Wymagane wiadomości

1. Paramagnetyki – ciała, których właściwości magnetyczne zdominowane są przez zjawisko paramagnetyzmu. W materiałach paramagnetycznych, gdy nie ma zewnętrznego pola magnetycznego, atomy mają różny od zera moment magnetyczny. Na skutek ruchów termicznych cząstek ich momenty magnetyczne są zorientowane w sposób nieuporządkowany. Gdy paramagnetyk zostanie umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, momenty magnetyczne atomów (cząsteczek) dążą do ustawienia się równolegle do kierunku pola, czemu przeciwdziała ruch cieplny. Mimo ruchów cieplnych w stanie równowagi będzie znajdować się przeważająca część elementarnych magnesów, których momenty magnetyczne będą skierowane zgodnie z kierunkiem pola magnetycznego. Ciało uzyska wypadkowy moment magnetyczny. Paramagnetyki w zewnętrznym polu magnetycznym magnesują się silniej niż diamagnetyki, dlatego też efekt diamagnetyczny jest niezauważalny w paramagnetykach. Własności magnetyczne paramagnetyków zależą od temperatury. Diamagnetyki – materiały o ujemnej podatności magnetycznej, np. gazy szlachetne, większość związków organicznych, cynk, złoto, srebro, miedź; w przeciwieństwie do para- i ferromagnetyków, które są wciągane do niejednorodnego pola magnetycznego, diamagnetyki są zeń wypychane. Ferromagnetyki – ferromagnetyk to substancja o bardzo silnych własnościach magnetycznych. Własności te biorą się stąd, że każdy atom ferromagnetyka wytwarza własne pole magnetyczne. Co więcej atomy te mają tendencję do ustawiania się w ten sposób, aby ich pole magnetyczne miało ten sam kierunek, co pole magnetyczne atomów sąsiednich. W rezultacie tworzą się duże obszary (w porównaniu z rozmiarami pojedynczego atomu), w których pole magnetyczne ma stały kierunek. Te obszary nazywamy domenami magnetycznymi. Ale pole magnetyczne każdej z domen może być ustawione w zupełnie dowolnym kierunku. Dlatego ferromagnetyk może nie wytwarzać zewnętrznego pola magnetycznego, czyli może nie być magnesem. Gdy jednak umieścimy ferromagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym (np. pochodzącym od magnesu), wówczas domeny zaczynają ustawiać się zgodnie z tym zewnętrznym polem magnetycznym i ferromagnetyk sam staje się magnesem. Ferrimagnetyki – ciała wykazujące właściwości ferrimagnetyczne. Ustawienie elementarnych momentów magnetycznych w ferrimagnetykach. jest podobne do ich ustawienia w antyferromagnetykach (antyrównoległe). Ponieważ jednak w ferrimagnetycie nie zachodzi całkowita kompensacja, gdyż antyrównoległe momenty mają różną wartość, ferrimagnetyk pod względem właściwości magnetycznych zbliżone są do ferromagnetyków. Głównymi ferrimagnetykami są tworzywa tlenkowe zwane ferrytami. Właściwości magnetyczne ferrimagnetyków zależą w dużym stopniu od ich budowy krystalicznej. Podatność magnetyczna – χ, wielkość opisująca zdolność danej substancji do zmian namagnesowania pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Podatność magnetyczna dla diamagnetyków jest mała (<< 1) i ujemna, dla paramagnetyków jest mała i dodatnia, dla ferromagnetyków jest dodatnia i duża (rzędu setek lub tys.) i stanowi funkcję natężenia pola magnetycznego H. Przenikalność magnetyczna – jest to wielkość określająca zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego. Wartości przenikalności względnej w ferromagnetykach zależą nie tylko od składu chemicznego materiału ale również od bardzo wielu innych czynników. Na przykład, przenikalność względna nieznacznie rośnie ze wzrostem rozciągających naprężeń mechanicznych wywołanych wzdłuż kierunku magnesowania, ale silnie maleje dla naprężeń ściskających, ponieważ prowadzi to to zmian w strukturze domenowej. Bardzo ważnym czynnikiem jest więc odpowiednia obróbka mechaniczna materiału, jak również obróbka termiczna, za pomocą której można usuwać niepożądane wewnętrzne naprężenia mechaniczne powstałe podczas produkcji materiału. Z drugiej strony, wprowadzając odpowiednio ukształtowane naprężenia mechaniczne można znacznie zwiększyć przenikalność. Metoda taka jest stosowana np. w wysokiej jakości anizotropowych blachach elektrotechnicznych.

Zachowanie materiałów w polu magnetycznym – Zachowanie materiału w polu magnetycznym znajduje zachowanie w wielu materiałach funkcjonalnych. Prąd przepływający w obwodzie zamkniętym lub trwały magnes wytwarza pole magnetyczne. W materiale znajdującym się w polu magnetycznym indukowane jest wewnętrzne pole magnetyczne mierzone wielkością indukcji magnetycznej B.

