Μαγνητική Ταξινόμηση Υλικών

Τα μαγνητικά υλικά ορίζονται ως υλικά που έλκονται από έναν μαγνήτη από ένα μαγνητικό πεδίο. Οι μαγνητικές ουσίες είναι ο σίδηρος, το νικέλιο και το κοβάλτιο, τα οποία διακρίνονται από το γεγονός ότι αντικείμενα που σχηματίζονται από αυτά τα υλικά έλκονται από έναν μαγνήτη. Εκτός από αυτό, τα μαγνητικά υλικά έχουν την ικανότητα να μαγνητίζονται, ή για να το θέσω αλλιώς, τα μαγνητικά υλικά έχουν την ικανότητα να μετατρέπονται σε μαγνήτες.

Μαγνητική ταξινόμηση υλικού

Ανάλογα με τη μαζική μαγνητική τους επιδεκτικότητα, όλα τα υλικά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τη μαγνητική τους συμπεριφορά, με την πλειονότητά τους να εμπίπτουν σε μία από τις πέντε ομάδες. Στον μαγνητισμό, οι δύο πιο συνηθισμένοι τύποι είναι ο διαμαγνητισμός και ο παραμαγνητισμός. Αυτοί οι δύο τύποι μαγνητισμού ευθύνονται για τις μαγνητικές ιδιότητες των περισσότερων στοιχείων του περιοδικού πίνακα σε θερμοκρασία δωματίου.

Αυτά τα στοιχεία αναφέρονται συνήθως ως μη μαγνητικά, ενώ αυτά που αναφέρονται συνήθως ως μαγνητικά κατηγοριοποιούνται πραγματικά ως σιδηρομαγνητικά, σύμφωνα με τις μαγνητικές τους ιδιότητες. Ο αντισιδηρομαγνητισμός είναι ο μόνος άλλος τύπος μαγνητισμού που μπορεί να παρατηρηθεί σε καθαρά στοιχεία όταν διατηρούνται σε θερμοκρασία δωματίου. Επιπλέον, τα σιδηρομαγνητικά υλικά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ως μαγνητικά υλικά, παρά το γεγονός ότι αυτή η ιδιότητα δεν παρατηρείται σε κανένα καθαρό στοιχείο και μπορεί να βρεθεί μόνο σε ενώσεις, όπως μικτά οξείδια, τα οποία είναι γνωστά ως φερρίτες και όπου ο όρος σιδηρομαγνητισμός λαμβάνει το όνομά του. Όταν πρόκειται για διαφορετικούς τύπους υλικών, η τιμή της μαγνητικής επιδεκτικότητας εμπίπτει σε ένα συγκεκριμένο εύρος.

Διαμαγνητισμός

Μια διαμαγνητική ουσία δεν έχει καθαρή μαγνητική ροπή όταν δεν υπάρχει εφαρμοσμένο πεδίο επειδή τα άτομα δεν έχουν καθαρή μαγνητική ροπή. Ενώ υπό την επίδραση ενός εφαρμοζόμενου πεδίου (Η), τα περιστρεφόμενα ηλεκτρόνια επεξεργάζονται και αυτή η κίνηση, που είναι ένα είδος ηλεκτρικού ρεύματος, έχει ως αποτέλεσμα την παραγωγή μαγνήτισης (M) που είναι το πολικό αντίθετο του εφαρμοζόμενου πεδίου. Το διαμαγνητικό αποτέλεσμα είναι παρόν σε όλα τα υλικά. Ωστόσο, το διαμαγνητικό φαινόμενο μερικές φορές επισκιάζεται από τους μεγαλύτερους παραμαγνητικούς ή σιδηρομαγνητικούς όρους. Η τιμή της ευαισθησίας δεν επηρεάζεται από τις αλλαγές στη θερμοκρασία περιβάλλοντος.

