones incluyen relés, dispositivos de almacenamiento semifijos y dispositivos de alarma.

Los medios de grabación magnéticos son un tipo importante de material magnético semiduro que se usa ampliamente en dispositivos de almacenamiento de información como discos duros, cintas magnéticas y tarjetas de crédito.

Los materiales magnéticos de dureza media desempeñan un papel vital en estas aplicaciones debido a sus propiedades dinámicas.

Tomando como ejemplo las unidades de disco duro, el material magnético semiduro se utiliza principalmente en la parte del disco.

Cuando el disco gira, si el cabezal permanece en la misma posición, cada cabezal creará una pista circular en la superficie del disco.

Estas pistas circulares se denominan pistas, que son básicamente circuitos magnéticos con huecos.

Durante el proceso de escritura, la computadora convierte la información en corriente eléctrica y la envía a la bobina alrededor de la cabeza.

La corriente en la bobina magnetiza el cabezal y el campo magnético generado por el cabezal magnetizado magnetiza el medio en la pista.

A medida que el tamaño de la corriente es diferente, el campo magnético del cabezal cambia, lo que a su vez cambia la magnetización del medio magnético y registra datos diferentes.

A medida que el cabezal y el disco se mueven, se escriben grandes cantidades de información en el disco.

El proceso de lectura ocurre en dirección opuesta al proceso de escritura, utilizando el campo magnético del medio magnético para producir un cambio en el flujo magnético en el cabezal, generando corriente variable en la bobina, que sirve como señal eléctrica que puede ser utilizada. por la computadora.

Los materiales magnéticos juegan un papel importante en nuestra vida diaria y su importancia es evidente. Creemos que con una comprensión más profunda del magnetismo y los avances en la tecnología de materiales magnéticos, tendrá aplicaciones aún más amplias en nuestras vidas.

El análisis anterior es relativamente general y simple.

Comprender los principios más profundos y cómo controlar las propiedades magnéticas de los materiales magnéticos para nuestro uso será la dirección que debemos seguir avanzando en el futuro.

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