marta_inj (marta_inj) wrote,
marta_inj
marta_inj

Categories:

Шпинель и магнетизм


Это благородная шпинель MgO x Al2O3. Камень.

В науке же словом "шпинель" обозначается определенная кристаллическая структура: MeO x Me2O3.

Основа кристаллической структуры шпинели - кислородные октаэдры и тетраэдры, верней, их сочетание. Вот такое:


По углам многогранников - кислороды, внутри октаэдров и тетраэдров могут быть ионы металлов. Например, в благородной шпинели Mg занимает каждый восьмой тетраэдр, алюминий - каждый второй октаэдр. И обычная шпинель не имеет магнитных свойств.

А есть обращенная шпинель (inverse spinel) - которая как раз имеет магнитные свойства. Ее химическая формула MeO x Me2O3, где Me могут быть разные ионы металлов, главное, чтобы один ион был двухвалентным, а другой трехвалентным. Если трехвалентный ион металла железо, соединение будет называться ферритом. Но трехвалентными могут быть и хром, и алюминий (тогда это не ферриты).


Это структура магнетита. Красные шарики - атомы кислорода. Цветные октаэдры и тетраэдры - те, которые с двух и трехвалентным железом, а пустые места - незанятые металлом октаэдры и тетраэдры.

В обращенной шпинели двухвалентные ионы металла занимают октаэдры, а трехвалентные распределяются пополам по октаэдрам и тетраэдрам.

И вот такая структура уже обладает очень интересными свойствами.
Во-первых, она магнитная.
Во-вторых, кристаллы шпинелей очень медленно растут.
В-третьих, именно структуру обращенной шпинели имеют пленки на поверхности металла, защищающие металл от коррозии и катализаторы в органической химии.
В-четвертых, обращенная шпинель тугоплавкая.
В-пятых, у нее есть частоты резонирования (что понятно по ферритовым сердечникам).

Начнем с магнитных свойств.

Почему обычная шпинель не магнитная, а обращенная - магнитная? Неель предположил, что в октаэдрах и тетраэдрах разнонаправленные магнитные моменты, поэтому в обычной шпинели они компенсируют друг друга, а в обращенной шпинели не компенсируют. Правда, в том, и в другом случае занятых металлом октаэдров в два раза больше, чем занятых тетраэдров, так что не очень понятно, что там чего должно компенсировать.

Ну да ладно, пойдем тогда со стороны магнитных доменов.

Всем же "известно", что есть магнитные домены? И что в магнитах они все повернуты в одну сторону, потому и магниты магнитны?

Да, я тоже "знала". Но только не совсем.

Вот что металлы содержат кристаллы - вроде что-то припоминалось, но как-то с магнетизмом не связывалось.



А оказалось, что кристаллы/домены и есть носители магнетизма. И они до боли напоминают те кристаллы, которые мы порой растим. В частности, крупные кристаллы могут расти за счет своих маленьких соседей.

Во внешнем магнитном поле домены, которые сонаправлены с этим внешним полем, растут, а те, которые перпендикулярны полю, уменьшаются - и это и есть намагничивание. Если достаточно времени или мощности для полного "рассасывания" мелких доменов в пользу крупных - получаем магнитострикцию:


Фото из: https://digitall-angell.livejournal.com/856249.html

Нечто подобное происходит и при механических деформациях металлов - кристаллы растут в направлении разрывов сплошности (а это как бы намекает на тесную взаимосвязь статического электричества и магнетизма). А рядом образуются пустоты на месте рассосавшихся мелких доменов, и в целом кристаллическая структура металлической конструкции перестает перераспределять нагрузку - это называется "усталостью металла".

А при отсутствии внешнего магнитного поля домены постепенно перестраиваются так, чтобы уменьшить выделение магнетизма наружу - процесс называется "размагничивание".



И чем сложнее форма поверхности, тем затейливее рисунок доменов.


Здесь возникают воспоминания об измерениях импенданса кожи у человека и даже о папиллярных узорах.



Tags: Биология, Химия, Электричество
Subscribe

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic
  • 10 comments