1

Własności magnetyczne

materii

Najprostsz

ą

„struktur

ą

magnetyczn

ą

” s

ą

magnetyczne

dipole

.

Kompas, Chiny

220 p.n.e

Fe

3

O

4

Dipole magnetyczne

2

Ź

ródłem magnetyzmu substancji s

ą

atomowe momenty magnetyczne

Elektron kr

ążą

cy wokół j

ą

dra w atomie posiada magnetyczny

moment dipolowy zwi

ą

zany z orbitalnym momentem p

ę

du

L

.

L

µ

e

m

e

2

−

=

Podobnie jak z orbitalnym momentem p

ę

du elektronu

równie

ż

z jego spinem zwi

ą

zany jest moment

magnetyczny tzw. spinowy moment magnetyczny.

Moment magnetyczny atomu to suma jego momentów magnetycznych orbitalnych i
spinowych.

Własno

ś

ci magnetyczne ciał s

ą

okre

ś

lone przez zachowanie si

ę

elementarnych

momentów (dipoli)

magnetycznych w polu magnetycznym.

( )

2

2

v

2

2

e

e

r

e

µ

IS

r

m

r

m

r

T

m

T

m

π

π





=

=

=

⋅

⋅ =

⋅

⋅









Przy opisie własno

ś

ci magnetycznych ciał posługujemy si

ę

poj

ę

ciem wektora

polaryzacji magnetycznej

M nazywanej te

ż

namagnesowaniem lub magnetyzacj

ą

.

Wektor ten okre

ś

la sum

ę

wszystkich momentów magnetycznych, czyli wypadkowy

moment magnetyczny jednostki obj

ę

to

ś

ci.

V

∑

=

µ

M

M

M

M

Je

ż

eli próbk

ę

zawieraj

ą

c

ą

elementarne dipole magnetyczne umie

ś

cimy w

jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B

0

to pole to d

ąż

y do ustawienia dipoli

w kierunku pola i w efekcie powstaje w próbce wypadkowe pole o indukcji

0

0

0

B

B

B

r

µ

µ

=

+

=

M

M

M

M

χ

µ

µ

+

=

+

=

1

1

0

0

B

M

r

χ

- podatno

ść

magnetyczna

µ

r

- wzgl

ę

dna przenikalno

ść

magnetyczna o

ś

rodka

µ

0

- przenikalno

ść

magnetyczna pró

ż

ni

3

Diamagnetyzm

Własno

ś

ci magnetyczne ciał

Materiały diamagnetyczne s

ą

wypychane z pól magnetycznych.

Ś

cisłe wytłumaczenie diamagnetyzmu wynika z mechaniki kwantowej (rozpatruje si

ę

precesj

ę

momentu magnetycznego elektronu w polu

B)

W nieobecno

ś

ci zewn

ę

trznego pola, orbitalne momenty magnetyczne maj

ą

przypadkowe kierunki

(namagnesowanie

M

=0)

, ale obecno

ść

zewn

ę

trznego pola

prowadzi do zmiany tych momentów (wskutek zmian pr

ą

dów zwi

ą

zanych z ruchem

elektronów w ka

ż

dym atomie), która to zmiana stara si

ę

skompensowa

ć

obecno

ść

zewn

ę

trznego pola

(

M

<0).

Podobnie jak w przypadku reguły przekory.

W zewn

ę

trznym polu magnetycznym B zostaje wyindukowany moment magnetyczny, o

zwrocie przeciwnym do B.

1

<

r

µ

0

<

χ

Zewn

ę

trzne pole magnetyczne wpływa na ruch elektronów (F = −ev×B). Zmiana ta

zale

ż

y od kierunku ruchu elektronu wzgl

ę

dem pola B i nie jest jednakowa dla

wszystkich elektronów. Diamagnetyzm wyst

ę

puje w ka

ż

dym materiale umieszczonym

w polu magnetycznym (w ka

ż

dym materiale s

ą

elektrony).

Paramagnetyzm

…. jest głównie zwi

ą

zany ze spinowym momentem

magnetycznym elektronu w atomie.

namagnesowanie

M

=0

W paramagnetykach atomowe momenty magnetyczne
słabo oddziaływuj

ą

.

W nieobecno

ś

ci zewn

ę

trznego pola, spiny ró

ż

nych

atomów maja przypadkowe orientacje.

Diamagnetyzm mozna zaobserwowa

ć

tylko w ciałach, w których momenty
magnetyczne elektronów
wchodz

ą

cych w skład danego atomu

znosz

ą

si

ę

wzajemnie (kompensuj

ą

)

tak,

ż

e moment magnetyczny atomu

jest równy zeru (gazy szlachetne oraz
np. bizmut, krzem, cynk, magnez,
złoto, mied

ź

, fosfor, grafit, woda).

Nadprzewodniki mo

ż

na traktowa

ć

jako doskonałe diamagnetyki (

χ

= −1), poniewa

ż

wypieraj

ą

linie pola magnetycznego (efekt Meissnera).

