Магнітність: Від обертання електронів до ліній поля |… |…

Походження від атомів: спін та орбітальний момент

Кожен електрон несе дві джерела магнітного моменту. Його обертання навколо ядра поводиться як маленький тертяний кільце, що дає μ_L = -e/(2m_e)·L. Його внутрішній спін — без жодного класичного аналога — сприяє μ_S = -g_S·e/(2m_e)·S, де коефіцієнт Ланде g_S ≈ 2.002. Правила Гунда визначають, як електрони заповнюють оболонки атома, щоб максимізувати загальний спін, а потім орбітальний моментум. Залізо ([Ar] 3d⁶4s²) в кінцевому підсумку має чотири неспарені спіни та момент 4 борові магнетони на атом – кобальт має 3, нікель 0,6 і гафній найвищий з будь-якого елементу на рівні 7.

Диа-, пара- та ферромагнізм

Кожна матерія слабко діамагнетична – застопований струм викликає орбітальні струми, які протидіютьньому (за законом Ленза), що дає невеликий від'ємний показник ненадійності. Матеріали з непопарними електронами, але без спільної організації, є парамагнітними: моменти вирівнюються частково з полем, і показник ненадійності падає при зміні температури відповідно до закону Кюрі χ = C/T. У ферромагнетиках – залізі, кобальті та ніклі – сильна обмінна взаємодія між сусідніми спінами викликає спонтанне паралельне вирівнювання навіть без застосування зовнішнього поля нижче критичної Curie температури (1044 К для заліза).

жива демонстрація · пов'язана симуляція● LIVE

Взаємодія обміну: чому спіни вирівнюються

Ганміанічний обмін, H = −2J·Σ S_i·S_j, встановлює знак J завдяки взаємодії принципу виключення Паулі та кулонівському відштовхуванню: електрони з паралельним спіном повинні займати різні просторові орбіталі, тримаючи їх далі один від одного і знижуючи їхню кулонову енергію. Коли цей ефект перемагає, J > 0 і вирівнювання паралельне є переважним — ферромагнетизм. Залізо, кобальт та нікель задовольняють критерій Стонера для бандер-ферромагнетизму, I(E_F)·D(E_F) > 1, завдяки високій щільності станів на рівні Фермі в металах переходу 3d.

Домени, гістереза та тверді проти м’яких магнетиків

Феромагнітний матеріал нижче температури Кюрі все ще розділений на магнітні домени – області рівномірного магнетоупорядкування, що вказують у різних напрямках – через те, що це внутрішньо закриває потік і знижує загальну магатстатичну енергію. Домени відокремлені блоковими стінками, де магнетоупорядкування обертається на 180° протягом приблизно 10-100 нм. Під дією прикладеного поля сприятливі домени ростуть, а стінки застрягають у межах зерен і дефектів, що призводить до незворотньої гістерезисної реакції. М’які магнети (електросталь, пермалій) мають низьку ко ercію та невеликий гістерезисний цикл, що робить їх ідеальними для ядерних обмоток, які повинні дешево перемикатися. Тверді магнетики (AlNiCo, SmCo₅, особливо Nd₂Fe₁₄B з енергетичним продуктом до 520 кДж/м³) стійкі до демагнітизації та утримують свій потік назавжди – основа електромоторів EV, навушників і голівки жорсткого диска для читання.

Часті запитання

Чому залізо притягується до магніту, а мідь ні?

Атоми заліза мають чотири неспарені електронні спіни в частково заповненій 3d оболонці, що надає кожній атомі великий магнітний момент, і взаємодія обміну фіксує паралельне вирівнювання спинів сусідніх атомів нижче температури Кюрі заліза – 1044 K. У міді електронні оболонки повністю заповнені, не створюючи великого компенсованого моменту для взаємозв’язного змускування, щоб вирівняти їх.

Яка різниця між твердим і м'яким магнітними матеріалами?

М’які магнети, такі як електрична сталь та феррити, мають низьку коерекцію: легко магнітизуються та демагнітуються, з невеликою гістерезисною петлею та низькими втратами енергії, що робить їх ідеальними для ядер – сердець трансформаторів. Тверді магнети, такі як неодимові або SmCo, мають високу коерекцію та стійкі до демагнітизації, роблячи їх постійними магнітами для двигунів та динаміків.

Чому у магніті утворюються магнітні домени?

Одиночний однорідно магнітизований блок створив би велике демагнітуючий поле зовні, що потребує енергії магнетострикції. Розділення на домени, вказуючи у різних напрямках, закриває внутрішній магнітний потік і знижує загальну енергію, хоча й створює вузькі межі доменів, де спіни обертаються між орієнтаціями.

Спробуйте наживо

Усе, що вище, працює прямо у вашому браузері — відкрийте the simulation і змінюйте параметри під час роботи. Нічого не встановлюється, нічого не завантажується на сервер, уся модель живе в одній вкладці.

▶ Відкрити симуляцію the simulation