Własności magnetyczne
materii
Dipole magnetyczne
NajprostszÄ…  strukturÄ… magnetycznÄ… sÄ… magnetyczne
dipole.
Kompas, Chiny
Fe3O4
220 p.n.e
1
y
ródłem magnetyzmu substancji są atomowe momenty magnetyczne
Elektron krÄ…\
ący wokół jądra w atomie posiada magnetyczny
moment dipolowy związany z orbitalnym momentem pędu L.
e
µe = L
2m
Podobnie jak z orbitalnym momentem pędu elektronu
równie\
z jego spinem zwiÄ…zany jest moment
magnetyczny tzw. spinowy moment magnetyczny.
Moment magnetyczny atomu to suma jego momentów magnetycznych orbitalnych i
spinowych.
Własności magnetyczne ciał są określone przez zachowanie się elementarnych
momentów (dipoli) magnetycznych w polu magnetycznym.
Przy opisie własności magnetycznych ciał posługujemy się pojęciem wektora
polaryzacji magnetycznej M nazywanej te\
namagnesowaniem lub magnetyzacjÄ… .
Wektor ten określa sumę wszystkich momentów magnetycznych, czyli wypadkowy
moment magnetyczny jednostki objętości.
"µ
M =
V
Je\
eli próbkę zawierającą elementarne dipole magnetyczne umieścimy w
jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B0 to pole to dÄ…\
y do ustawienia dipoli
w kierunku pola i w efekcie powstaje w próbce wypadkowe pole o indukcji
M
B = B0 + µ0M = µr B0 µr = 1+ µ0 = 1+ Ç
B0
wielkość Ç nazywana jest podatnoÅ›ciÄ… magnetycznÄ…
2
Własności magnetyczne ciał
Diamagnetyzm
& & jest zwiÄ…zany z orbitalnym momentem magnetycznym elektronu w atomie.
W nieobecności pola magnetycznego elektron
B0||z porusza się po orbicie pod wpływem siły e2 mv2
k =
dośrodkowej elektrostatyczne przyciąganie
r2 r
electronu i jądra siłą Coulomba :
W obecności pola magnetycznego, B||z dodatkowy
przyczynek do siły dośrodkowej od pola B:
e2 mv2
k + B0ev =
r2 r
Siła dośrodkowa wzrasta więc wzrasta prędkość elektronu i prąd spowodowany jego ruchem po
orbicie. Wzrasta wiÄ™c orbitalny moment magnetyczny, µorb o kierunku przeciwnym do pola B.
µ
µ
µ
W nieobecności zewnętrznego pola, orbitalne momenty magnetyczne mają przypadkowe kierunki
(namagnesowanie M=0), ale obecność zewnętrznego pola prowadzi do zmiany tych momentów,
która to zmiana stara się skompensować obecność zewnętrznego pola (M<0).
Ç < 0
µr < 1
Materiały diamagnetyczne są wypychane z pól magnetycznych  zgodnie z regułą Lentza.
Ścisłe wytłumaczenie diamagnetyzmu wynika z mechaniki kwantowej (rozpatruje się precesję
elektronu w polu B
Diamagnetyzm jest bardzo słabym efektem obserwowanym w atomach o parzystej liczbie
elektronów (gazy szlachetne oraz np. bizmut, krzem, cynk, magnez, złoto, miedz
, fosfor,
grafit, woda).
Nadprzewodniki mo\
na traktować jako doskonaÅ‚e diamagnetyki ( Ç = -1), poniewa\
wypierajÄ…
linie pola magnetycznego efekt Meissnera.
Paramagnetyzm
& . jest głównie związany ze spinowym momentem
magnetycznym elektronu w atomie.
W paramagnetykach atomowe momenty magnetyczne
słabo oddziaływują.
W nieobecności zewnętrznego pola, spiny ró\
nych
namagnesowanie atomów maja przypadkowe orientacje
M=0
3
Moment magnetyczny w polu B0 doznaje działania momentu sił:
M = µ × B
µ
µ
µ
B
Moment sił stara się uporządkować go zgodnie z
kierunkiem pola (przeszkadzajÄ… ruchy termiczne)
µ
W obecności pola porządkują się tworząc wypadkowy
moment magnetyczny, którego kierunek jest zgodny z
kierunkiem zewnętrznego pola B0.
Paramagnetykami są ciała, których atomy posiadają wypadkowy moment magnetyczny
ró\
ny od zera.
Np. atomy o nieparzystej liczbie elektronów, w których wypadkowy spin elektronów
będzie zawsze większy od zera (mangan Mn, platyna Pt, wolfram W, tlen O).
Ç > 0
µr > 1
Dla paramagnetyków Ç H" 10-9  10-3, a µ H" 1.
Ferromagnetyzm
....silnie oddziaływujące atomowe momenty magnetyczne
Momenty magnetyczne lokalnie porzÄ…dkujÄ… siÄ™
wzajemnie(równoległe uło\
enie).
Ferromagnetyzm jest związany z silnym oddziaływaniem
wymiennym jakie występuje pomiędzy spinowymi
namagnesowanie
momentami magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest
M`"0
więc własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów
(\
elazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni, gadolin Gd).
Momenty magnetyczne w wyniku oddziaływania
wymiennego, ustawiają się równolegle do siebie
w du\
ych obszarach kryształu zwanych
domenami. Ka\
da domena jest więc całkowicie
magnetycznie uporzÄ…dkowana.
Natomiast kierunki momentów magnetycznych
poszczególnych domen są ró\
ne i próbka jako
całość mo\
e nie mieć wypadkowego
Ni
namagnesowania (M=0).
4
W nieobecności zewnętrznego B0
W obecności zewnętrznego B0 momenty
momenty magnetyczne domen sÄ…
magnetyczne domen porzÄ…dkujÄ… siÄ™
nieuporzÄ…dkowane
zgodnie z polem
Większe pola sprzyjają powstawaniu większych domen:
Ç >> 0
µr >> 1
µ>> 1<"104, Ç>>0
wzrost T
obszar ferromagnetyczny:
obszar paramagnetyczny:
niskie temperatury
wysokie temperatury
(poni\
ej temperatury Curie)
(powy\
ej temperatury Curie)
Ferromagnetyki w T pokojowej:
M
\
elazo Fe TC=1043 K
kobalt Co TC=1388 K
nikiel Ni TC=627K
gadolin Gd TC=292 K
T
TC
5
Magnesowanie materiałów magnetycznych -
pętla histerezy
Zewnętrzne pole magnetyczne B0 porządkuje
momenty magnetyczne w obszarze
ferromagnetycznym
(a) materiał nienamagnesowany
(b) namagnesowanie nasycenia
(c) pozostałość magnetyczna
(d) pole koercji
(e) namagnesowanie nasycenia
B = 0 B
B
B
(c) (e)
(b)
(d)
6