Własności magnetyczne
materii
Dipole magnetyczne
Najprostszą  strukturą magnetyczną są magnetyczne
dipole.
Kompas, Chiny
Fe3O4
220 p.n.e
1
y
ródłem magnetyzmu substancji są atomowe momenty magnetyczne
Elektron krążący wokół jądra w atomie posiada magnetyczny
moment dipolowy związany z orbitalnym momentem pędu L.
e e 2Ą r e
�ł
� = IS = Ą r2 = �"�ł m �" r = �" mv �" r
( )
�ł �ł
T 2m T 2m
�ł łł
e
�e = - L
2m
Podobnie jak z orbitalnym momentem pędu elektronu
również z jego spinem związany 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 też namagnesowaniem lub magnetyzacją .
Wektor ten określa sumę wszystkich momentów magnetycznych, czyli wypadkowy
moment magnetyczny jednostki objętości.
"�
M =
M
M
M
V
Jeżeli próbkę zawierającą elementarne dipole magnetyczne umieścimy w
jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B0 to pole to dąży do ustawienia dipoli
w kierunku pola i w efekcie powstaje w próbce wypadkowe pole o indukcji
M
B = B0 + �0M = �rB0
M
M
M
�r = 1+ �0 = 1+ �
B0
�- podatność magnetyczna
�r - względna przenikalność magnetyczna ośrodka
�0 - przenikalność magnetyczna próżni
2
Własności magnetyczne ciał
Diamagnetyzm
Zewnętrzne pole magnetyczne wpływa na ruch elektronów (F = -ev�B). Zmiana ta
zależy od kierunku ruchu elektronu względem pola B i nie jest jednakowa dla
wszystkich elektronów. Diamagnetyzm występuje w każdym materiale umieszczonym
w polu magnetycznym (w każdym materiale są elektrony).
W nieobecności zewnętrznego pola, orbitalne momenty magnetyczne mają
przypadkowe kierunki (namagnesowanie M=0), ale obecność zewnętrznego pola
prowadzi do zmiany tych momentów (wskutek zmian prądów związanych z ruchem
elektronów w każdym atomie), która to zmiana stara się skompensować obecność
zewnętrznego pola (M <0). Podobnie jak w przypadku reguły przekory.
W zewnętrznym polu magnetycznym B zostaje wyindukowany moment magnetyczny, o
zwrocie przeciwnym do B.
� < 0
�r < 1
Materiały diamagnetyczne są wypychane z pól magnetycznych.
Ścisłe wytłumaczenie diamagnetyzmu wynika z mechaniki kwantowej (rozpatruje się
precesję momentu magnetycznego elektronu w polu B)
Diamagnetyzm mozna zaobserwować
tylko w ciałach, w których momenty
magnetyczne elektronów
wchodzących w skład danego atomu
znoszą się wzajemnie (kompensują)
tak, że moment magnetyczny atomu
jest równy zeru (gazy szlachetne oraz
np. bizmut, krzem, cynk, magnez,
złoto, miedz
, fosfor, grafit, woda).
Nadprzewodniki można traktować jako doskonałe diamagnetyki ( � = -1), ponieważ
wypierają linie pola magnetycznego (efekt Meissnera).
Paramagnetyzm
& . jest głównie związany ze spinowym momentem
magnetycznym elektronu w atomie.
W paramagnetykach atomowe momenty magnetyczne
słabo oddziaływują.
namagnesowanie
W nieobecności zewnętrznego pola, spiny różnych
M =0
atomów maja przypadkowe orientacje.
3
Moment magnetyczny w polu B0 doznaje działania momentu sił:
M = � � B
B
Moment sił stara się uporządkować go zgodnie z
kierunkiem pola (przeszkadzają ruchy termiczne)
�
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
różny od zera (np. mangan Mn, platyna Pt, wolfram W, tlen O).
� > 0
�r > 1
Dla paramagnetyków � H" 10-9  10-3, a �r H" 1.
Ferromagnetyzm
....silnie oddziaływujące atomowe momenty magnetyczne
Momenty magnetyczne lokalnie porządkują się
wzajemnie(równoległe ułożenie).
Ferromagnetyzm jest związany z silnym oddziaływaniem
jakie występuje pomiędzy spinowymi momentami
magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest więc
własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów
(pierwiastki: żelazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni, oraz pierwiastki
namagnesowanie
ziem rzadkich: gadolin Gd, terb Tb, dysproz Dy, holm Ho,
M`"0
erb Er.
Momenty magnetyczne w wyniku oddziaływania
wymiennego, ustawiają się równolegle do siebie
w dużych obszarach kryształu zwanych
domenami. Każda domena jest więc całkowicie
magnetycznie uporządkowana.
Natomiast kierunki momentów magnetycznych
poszczególnych domen są różne i próbka jako
całość może nie mieć wypadkowego
Ni
namagnesowania (M =0).
4
W nieobecności zewnętrznego B0
W obecności zewnętrznego B0 momenty
momenty magnetyczne domen są
magnetyczne domen porządkują się
nieuporządkowane
zgodnie z polem
Większe pola sprzyjają powstawaniu większych domen:
� >> 0
�r >> 1
� ~ 1<"104
wzrost T
obszar ferromagnetyczny:
obszar paramagnetyczny:
niskie temperatury
wysokie temperatury
(poniżej temperatury Curie)
(powyżej temperatury Curie)
Ferromagnetyki w T pokojowej:
M
żelazo 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
B0 = 0 B0
B0
B0
(e)
(d)
(c)
(b)
materiały magnetyczne:
Magnesy miękkie (małe pole koercji,
B = B0 + �0M = �rB0
M
M
M
�r=104  106): stal niskowęglowa (ferrytyczna),
H = B0 / �0
stal krzemowa (Fe-Si), stopy żelazo-nikiel
(permalloy Ni-Fe, superpermaloy Ni-Fe-Mo-Mn),
ferryty (słabo przewodzą prąd  brak prądów
wirowych) .
H2
W =
+"BdH
H1
Magnesy półtwarde (małe pole koercji)
napylane warstwy magnetyczne, dyski
Magnesy trwałe (twarde  duże pole koercji,
magnetyczne (Fe2O3 + Co) , taśmy
pozostałość magnetyczna ~1T):
magnetyczne CrO2 , Fe2O3 )
" alnico - wykonane ze związków glinu, niklu i
kobaltu (Al-Ni-Co),
" spiekane proszki na bazie ziem rzadkich
(neodymowe Nd2Fe14B, samarowo-kobaltowe
SmCo5),
" magnesy niemetaliczne, zbudowane z
polimerów zawierających nikiel.
ferryty : ceramiki, spiekane proszki Fe2O3 z tlenkami metali (MnO, CuO, NiO, MgO) mogą
być zarówno miękkie jak i twarde. Słabo przewodzą prąd i są ferrimagnetykami.
6