4

B

µ

Moment magnetyczny w polu

B

0

doznaje działania momentu sił:

B

µ

M

×

=

Moment sił stara si

ę

uporz

ą

dkowa

ć

go zgodnie z

kierunkiem pola (przeszkadzaj

ą

ruchy termiczne)

W obecno

ś

ci pola porz

ą

dkuj

ą

si

ę

tworz

ą

c wypadkowy

moment magnetyczny, którego kierunek jest zgodny z
kierunkiem zewn

ę

trznego pola

B

0

.

Paramagnetykami s

ą

ciała, których atomy posiadaj

ą

wypadkowy moment magnetyczny

ró

ż

ny od zera (np. mangan Mn, platyna Pt, wolfram W, tlen O).

Dla paramagnetyków

χ

≈

10

-9

– 10

-3

, a

µ

r

≈

1.

1

>

r

µ

0

>

χ

namagnesowanie

M

≠

0

Ferromagnetyzm

....silnie oddziaływuj

ą

ce atomowe momenty magnetyczne

Momenty magnetyczne lokalnie porz

ą

dkuj

ą

si

ę

wzajemnie(równoległe uło

ż

enie).

Ferromagnetyzm jest zwi

ą

zany z silnym oddziaływaniem

jakie wyst

ę

puje pomi

ę

dzy spinowymi momentami

magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest wi

ę

c

własno

ś

ci

ą

kryształów

, a nie pojedynczych atomów

(pierwiastki:

ż

elazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni, oraz pierwiastki

ziem rzadkich: gadolin Gd, terb Tb, dysproz Dy, holm Ho,
erb Er.

Momenty magnetyczne w wyniku oddziaływania
wymiennego, ustawiaj

ą

si

ę

równolegle do siebie

w du

ż

ych obszarach kryształu zwanych

domenami.

Ka

ż

da domena jest wi

ę

c całkowicie

magnetycznie uporz

ą

dkowana.

Natomiast kierunki momentów magnetycznych
poszczególnych domen s

ą

ró

ż

ne i próbka jako

cało

ść

mo

ż

e nie mie

ć

wypadkowego

namagnesowania

(

M

=0)

.

Ni

5

W nieobecno

ś

ci zewn

ę

trznego

B

0

momenty magnetyczne domen s

ą

nieuporz

ą

dkowane

W obecno

ś

ci zewn

ę

trznego

B

0

momenty

magnetyczne domen porz

ą

dkuj

ą

si

ę

zgodnie z polem

Wi

ę

ksze pola sprzyjaj

ą

powstawaniu wi

ę

kszych domen:

χ

~ 1∼10

4

1

>>

r

µ

0

>>

χ

obszar paramagnetyczny:
wysokie temperatury
(powy

ż

ej temperatury Curie)

obszar ferromagnetyczny:
niskie temperatury
(poni

ż

ej temperatury Curie)

wzrost T

Ferromagnetyki w T pokojowej:

ż

elazo Fe

T

C

=1043 K

kobalt Co

T

C

=1388 K

nikiel Ni

T

C

=627K

gadolin Gd

T

C

=292 K

M

T

T

C

6

Zewn

ę

trzne pole magnetyczne B

0

porz

ą

dkuje

momenty magnetyczne w obszarze
ferromagnetycznym

(a) materiał nienamagnesowany
(b) namagnesowanie nasycenia
(c) pozostało

ść

magnetyczna

(d) pole koercji
(e) namagnesowanie nasycenia

Magnesowanie materiałów magnetycznych -
p

ę

tla histerezy

B

0

B

0

= 0

B

0

B

0

(b)

(c)

(d)

(e)

materiały magnetyczne:

0

0

0

B

B

B

r

µ

µ

=

+

=

M

M

M

M

0

0

/

µ

B

H

=

∫

=

2

1

H

H

BdH

W

Magnesy miękkie (małe pole koercji,
µ

r

=10

4

–

10

6

):

stal niskowęglowa (ferrytyczna),

stal krzemowa (Fe-Si), stopy żelazo-nikiel
(permalloy Ni-Fe, superpermaloy Ni-Fe-Mo-Mn),
ferryty (słabo przewodzą prąd – brak prądów
wirowych) .

ferryty : ceramiki, spiekane proszki Fe

2

O

3

z tlenkami metali (MnO, CuO, NiO, MgO) mogą

być zarówno miękkie jak i twarde. Słabo przewodzą prąd i są

ferrimagnetykami

.

Magnesy trwałe (twarde – duże pole koercji,
pozostałość magnetyczna ~1T):

•

alnico - wykonane ze związków glinu, niklu i

kobaltu (Al-Ni-Co),

•

spiekane proszki na bazie ziem rzadkich

(neodymowe Nd

2

Fe

14

B, samarowo-kobaltowe

SmCo

5

),

•

magnesy niemetaliczne, zbudowane z

polimerów zawierających nikiel.

Magnesy półtwarde (małe pole koercji

)

napylane warstwy magnetyczne, dyski
magnetyczne (Fe

2

O

3

+ Co) , taśmy

magnetyczne CrO

2

, Fe

2

O

3

)