Diamagnetyzm

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Diamagnetyzm - zjawisko polegające na indukcji w ciele, znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola.

Diamagnetyzm występuje przeważnie w związkach chemicznych posiadających wiązania wielokrotne lub układ aromatyczny. Zewnętrzne pole indukuje w takim układzie prąd elektryczny, który powoduje powstanie pola magnetycznego, skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego.

Diamagnetyki samorzutnie nie wykazują właściwości magnetycznych. Diamagnetyk jest odpychany przez magnes. Umieszczenie diamagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola magnetycznego skierowanego przeciwnie. Dla tych ciał względna przenikalność magnetyczna ośrodka jest nieco mniejsza od jedności. Do diamagnetyków zalicza się: gazy szlachetne, prawie wszystkie metale i metaloidy nie wykazujące własności para- lub ferromagnetycznych (np: bizmut, krzem, cynk, magnez, złoto, miedź) a także fosfor, grafit, woda oraz wiele związków chemicznych. Diamagetyczne są też DNA i wiele białek.

Zjawisko diamagnetyzmu zostało po raz pierwszy opisane przez holenderskiego lekarza i przyrodnika S.J. Burgmansa w 1778 roku. Nazwę "diamagnetyzm" stworzył jednak i rozpowszechnił Michael Faraday w 1845 r.

Podatność magnetyczna niektórych materiałów

Materiał
Woda	−8,8×10^−6
Złoto	−34×10^−6
Bizmut	−170×10^−6
Grafit	−160×10^−6
Grafit krystaliczny prostopadle do płaszczyzny kryształów	−450×10^−6
Grafit krystaliczny równolegle do płaszczyzny kryształów	−85×10^−6

Nadprzewodniki można traktować jako doskonałe diamagnetyki (
= −1), ponieważ wypierają linie pola magnegtycznego efekt Meissnera.

Magnetyzm

[edytuj]

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Nazwą magnetyzm określa się zespół zjawisk fizycznych związanych z polem magnetycznym, które może być wytwarzane zarówno przez prąd elektryczny jak i przez materiały magnetyczne.

Spis treści [pokaż] 1 Podstawy fizyczne magnetyzmu 1.1 W skali makroskopowej 1.2 W skali mikroskopowej 2 Rodzaje magnetyzmów 3 Ładunek elektryczny w ruchu 4 Materiały magnetyczne 5 Zobacz też

[edytuj] Podstawy fizyczne magnetyzmu

[edytuj] W skali makroskopowej

Siły magnetyczne są jednymi z podstawowych sił w naturze. Odziaływania magnetyczne odbywają się za pośrednictwem pola magnetycznego, które w skali makroskopowej wytwarzane jest na skutek ruchu ładunków elektrycznych lub prądu elektrycznego. Stały prąd elektryczny wywołuje statyczne pole magnetyczne, natomiast zmienny prąd elektryczny powoduje powstanie nierozerwalnie związanego z nim zmiennego pola magnetycznego (takie podwójne pole nosi nazwę pola elektromagnetycznego).

Magnetyzm makroskopowy jest przyczyną istnienia ziemskiego pola magnetycznego. We wnętrzu Ziemi istnieje roztopione jądro, w którym występują prądy konwekcyjne. Prądy takie unoszą ze sobą olbrzymie ilości wolnych elektronów, które są równoważne z prądem elektrycznym, który z kolei (jak opisano powyżej) skutkuje powstaniem otaczającego pola magnetycznego.

W skali makroskopowej powstawanie i zachowanie pola magnetycznego oraz sił z nim związanych opisane są równaniami Maxwella oraz prawem Biota-Savarta.

[edytuj] W skali mikroskopowej

W skali mikroskopowej pole magnetyczne powstaje głównie na skutek ruchu elektronów: orbitalnego oraz obrotowego (tzw. spin), przy czym ten ostatni jest efektem dominującym. Ruch orbitalny elektronu (dookoła jądra atomowego) jest efektem wtórnym i tylko nieznacznie modyfikuje spinowe pole magnetyczne. W niewielkim stopniu pole magnetyczne wytwarzane jest również przez moment magnetyczny protonów i neutronów.

Wypadkowy moment magnetyczny atomu jest sumą wszystkich momentów magnetycznych elektronów (a także w bardzo niewielkim, zazwyczaj pomijanym stopniu również i protonów i neutronów). Z uwagi na dążenie w przyrodzie do minimalnego stanu energetycznego pojedyncze momenty magnetyczne elektronów mają tendencję do ustawiania się w przeciwnych kierunkach (zarówno momenty orbitalne jak i spinowe) czym powodują znoszenie udziału magnetycznego takich sparowanych elektronów. Dlatego też, dla atomu z całkowicie wypełnionymi powłokami i podpowłokami elektronowymi wewnętrzne magnetyczne momenty znoszą się całkowicie. Tylko atomy z częściowo wypełnionymi powłokami elektronowymi posiadają wypadkowy moment magnetyczny, którego wartość zależy głównie od ilości niesparowanych elektronów.

