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
Pole magnetyczne sprzyja 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
-
M
0
M
M
0
B
zewn
-
M
0
M
M
0
B
zewn
-
M
0
M
M
0
B
zewn
B
-
M
0
M
M
0
B
zewn
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
)