磁性と磁気モーメント
私たちの身の回りのテーブルや椅子から、宇宙の惑星や太陽まで、世の中のすべてのものは磁性を持っています。結晶、アモルファス、液体、気体、高温、低圧など、どのような状態であっても、すべて磁性を持っています。違いは、ある物質は強い磁性を持ち、他の物質は弱い磁性を持つということです。しかし、磁性を持たない物質は存在しないと言えます。物質は、外部磁場における特性に基づいて、常磁性物質、反磁性物質、強磁性物質、フェリ磁性物質、反強磁性物質の 5 つのカテゴリに分類できます。すべての物質が磁性を持つ原因は何でしょうか。異なる物質が上記の異なる特性を持つ理由は何でしょうか。これは、物質の基礎である原子から始まります。物質は原子で構成され、原子は原子核と電子で構成されています。原子では、電子は原子核の周りを運動するため、軌道磁気モーメントを持ちます。電子はスピンによるスピン磁気モーメントを持ち、原子の磁気モーメントは主に電子の軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントから生じ、これがすべての物質の磁性の源である。原子核の磁気モーメントは電子の1/1836.5に過ぎないため、原子核の磁気モーメントは一般に無視される。
孤立した単一原子の磁気モーメント
磁気モーメントは方向性のあるベクトルです。原子内の電子のスピンモードは、上向きと下向きの 2 種類に分けられます。ほとんどの物質では、上向きと下向きのスピンを持つ電子が同数存在し、それらが作り出す磁気モーメントは互いに打ち消し合います。原子全体は外界に対して磁性を持ちません。少数の物質原子だけが、異なるスピン方向の異なる数の電子を持っています。したがって、反対のスピンを持つ電子の磁気モーメントが互いに打ち消し合った後も、スピン磁気モーメントが打ち消された電子がいくつか存在し、原子全体が合計磁気モーメントを持ちます。単一原子の磁気モーメントは、その原子構造、つまり電子の配置と数に依存します。周期表の元素のすべての原子は、独自の磁気モーメントを持っています。上で説明した結晶内の原子の磁気モーメントは、単一原子の磁気モーメントですが、固体結晶または非結晶では、原子は結晶の節点に位置し、隣接する原子の核電場と電子静電場の影響を受けます。したがって、結晶内の原子の磁気モーメントは、単一の孤立した原子の磁気モーメントとは異なります。たとえば、鉄、コバルト、ニッケルは3D遷移金属として知られています。結晶では、一部の原子の電子が隣接する原子の公電子になり、原子の電子構造が変化します。一部の軌道磁気モーメントは固定され、結晶内の原子磁気モーメントに寄与するスピン磁気モーメントのみが残ります。その結果、結晶内の原子の磁気モーメントは理論値から外れます。前の内容から、宇宙のすべてのものは磁性を持ち、磁性は主に原子磁性に由来することがすでにわかっています。異なる原子の異なる磁気モーメントにより、マクロ物質内の原子磁気モーメント間の相互作用が引き起こされます。室温での原子磁気モーメントの配置は異なります。マクロ物質は、その磁気特性に応じて、常磁性物質、反磁性物質、強磁性物質、亜強磁性物質、反強磁性物質に分類され、次の3つの特性が含まれます。1.物質のマクロ磁性は、その構成原子または分子の磁気モーメントによって寄与されます。物質の単位体積あたりの全磁気モーメントを磁化と呼び、M で表され、A/m で測定されます。物質の体積が V、n 個の原子があり、各原子の磁気モーメントが μ J である場合、M = μ J1 + μ J2 + ... + μ ジャン、つまり M = ∑ μ J/v です。2. 磁化強度の磁化曲線 (M ~ H 曲線): 外部磁場がゼロの場合、原子の磁気モーメントはランダムに配置されます。ただし、ゼロ以外の外部磁場を適用すると、各原子の磁気モーメントは外部磁場の方向に回転します。物質の磁化の強さMが変化します。磁化の強さMと外部磁場Hの関係曲線は磁化曲線と呼ばれ、M〜H磁化曲線と略されます。異なる物質の磁化曲線も異なります。
3. 磁化率×2
M~H磁化曲線上の任意の点におけるMとHの比は磁化率と呼ばれ、χで表されます。 χ=M/H 、Mの単位はA/m、Hの単位もA/mなので、相対的な磁化率であり単位はありません。原子磁気モーメントの大きさや配置、M~H磁化曲線の形状、磁化率などのパラメータを使用して、物質の磁性を記述し、分類します。