Dla przykładu:

• W materiałach diamagnetycznych wszystkie elektrony w atomie są sparowane, wobec czego atom nie wykazuje zewnętrznego momentu magnetycznego. Tak samo zachowuje się ciało złożone z diamagnetycznych atomów. Diamagnetyki nieznacznie osłabiają zewnętrzne pole magnetyczne.

• Paramagnetyki z kolei posiadają co najmniej jeden niesparowany elektron, który skutkuje zewnętrznym momentem magnetycznym dla danego atomu. Jednakże uporządkowanie takich elementarnych momentów w materiale paramagnetycznym jest chaotyczne, co prowadzi do zerowego wypadkowego momentu dla całego ciała. Paramagnetyki nieznacznie wzmacniają zewnętrzne pole magnetyczne, ponieważ poszczególne momenty magnetyczne dążą do ustawienia się wzdłuż lini takiego pola. Teoretycznie przy bardzo dużych polach powinno nastąpić nasycenie magnetyczne materiału paramagnetycznego. Niemniej obecnie nie udało się tego jednoznacznie potwierdzić nawet w polach magnetycznych o bardzo dużej wartości (np. 100 T - zobacz opis ferromagnetyków poniżej).

• Jeśli chodzi o ferromagnetyzm, to co prawda występuje on tylko dla określonych pierwiastków i związków chemicznych, jednak ferromagnetyzm jest zjawiskiem jakie występuje dla całej 'grupy atomów z uwagi na tzw. oddziaływania wymienne pomiędzy sąsiednimi atomami. W ferromagnetykach występuje zjawisko nasycenia magnetycznego - występuje ono w chwili kiedy wszystkie elemenarne dipole magnetyczne ustawią się w kierunku zewnętrznego pola magnetycznego. Najwyższe znana polaryzacja nasycenia 2.3 T istnieje dla stopu VACODUR Co₄₉Fe₄₈V_1.9.

Dlatego też, różnice w konfiguracji elektronowej w różnych pierwiastkach chemicznych determinują wielkość i typ atomowych momentów magnetycznych, które z kolei determinują własności magnetyczne wszystkich materiałów (różne typy magnetyzmów).

[edytuj] Rodzaje magnetyzmów

Znanych jest kilkanaście typów magnetyzmów:

• diamagnetyzm

• paramagnetyzm

• ferromagnetyzm

• antyferromagnetyzm

• ferrimagnetyzm

• metamagnetyzm

• ferromagnetyzm zarodkowy

• superparamagnetyzm

• aspereomagnetyzm

• helimagnetyzm

• szkło spinowe

• mikromagnetyzm

• sperimagnetyzm

[edytuj] Ładunek elektryczny w ruchu

Jeśli cząstka o ładunku elektrycznym q porusza się z prędkością v w polu indukcji magnetycznej B to oddziaływuje na nią siła F:

Ponieważ w równaniu występuje iloczyn wektorowy siła jest skierowana prostopadle zarówno do kierunku ruchu cząstki jak i kierunku linii indukcji magnetycznej. Pole magnetyczne (czy też raczej indukcja magnetyczna, tak jak w równaniu powyżej) działające na naładowaną cząstkę, pomimo tego że powoduje powstanie siły, nie wykonuje żadnej pracy - tor cząstki może zostać tylko zakrzywiony, ale cząstki nie może zostać ani przyspieszona ani zwolniona. Właściwość ta jest wykorzystana w cyklotronach.

[edytuj] Materiały magnetyczne

Wszyskie znane pierwiastki, związki chemiczne i materiały mogą zostać sklasyfikowane na podstawie ich własności magnetycznych. Co więcej, każdy pierwiastek chemiczny wykazuje jeden z czterech podstawowych typów magnetyzmu: diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm lub ferrimagnetyzm.

Największe znaczenie praktyczne mają ferromagnetyki, które można podzielić na materiały magnetycznie twarde (używane jako magnesy trwałe), miękkie (magnetyczne rdzenie tranformatorów i silników) oraz półtwarde (magnetyczne nośniki analogowych i cyfrowych danych).

