👨‍🏫強磁性体の磁化過程

無機固体化学では、「磁性と磁性体」の中で、「強磁性体の磁化過程」について述べられています ⇒#227@講義;。

　　☆　鉄は強磁性体であるが、買ってきたばかりの鉄クギは
　　　　磁石になっていない。なぜか？
　　　→　鉄クギ全体が、磁気モーメントの揃った微小部分
　　　（磁区）に分かれており、隣り合った磁区では磁気
　　　モーメントが90°または180°の角度をなしている。
　　　従ってクギ全体としては磁化されていないから。
　　　→　しかし、クギに外部磁場をかけると（右図）、
　　　　　磁区の境目が移動し（原子は移動しない）、
　　　　　やがて全体が飽和まで磁化される。
　　　→　外部磁場をゼロにしても、磁化は完全には
　　　　　なくならない（残留磁化）。
　　　→　磁化をゼロにするには、逆方向の磁場を
　　　　　かけなくてはならない（保磁力）。

　　・外部磁場の強さと向きに対する磁化を表わした曲線
　　　を磁化曲線という（右図）。曲線の形によって大まかに
　　　強磁性の「硬さ」の分類をすることがある。
　　　　軟磁性（右図(a)、飽和磁化大、保磁力小）
　　　　　→　磁気ヘッドとして応用。
　　　　硬磁性（右図(c)、残留磁化と保磁力が大）
　　　　　→　永久磁石として応用。
　　　　半硬磁性（右図(b)、残留磁化、保磁力は中間）
　　　　　→　磁気記録媒体として応用。

10-4　強磁性無機固体
　　☆　主として鉄の酸化物を主成分とする物質が広く用いられている。ここでは軟磁性体～半硬磁性体と
　　　　して重要な「スピネル型フェライト」を取り上げる。ちなみに、スピネルフェライトを発見し、工業的応用を切り開いたのは日本人（加藤与五郎、武井武という東工大電気化学教室の教授）であり、
　　　　TDKという会社名は東京、電気、化学の頭文字をとったもの）
　例：Fe3O4（通称マグネタイト。スピネル型構造。）
　　　スピネル型構造は非常に複雑なので覚える必要はない。
　　　一般にはAB2O4と表わされ、O2－の立方最密充填
　　　構造の4配位サイトの1/8に陽イオン A、6配位
　　　サイトの1/2に陽イオンBが入っている。
　　　マグネタイトの場合、4配位サイトにFe3＋の半分、
　　　6配位サイトにFe3＋の残り半分とFe2＋が入る。

　☆　磁気的性質を考える場合には、磁気モーメントが
　　　互いに反平行な「B - A - B」だけを考えれば良い。
　　　この講義では、マグネタイトと関連化合物の化学組成
　　　と磁気モーメントとの関係を理解すれば良い。

＜マグネタイトの単位式量あたりの磁気モーメントの大きさ＞
　（単位式量とはFe3O4、Fe原子3個あたりの意味）＞
　　考え方：①Fe2＋とFe3＋の磁気モーメントはそれぞれ4μBと5μB。
　　　　　　②B - A - Bのイオンの並びは、Fe2＋ - Fe3＋ - Fe3＋である。
　　　　　　③磁気モーメントは互いに反平行だから、4↑ - 5↓ - 5↑、結局「4↑」となり、磁気モーメ
　　　　　　　ントの大きさは「4μB」と予想される。実測値は4.1μB。
　　　　　　④磁気モーメントの大きさは、飽和磁化の大きさと比例する（どれだけたくさん磁化できるか）。

＜マグネタイト関連化合物の磁気モーメントの大きさ＞
　(a) NiFe2O4（通称ニッケルフェライト）、Niは6配位サイトに入る（陽イオン B）。従って、B - A - B
　　　の並びはNi2＋ - Fe3＋ - Fe3＋。Ni2＋の磁気モーメントの大きさは2μBなので、上と同様に考える
　　　と磁気モーメントの大きさは2μBと予想される。実測値2.3μB。

　(b) MnFe2O4（通称マンガンフェライト）、Mnは4配位サイトに入る（陽イオン A）。従ってB - A - B
　　　の並びはFe3＋ - Mn2＋ - Fe3＋。Mn2＋の磁気モーメントの大きさは5μBなので、上と同様に考える
　　　と磁気モーメントの大きさは5μBとなる。実測値4.8μB。

(c) Mn0.6Zn0.4Fe2O4（通称マンガンジンクフェライト）、MnもZnも4配位サイトに入る（陽イオン A）。
　　　ところでZn2＋の磁気モーメントはゼロだから、陽イオンAの平均磁気モーメントは5.0×0.6=3.0
　　　μB。すると、5↑ - 3↓ - 5↑となり、磁気モーメントの大きさは7μBと予想される。実測値6.8
　　　μB。これがスピネル型フェライトで達成できる最大値。（Znをこれ以上増やしすぎると、交換相互作
　　　用の様式が変化して、磁気モーメントが減ってしまう。詳細は省略）

　☆　前ページに記したように、磁性体はその用途によって飽和磁化（≒磁気モーメントの大きさ）、残留磁化、保磁力などが最適になるように組成設計される。磁気モーメントが小さいからといって工業的意味
　　が小さいというわけではない。一見磁性体と化学とは無関係に思えるかもしれないが、金属イオンの種類と組成比、それらの結晶構造中の位置などを理解することによって、様々な特性を持つ磁性体を設計し、作り上げることが可能になる。このような知識や作製操作は化学以外のなにものでもない。

👨‍🏫 000. 強磁性体の磁化過程

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