Παραμαγνητισμός

Έχουν προταθεί αρκετές θεωρίες παραμαγνητισμού, καθεμία από τις οποίες ισχύει για ένα συγκεκριμένο είδος υλικού. Το μοντέλο Langevin, το οποίο ισχύει για υλικά με μη αλληλεπιδρώντα τοπικά ηλεκτρόνια, δηλώνει ότι κάθε άτομο έχει τη δική του μαγνητική ροπή, η οποία είναι τυχαία προσανατολισμένη ως αποτέλεσμα θερμικής ανάδευσης και ότι αυτό ισχύει για όλα τα υλικά. Η εφαρμογή μαγνητικού πεδίου έχει ως αποτέλεσμα μια μέτρια ευθυγράμμιση αυτών των ροπών και, ως αποτέλεσμα, μια χαμηλή μαγνήτιση προς την κατεύθυνση της εφαρμογής του μαγνητικού πεδίου. Οι αυξήσεις της θερμοκρασίας προκαλούν αύξηση της θερμικής ανάδευσης, γεγονός που καθιστά πιο δύσκολη την ευθυγράμμιση των ατομικών μαγνητικών ροπών, με αποτέλεσμα την πτώση της ευαισθησίας καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία. Αυτή η συμπεριφορά αναφέρεται ως ο νόμος Κιουρί και απεικονίζεται στην εξίσωση 1 παρακάτω, όπου το C είναι μια υλική σταθερά που αναφέρεται ως σταθερά Κιουρί.

x=CT

Σιδηρομαγνητισμός

Όταν τα άτομα είναι οργανωμένα σε ένα πλέγμα, οι ατομικές μαγνητικές ροπές μπορούν να αλληλεπιδράσουν και να ευθυγραμμιστούν παράλληλα μεταξύ τους, πράγμα που είναι ο μόνος τρόπος που είναι εφικτός ο σιδηρομαγνητισμός. Ένα μοριακό πεδίο εντός του σιδηρομαγνητικού υλικού, όπως προτάθηκε από τον Weiss το 1907, πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνο για αυτό το αποτέλεσμα, το οποίο εξηγείται από την κλασική θεωρία. Αυτό το μαγνητικό πεδίο είναι αρκετό για να μαγνητίσει το υλικό σε επίπεδα κορεσμού χωρίς να το υπερθερμάνει. Γνωστό ως μοντέλο σιδηρομαγνητισμού Heisenberg στην κβαντική φυσική, αντιπροσωπεύει την παράλληλη ευθυγράμμιση των μαγνητικών ροπών όσον αφορά την αλληλεπίδραση ανταλλαγής μεταξύ κοντινών ροπών μεταξύ δύο μαγνητικών ροπών.

Για να εξηγήσει την παρουσία μαγνητικών περιοχών μέσα στο υλικό, ο Weiss υπέθεσε ότι αυτές οι περιοχές θα ήταν μέρη όπου ευθυγραμμίζονται οι ατομικές μαγνητικές ροπές. Η κινητικότητα αυτών των περιοχών επηρεάζει τον τρόπο με τον οποίο ένα υλικό αποκρίνεται σε ένα μαγνητικό πεδίο και ως εκ τούτου, η επιδεκτικότητα είναι συνάρτηση του μαγνητικού πεδίου που εφαρμόζεται στο εν λόγω υλικό. Συνεπώς, και όχι ως προς την ευαισθησία, τα σιδηρομαγνητικά υλικά συγκρίνονται συνήθως ως προς τη μαγνήτιση κορεσμού (μαγνήτιση όταν όλοι οι τομείς είναι ευθυγραμμισμένοι).

Αντισιδηρομαγνητισμός

Το χρώμιο είναι το μόνο στοιχείο στον περιοδικό πίνακα που παρουσιάζει αντισιδηρομαγνητισμό σε θερμοκρασία δωματίου και είναι επίσης το πιο άφθονο. Παρά το γεγονός ότι τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά είναι αξιοσημείωτα παρόμοια με τα σιδηρομαγνητικά υλικά, η επαφή ανταλλαγής μεταξύ κοντινών ατόμων προκαλεί την αντιπαράλληλη ευθυγράμμιση των ατομικών μαγνητικών ροπών στα αντισιδηρομαγνητικά υλικά. Έτσι το μαγνητικό πεδίο ακυρώνεται και το υλικό φαίνεται να δρα παρόμοια με μια παραμαγνητική ουσία, που είναι αυτό που είναι. Αυτά τα υλικά, όπως και τα σιδηρομαγνητικά υλικά, γίνονται παραμαγνητικά όταν φτάσουν σε μια συγκεκριμένη θερμοκρασία, γνωστή ως θερμοκρασία Néel, TN. (Για παράδειγμα, το Cr φτάνει τους TN=37oC.)

