자기성과 자기모멘트
세상의 모든 사물은 자기성을 가지고 있습니다.우리 주변의 테이블과 의자에서부터 우주의 행성과 태양에 이르기까지 말입니다.그들이 어떤 상태(결정질, 비정질, 액체 또는 기체)이든, 고온이든 저온이든, 고압이든 저압이든 모두 자기성을 가지고 있습니다.차이점은 어떤 물질은 강한 자기성을 가지고 있고, 어떤 물질은 약한 자기성을 가지고 있다는 것입니다.그러나 자기성이 없는 물질은 존재하지 않는다고 할 수 있습니다.물질은 외부 자기장에서의 특성에 따라 상자성 물질, 반자성 물질, 강자성 물질, 페리자성 물질, 반강자성 물질의 다섯 가지 범주로 분류할 수 있습니다.모든 물질이 자기성을 가지는 원인은 무엇일까요?다른 물질이 위와 같은 다른 특성을 가지는 이유는 무엇일까요?이것은 물질의 기초인 원자부터 시작합니다.물질은 원자로 구성되어 있으며, 원자는 원자핵과 전자로 구성되어 있습니다.원자에서 전자는 원자핵 주위를 운동하기 때문에 궤도 자기 모멘트를 가지고 있습니다. 전자는 스핀 때문에 스핀 자기 모멘트를 가지고 있으며, 원자의 자기 모멘트는 주로 전자의 궤도 자기 모멘트와 스핀 자기 모멘트에서 나오는데, 이것이 모든 물질 자기의 근원입니다. 원자핵의 자기 모멘트는 전자의 1/1836.5에 불과하므로 일반적으로 원자핵의 자기 모멘트는 무시됩니다.
단일 분리된 원자의 자기 모멘트
자기 모멘트는 방향 벡터입니다. 원자 내 전자의 스핀 모드는 위아래의 두 가지 유형으로 나눌 수 있습니다. 대부분의 물질에는 위아래 스핀을 가진 전자가 같은 수만큼 있고, 이들이 생성하는 자기 모멘트는 서로 상쇄됩니다. 전체 원자는 외부 세계에 자성이 없습니다. 단지 몇몇 물질 원자만이 다른 스핀 방향에서 다른 수의 전자를 가지고 있습니다. 따라서 반대 스핀을 가진 전자의 자기 모멘트가 서로 상쇄된 후에도 스핀 자기 모멘트가 상쇄된 전자가 여전히 있고, 전체 원자는 총 자기 모멘트를 갖습니다. 단일 원자의 자기 모멘트는 원자 구조, 즉 전자의 배열과 수에 따라 달라집니다. 주기율표의 모든 원소 원자는 고유한 자기 모멘트를 가지고 있습니다. 위에서 논의한 결정 내 원자의 자기 모멘트는 단일 원자의 자기 모멘트이지만, 고체 결정이나 비결정에서 원자는 결정 노드에 위치하고 이웃 원자의 핵 전기장과 전자 정전기장의 영향을 받습니다. 따라서 결정 내 원자의 자기 모멘트는 단일 고립 원자의 자기 모멘트와 다릅니다. 예를 들어, 철, 코발트, 니켈은 3D 전이 금속으로 알려져 있습니다. 결정에서 일부 원자의 전자는 인접한 원자의 공개 전자가 되어 원자의 전자 구조가 변경됩니다. 일부 궤도 자기 모멘트는 동결되어 스핀 자기 모멘트만 결정의 원자 자기 모멘트에 기여합니다. 결과적으로 결정 내 원자의 자기 모멘트는 이론 값에서 벗어납니다. 우리는 이미 이전 내용에서 우주의 모든 것이 자기성을 가지고 있으며 자기성은 주로 원자 자기성에서 유래한다는 것을 알고 있습니다. 다른 원자의 자기 모멘트가 다르기 때문에 거시적 물질에서 원자 자기 모멘트 간의 상호 작용이 발생합니다. 실온에서 원자 자기 모멘트의 배열은 다릅니다. 우리는 거시적 물질을 자기적 특성에 따라 상자성 물질, 반자성 물질, 강자성 물질, 아강자성 물질 및 반강자성 물질로 구분하며 여기에는 다음 세 가지 특성이 포함됩니다. 1. 물질의 거시적 자기성은 구성 원자 또는 분자의 자기 모멘트에 의해 기여합니다. 우리는 단위 부피당 물질의 총 자기 모멘트를 자화라고 하며, M으로 표시하고 A/m 단위로 측정합니다. 물질의 부피가 V이고 원자가 n개이며 각 원자의 자기 모멘트가 μJ인 경우 M=μJ1+μJ2+...+μJn, 즉 M=∑μJ/v입니다. 2. 자화 강도의 자화 곡선(M~H 곡선): 외부 자기장이 0일 때 원자 자기 모멘트는 무작위로 배열될 수 있습니다. 그러나 0이 아닌 외부 자기장을 적용하면 각 원자 자기 모멘트는 외부 자기장 방향으로 회전할 수 있습니다.그리고 물질의 자화 강도 M이 변한다. 자화 강도 M과 외부 자기장 H 사이의 관계 곡선을 자화 곡선이라고 하며, 줄여서 M~H 자화 곡선이라고 한다. 다른 물질의 자화 곡선도 다르다.
3. 자기감수율 x2
M~H 자화 곡선에서 임의의 지점에서 M과 H의 비를 자기 감수율이라고 하며, 카이로 표시합니다. χ=M/H, M의 단위는 A/m이고, H의 단위도 A/m이므로 상대 자기 감수율이며 단위가 없습니다. 원자 자기 모멘트의 크기와 배열, M~H 자화 곡선의 모양, 자기 감수율과 같은 매개변수를 사용하여 물질의 자성을 설명하고 분류합니다.