常磁性物質は、磁場に近づけると磁場の方向に応じて磁化できる物質ですが、非常に弱く、精密機器でしか測定できません。外部磁場が除去されると、内部磁場もゼロに戻り、磁性がなくなります。アルミニウム、酸素など。常磁性物質の各原子は磁気モーメントを持ち、常磁性物質に固有の原子磁気モーメントを与えます。常磁性物質では隣接する原子間に相互作用がないため、室温では原子磁気モーメントがランダムに配置され、どの方向への原子磁気モーメントμ J の投影値もゼロです。外部磁場 H を受けると、このような物質の原子磁気モーメントは外部磁場の方向に沿って非常に小さな角度しか回転できず、外部磁場の増加とともに磁化の強さがゆっくりと増加します。その磁化率は 0 より大きく、値は通常 10-5 から 10-3 の範囲です。常磁性物質の原子磁気モーメントを外部磁場の方向に完全に揃えるには、109-1010 A/mの外部磁場強度が必要であると推定されていますが、これは現在人工磁場で達成するのが困難です。反磁性物質は負の磁化率を持つ物質で、磁化後の磁場の方向が外部磁場の方向と反対になることを意味します。グラファイト、鉛、水など、すべての有機化合物は反磁性を持っています。反磁性物質の原子軌道磁気モーメントとスピン磁気モーメントの磁場への投影はゼロであり、反磁性物質は正味の原子磁気モーメントを持たないことを意味します。ただし、外部磁場の作用下では、電子軌道は誘導された追加の磁気モーメントを生成し、この誘導された磁気モーメントは外部磁場と方向が反対であるため、負の磁性が発生します。反磁性物質の磁化方向は負で、外部磁場と反対であり、その絶対値は外部磁場の増加とともに直線的に増加します。強磁性体とは、外部磁場によって磁化された後、外部磁場が消えても磁性状態を維持できる物質です。現在までに83種類の金属元素が発見されており、そのうち室温以上では鉄、コバルト、ニッケル、ガドリニウムの4種類が強磁性元素です。極低温では、テルビウム、ジスプロシウム、ホルミウム、エルビウム、ツリウムの5種類が強磁性元素に変化します。強磁性体では、原子は固有の原子磁気モーメントを持ち、一部の電子は共有されています。隣接する原子のスピン磁気モーメントは互いに平行に同じ方向に配列されます（自発磁化とも呼ばれます）。強磁性体のM〜H磁化曲線は非線形であり、磁化率xは磁場に応じて変化します。強磁性体の磁化率xは非常に大きく、105〜107に達します。反強磁性体
磁場を発生せず、この物質は比較的珍しいです。新しい反強磁性物質はまだ発見されています。ほとんどの反強磁性物質は低温でのみ存在し、温度が一定値を超えると、通常は常磁性になります。たとえば、クロム、マンガンなどはすべて反強磁性特性を持っています。反強磁性物質の原子にも固有の原子磁気モーメントがあり、一部の電子は共有されていますが、隣接する原子は反対の磁気モーメントを持っています（反強磁性秩序とも呼ばれます）。強磁性物質のM〜H磁化曲線は直線で、磁化率はχ>0で、値は約10-4〜10-5で、非常に小さく一定です。これは、反強磁性物質が外部磁場で磁化されると、その原子磁気モーメントが外部磁場によってほとんど変化せず、常磁性物質に似ており、弱い磁性に属することを意味します。反強磁性体の磁化率は温度によって変化し、下図の通り、テネシー はニール温度と呼ばれます。強磁性体の巨視的磁性は強磁性と同じですが、磁化率が低い点が異なります (磁化率は 102 ～ 105)。フェライトなどの典型的な強磁性体は、内部の磁気構造 (磁気モーメントの配置) が強磁性体と最も大きく異なります。強磁性体の原子磁気モーメントはゼロではなく、隣接する原子磁気モーメント間に間接交換または RKKY 交換があり、隣接するサブラティスの原子磁気モーメントが逆平行に配置されますが、隣接するサブラティスの原子磁気モーメントのサイズは異なります (上図を参照)。この現象は、強磁性秩序または強磁性自発磁化とも呼ばれます。強磁性材料の M~H 磁化曲線は非線形であり、磁化率がわずかに低いことを除いて強磁性材料に似ていますが、依然として強磁性に属します。