Σιδηρομαγνητισμός

Ο σιδηρομαγνητισμός μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε ενώσεις, οι οποίες έχουν πιο πολύπλοκες κρυσταλλικές δομές από τα καθαρά στοιχεία και ως εκ τούτου παρουσιάζουν μεγαλύτερη μαγνητική απώθηση. Οι αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής που συμβαίνουν μέσα σε αυτά τα υλικά προκαλούν τα άτομα να ευθυγραμμίζονται παράλληλα σε ορισμένες θέσεις κρυστάλλων ενώ σε άλλες να ευθυγραμμίζονται αντιπαράλληλα. Παρόμοια με ένα σιδηρομαγνητικό υλικό, αυτό το υλικό διασπάται σε μαγνητικές περιοχές και η μαγνητική συμπεριφορά είναι επίσης αρκετά παρόμοια, ωστόσο τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν συχνά χαμηλότερους μαγνητισμούς κορεσμού από τα σιδηρομαγνητικά υλικά. Για παράδειγμα, στον φερρίτη βάριο (BaO.6Fe2O3), το στοιχείο μονάδας περιέχει 64 ιόντα, εκ των οποίων τα ιόντα βαρίου και οξυγόνου δεν έχουν μαγνητική ροπή, 16 ιόντα Fe3+ έχουν ροπές ευθυγραμμισμένες παράλληλα με το εφαρμοζόμενο πεδίο και 8 ιόντα Fe3+ έχουν ροπές ευθυγραμμισμένες αντιπαράλληλες στο εφαρμοζόμενο πεδίο, με αποτέλεσμα μια καθαρή μαγνήτιση παράλληλη με το εφαρμοζόμενο πεδίο, αλλά με σχετικά χαμηλό μέγεθος, επειδή μόνο το 1/8 των ιόντων συμβάλλει στη μαγνήτιση

Τι είναι το μη μαγνητικό υλικό;

Τα μη μαγνητικά υλικά είναι υλικά που δεν έλκονται από έναν μαγνήτη και ως εκ τούτου αναφέρονται ως τέτοια. Όλες οι ουσίες εκτός από τον σίδηρο, το νικέλιο και το κοβάλτιο ταξινομούνται ως μη μαγνητικές ουσίες. για παράδειγμα, το πλαστικό, το καουτσούκ, το νερό και άλλα μη μαγνητικά υλικά ταξινομούνται ως μη μαγνητικά υλικά. Είναι αδύνατο να μαγνητίσετε μη μαγνητικό υλικό.

Συμπέρασμα

Όλα τα υλικά μπορούν να κατηγοριοποιηθούν ανάλογα με τη μαγνητική τους συμπεριφορά. Οι περισσότερες εμπίπτουν σε μία από τις πέντε ομάδες, η πιο κοινή από τις οποίες είναι ο διαμαγνητισμός. Άλλοι τύποι μαγνητισμού μπορούν να παρατηρηθούν μόνο σε ενώσεις, όπως μικτά οξείδια ή σιδηρομαγνήτες. Η τιμή της μαγνητικής επιδεκτικότητας εμπίπτει σε ένα συγκεκριμένο εύρος. Στην κβαντική φυσική, τα άτομα είναι οργανωμένα σε ένα πλέγμα έτσι ώστε οι ατομικές μαγνητικές ροπές να μπορούν να αλληλεπιδρούν και να ευθυγραμμίζονται παράλληλα μεταξύ τους.

Ένα μοριακό πεδίο μέσα στο υλικό πιστεύεται ότι είναι υπεύθυνο για αυτό το φαινόμενο. Αυτό το μαγνητικό πεδίο είναι αρκετό για να μαγνητίσει το υλικό σε επίπεδα κορεσμού χωρίς να το υπερθερμάνει. Ο σιδηρομαγνητισμός μπορεί να παρατηρηθεί μόνο σε ενώσεις, οι οποίες έχουν πιο πολύπλοκες κρυσταλλικές δομές από τα καθαρά στοιχεία και ως εκ τούτου παρουσιάζουν μεγαλύτερη μαγνητική απώθηση. Οι αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής που συμβαίνουν μέσα σε αυτά τα υλικά προκαλούν τα άτομα να ευθυγραμμίζονται παράλληλα σε ορισμένες θέσεις κρυστάλλων ενώ ευθυγραμμίζονται αντιπαράλληλα σε άλλες.