상자성 물질은 가까이 이동하면 자기장의 방향에 따라 자화될 수 있는 물질이지만 매우 약하고 정밀 기기로만 측정할 수 있습니다. 외부 자기장을 제거하면 내부 자기장도 0으로 돌아가 자성이 없게 됩니다. 알루미늄, 산소 등과 같이 상자성 물질의 각 원자는 자기 모멘트를 가지고 있어 상자성 물질에 고유한 원자 자기 모멘트를 부여합니다. 상자성 물질에서는 인접한 원자 간에 상호 작용이 없으므로 실온에서 원자 자기 모멘트는 무작위로 배열되고 모든 방향에서 원자 자기 모멘트 μJ의 투영 값은 0입니다. 외부 자기장 H에 노출되면 이러한 물질의 원자 자기 모멘트는 외부 자기장 방향을 따라 매우 작은 각도로만 회전할 수 있으며 자화 강도는 외부 자기장의 증가에 따라 천천히 증가합니다. 자기 감수성은 0보다 크고 일반적으로 10-5에서 10-3의 범위입니다. 상자성 물질의 원자 자기 모멘트를 외부 자기장 방향으로 완전히 정렬하려면 109-1010 A/m의 외부 자기장 강도가 필요하다고 추정되는데, 이는 현재 인공 자기장으로는 달성하기 어렵습니다. 반자성 물질은 음의 자기 감수성을 가진 물질로, 자화 후 자기장의 방향이 외부 자기장의 방향과 반대임을 의미합니다. 모든 유기 화합물은 흑연, 납, 물 등과 같이 반자성을 가지고 있습니다. 자기장에서 반자성 물질의 원자 궤도 자기 모멘트와 스핀 자기 모멘트의 투영은 0이므로 반자성 물질은 순 원자 자기 모멘트가 없습니다. 그러나 외부 자기장의 작용 하에서 전자 궤도는 유도된 추가 자기 모멘트를 생성하고 이 유도된 자기 모멘트는 외부 자기장과 방향이 반대이므로 음의 자기성을 갖습니다. 반자성 물질의 자화 방향은 외부 자기장과 반대인 음의 방향이며, 절대값은 외부 자기장의 증가에 따라 선형적으로 증가합니다.강자성 물질은 외부 자기장에 의해 자화된 후 외부 자기장이 사라져도 자기 상태를 유지할 수 있는 물질입니다.지금까지 발견된 금속 원소는 83개이며, 그 중 4개는 실온 이상에서 강자성 원소인 철, 코발트, 니켈, 가돌리늄입니다.극히 낮은 온도에서 강자성 원소로 변환될 수 있는 원소는 테르븀, 디스프로슘, 홀뮴, 에르븀, 툴륨의 5개입니다.강자성 물질에서 원자는 고유한 원자 자기 모멘트를 가지고 있으며 일부 전자는 공유됩니다.인접한 원자의 스핀 자기 모멘트는 같은 방향으로 서로 평행하게 배열됩니다(자발 자화라고도 함). 강자성 물질의 M~H 자화 곡선은 비선형이며, 자기 감수율 x는 자기장에 따라 다릅니다. 강자성 물질의 자기 감수율 x는 매우 커서 105~107에 이릅니다. 반강자성 물질
그것은 자기장을 생성하지 않으며, 이 물질은 비교적 흔하지 않습니다. 새로운 반강자성 물질은 여전히 발견되고 있습니다. 대부분의 반강자성 물질은 낮은 온도에서만 존재하며, 온도가 특정 값을 초과한다고 가정하면 일반적으로 상자성이 됩니다. 예를 들어, 크롬, 망간 등은 모두 반강자성 특성을 가지고 있습니다. 반강자성 물질의 원자는 또한 고유한 원자 자기 모멘트를 가지고 있으며, 일부 전자는 공유되지만 인접한 원자는 반대 자기 모멘트를 갖습니다(반강자성 순서라고도 함). 강자성 물질의 M~H 자화 곡선은 선형이며, 자화율은 χ>0이고 값은 약 10-4~10-5로 매우 작고 일정합니다. 즉, 반강자성 물질이 외부 자기장에서 자화되면 원자 자기 모멘트는 상자성 물질과 유사하게 외부 자기장에 따라 거의 변하지 않으며 약한 자기에 속합니다. 반강자성 물질의 자기 감수율은 아래 그림과 같이 온도에 따라 달라지는데, 여기서 Tn은 니엘 온도라고 합니다. 강자성 물질의 거시적 자성은 강자성과 동일하지만 자기 감수율이 낮습니다(감수율은 102~105). 페라이트와 같은 전형적인 강자성 물질은 내부 자기 구조(자기 모멘트의 배열)에서 강자성 물질과 가장 크게 다릅니다. 강자성 물질의 원자 자기 모멘트는 0이 아니며, 인접한 원자 자기 모멘트 사이에 간접 교환 또는 알키 교환이 발생하여 인접한 하위 격자의 원자 자기 모멘트가 역평행으로 배열되지만 인접한 하위 격자의 원자 자기 모멘트는 크기가 다릅니다(위 그림 참조). 이 현상은 강자성 정렬 또는 강자성 자발 자화라고도 합니다. 강자성체의 M~H 자화 곡선은 강자성체와 유사하며 비선형이지만 자기 감수성이 약간 낮지만 여전히 강한 자기성에 속합니다.