Paramagnetyzm

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Paramagnetyzm - zjawisko polegające na porządkowaniu się większości spinów elektronów ciała zgodnie z liniami zewnętrznego pola magnetycznego. Właściwości paramagnetyczne posiadają substancje o niesparowanych elektronach. Substancja taka, tzw. paramagnetyk jest przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk.

Paramagnetyki mają przenikalność magnetyczną μ niewiele większą od jedności. Dla ferromagnetyków μ jest wielokrotnie większe od 1.

Przykłady paramagnetyków:

• tlen O₂

• aluminium

• platyna

Ferromagnetyzm

[edytuj]

Z Wikipedii

Skocz do: nawigacji, szukaj

Ferromagnetyzm jest zjawiskiem, w którym materia wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań spotykanych w życiu codziennym. Razem z ferrimagnetyzmem jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych (jak i zauważalnego przyciągania innych ferromagnetycznych metali przez magnesy trwałe).

Spis treści [pokaż] 1 Materiały ferromagnetyczne 2 Wyjaśnienie fizyczne 2.1 Atom jako dipol magnetyczny 2.2 Domeny magnetyczne 2.3 Ferromagnetyk w polu magnetycznym 2.4 Punkt Curie 3 Niezwykły ferromagnetyzm 4 Zobacz również

[edytuj] Materiały ferromagnetyczne

Materiał	Temp. Curie(K)
Co	1388
Fe	1043
FeOFe2O3	858
NiOFe2O3	858
CuOFe2O3	728
MgOFe2O3	713
MnBi	630
Ni	627
MnSb	587
MnOFe2O3	573
Y3Fe5O12	560
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Dy	88
EuO	69
Zestawienie krystalicznych materiałów ferromagnetycznych wraz z ich temperaturą Curie w kelwinach. (Kittel, s. 449.)

Materiały, które wykazują ferromagnetyzm zwane są ferromagnetykami. Jest bardzo dużo ich krystalicznych przedstawicieli: żelazo, kobalt, nikiel oraz w niższych temperaturach również gadolin, terb, dysproz, holm i erb wśród pierwiastków oraz wiele stopów i związków chemicznych. Tabela po prawej ukazuje reprezentatywną ich listę, wraz z punktami Curie - temperaturami, powyżej których tracą one właściwości ferromagnetyczne.
Ferromagnetyczne stopy metali, których składniki w czystej formie nie wykazują ferromagnetyzmu, nazywane są stopami Heuslera.

Można również wytworzyć amorficzny (niekrystaliczny, bezpostaciowy) ferromagnetyczny stop metaliczny poprzez bardzo szybkie ochłodzenie płynnego stopu, co skutkuje niemal izotropowymi własnościami magnetycznymi. W zależności od składu chemicznego i obróbki cieplnej amorfiki mogą wykazywać bardzo niską koercję (np. poniżej 1 A/m), wysoką względną przenikalność magnetyczną (do wartości 10⁶) oraz małą stratność właściwą z uwagi na niewielką grubość taśmy (co ogranicza prądy wirowe). Typowym takim materiałem jest stop metali przejściowych (zazwyczaj Fe, Co czy Ni, 80%) z półmetalami (B, C, Si, P), obniżającymi temperaturę topnienia stopu i ułatwiającymi osiągnięcie fazy amorficznej.
Jednym z przykładów takiego amorficznego stopu jest komercyjny stop Vitrovac 6025 (Co₆₆Fe₄Mo₂B_11.5Si_16.5) z temp. Curie 483 K i magnetyczną polaryzacją nasycenia 0.55 T w temp. pokojowej (dla porównania: czyste żelazo: 1043K i 2.15 T).

[edytuj] Wyjaśnienie fizyczne

[edytuj] Atom jako dipol magnetyczny

Spin elektronu, oraz jego orbitalny moment pędu, wytwarza magnetyczny moment dipolowy. Elektron w ruchu, jako obdarzony ładunkiem elektrycznym, wytwarza pole magnetyczne. W mechanice klasycznej ten układ odpowiada kulce, posiadającej ujemny ładunek elektryczny, krążącej wokół własnej osi (spin) oraz krążącej wokół jądra posiadającego dodatni ładunek elektryczny. Oba zjawiska podobnie jak kołowy przewodnik z prądem wytwarzają pole magnetyczne, ale elektron jako cząstka kwantowa posiada wyraźne różnice - spin może przyjmować tylko dwie wartości (umownie określane jako góra i dół), a orbitalny moment magnetyczny przyjmuje tylko określone wartości. W wielu materiałach (ściślej tych, które posiadają zapełnione powłoki elektronowe) całkowity moment dipolowy wszystkich elektronów wynosi zero (tzw. sparowanie - taka sama liczba spinów góra i dół powoduje wzajemne znoszenie się ich momentów). Jedynie atomy z częściowo zapełnioną powłoką (niesparowanymi spinami) posiadają wypadkowy moment magnetyczny różny od zera. Dipole te ustawiają się równolegle do linii zewnętrznego pola, ale z ustawienia tego wytrącane są przez drgania termiczne. W takich materiałach wytwarza się wewnętrzne pole magnetyczne skierowane zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym. Materiały te to paramagnetyki (substancje o przeciwnych własnościach to diamagnetyki).