2. Źródła momentów magnetycznych w ciele stałym – 1.Momenty magnetyczne orbitalne - krążące po orbitach (model) elektrony wywołują momenty magnetyczne:

m_m=(-e/2m_e)I

I – moment pędu elektronu.

Moment magnetyczny orbitalny jest skwantowany:

M_m= -m_bL

m_b=(h/2π)(e/2m_e) – magneton Bohra = 9,27 x 10^-24 J/T

2. Momenty magnetyczne spinowe – spin elektronu (modelowo obrót wokół osi) wynosi:

m_sp= -2m_bS

S – wypadkowy moment spinowy pędu elektronu.

Efektywny (nieskompensowany) spinowy moment magnetyczny :

m_{e, sp}= -2 m_b(S(S=1))^1/2

Nieskompensowane wypadkowe momenty magnetyczne występują w materiałach w których orbitale uczestniczące w wiązaniach nie są w pełni obsadzone czyli dla pierwiastków i kationów metali grup przejściowych i ziem rzadkich. Nieskompensowane momenty magnetyczne zależą od momentów spinowych.

3. Temperatura Curie – (oznaczana T_C) - temperatura, powyżej której ferromagnetyk gwałtownie traci swoje właściwości magnetyczne i staje się paramagnetykiem, zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego. Nazwa pochodzi od nazwiska francuskiego fizyka Piotra Curie, męża Marii Skłodowskiej-Curie. W temperaturze niższej od temperatury Curie dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiane są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku tworząc domeny ferromagnetyczne. W temperaturze powyżej temperatury Curie drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, dipole wykonują drgania. Poprzez analogię do ferromagnetyków, w ferroelektrykach oraz w ferroplastykach temperatura zaniku własności ferroelektrycznych i ferroplastycznych też jest nazywana temperaturą Curie. Domeny magnetyczne – spontaniczne namagnesowane obszary w ferromagnetykach lub ferrimagnetykach, w których występuje uporządkowanie momentów magnetycznych. Każda z domen jest namagnesowana do nasycenia magnetycznego. Sąsiednie domeny są rozdzielone ściankami domenowymi, w których następuje zmiana orientacji momentów. Domeny zanikają powyżej temperatury Curie, ponieważ materiał traci wówczas własności ferromagnetyczne. W ferromagnetykach i ferrimagnetykach atomy znajdują się na tyle blisko siebie, że momenty magnetyczne niesparowanych elektronów silnie oddziałują ze sobą, analogicznie do magnesów sztabkowych, których bieguny różnoimienne przyciągają się powodując ich ustawienie w jednej linii (czyli równolegle). Prowadzi to do spontanicznego namagnesowania materiału co pozwala na obniżenie wewnętrznej energii magnetycznej.

Pętla histerezy magnetycznej – H - natężenie pola magnetycznego, M - polaryzacja magnetyczna (namagnesowanie), B - indukcja magnetyczna, M_r - pozostałość magnetyczna, B_r - indukcja magnetyczna szczątkowa, _MH_C - koercja polaryzacji, _BH_C - koercja indukcji magnetycznej, μ₀ - przenikalność magnetyczna

Ferryty – niemetaliczne materiały ceramiczne o właściwościach ferromagnetycznych. Przykłady: SrFe₁₂O₁₉ i BaFe₁₂O₁₉ (magnesy trwałe), Ni_xZn_yFe₂O₄ (głowice do zapisu magnetycznego), Mn_xZn_yFe₂O₄ (rdzenie anten ferrytowych). Struktura: Ferryty są polikryształami ceramicznymi otrzymywanymi droga spiekania z proszków. Materiały tlenkowe zawierające jony Fe+3 posiadające właściwości ferrimagnetyków. Typy struktur: spinelu, granatu, magnetoplumbitu. Struktura spinelu zbudowana jest z gęsto upakowanych anionów tlenu. Kationy znajdują się w lukach tetraedrycznych (A) lub oktaedrycznych (B). Kationy znajdujące się w różnych lukach oddziaływują ze sobą poprzez jony tlenu tzw. A-O-B wymiana kwantowo-mechaniczna. Spinele – ferryty miękkie, granaty i magnetoplumbity – ferryty twarde.

Ich właściwości zależą zarówno od struktury: budowa krystaliczna i skład pierwiastkowy; jak i mikrostruktury: gęstość, porowatość, wielkość i kształt ziaren i porów. Wpływ mikrostruktury (na pole koercji, indukcję nasycenia itd.): zmniejszanie się wzajemnej orientacji struktury krystalicznej w zbiorze ziarn, zmniejszenie się rozrzutu wielkości ziarn, zmniejszenie się udziału objętościowego porów.