Wśród paramagnetyków są takie substancje w których oddziaływania między atomami powodują ustawianie sąsiednich dipoli magnetycznych w tym samym kierunku, nawet bez zewnętrznego pola magnetycznego, co sprawia że wszystkie dipole magnetyczne ustawione są w tym samym kierunku, materiały te posiadają pole magnetyczne pomimo braku zewnętrznego pola magnetycznego ( namagnesowanie spontaniczne). Drgania cieplne sieci wytrącają atomy z ich uporządkowania, aż w pewnej temperaturze zwanej temperaturą Curie drgania sieci są tak duże, że oddziaływanie atomów nie jest w stanie utrzymać jednakowego ustawienia dipoli magnetycznych, materiał przestaje być ferromagnetykiem. Utrzymanie dużych obszarów jednakowego namagnesowania wytwarza pole magnetyczne w dużym obszarze co jest stanem o bardzo dużej energii, dlatego kryształ może zmienić namagnesowanie części swoich obszarów tak by pole magnetyczne na zewnątrz ciała było jak najmniejsze, tak zachowuje się większość ferromagnetyków. Obszary o jednakowym namagnesowaniu nazywamy domenami magnetycznymi. W zależności od materiału domeny te mogą łatwo (ferromagnetyki miękkie) lub trudno (ferromagnetyki twarde) zmieniać kierunek namagnesowania oraz granice domen.

W ferromagnetykach miękkich bez obecności zewnętrznego pola magnetycznego domeny ustawiają się tak, by zminimalizować energię ciała jako całości. Wokół ciał takich pozostaje tylko niewielkie pole magnetyczne.

W ferromagnetykach twardych wykonanych w obecności silnego zewnętrznego pola magnetycznego uporządkowanie domen pozostaje nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego i nie zmienia się, te materiały znane są one jako magnesy trwałe

[edytuj] Domeny magnetyczne

Nawiązując do klasycznej teorii elektromagnetyzmu, dwa pobliskie dipole magnetyczne powinny ustawiać się w przeciwległych, tzn. antyrównoległych kierunkach, analogicznie do dwóch swobodnych magnesów (co utworzyłoby materiał antyferromagnetyczny). Jednak w ferromagnetyku, gdzie między elektronami zachodzi oddziaływanie elektrostatyczne, stan układu może być bardziej stabilny i energetycznie korzystniejszy wówczas, gdy spinowe momenty magnetyczne elektronów ustawią się w tym samym kierunku (równolegle). Ich energia elektrostatyczna zostaje obniżona i jej różnica nazywana jest energią wymiany, a całe zjawisko - wymiennym oddziaływaniem wzajemnym. Takie grupy dipoli ukierunkowanych równolegle tworzą obszary spontanicznego namagnesowania, zwane domenami magnetycznymi (obszarami Weissa). Materia w domenie jest więc całkowicie namagnesowana w jednym kierunku, zwykle wzdłuż jedenj z głównych osi krystalograficznych (w metalu).

Jednak w większej skali (po wielu tysiącach jonów) przewaga energii wymiany ustępuje na korzyść klasycznej tendencji dipoli do ustawiania się antyrównolegle. Wyjaśnia to, dlaczego nienamagnetyzowany ferromagnetyk nie posiada wypadkowego pola magnetycznego (bądź posiada niewielkie) - momenty magnetyczne wszystkich, bezładnie zorientowanych domen znoszą się, dając zerowy bądź zbliżony do zera wypadkowy moment magnetyczny całego ciała.
Przejście pomiędzy dwiema domenami, gdzie magnetyzacja zmienia kierunek, nazywane jest granicą domenową (np. granica Blocha/Néela, zależnie od tego, czy magnetyzacja zmienia się równolegle/prostopadle do powierzchni domeny) i jest stopniowym przejściem w skali atomowej (obejmuje dystans ok. 300 jonów żelaza). Istnienie domen zostało potwierdzone doświadczalnie przez N.S. Akułowa i jego zespół, mają one rozmiary liniowe rzędu 10^-5m-10^-4m.

[edytuj] Ferromagnetyk w polu magnetycznym

A więc zwykły kawałek materiału ferromagnetycznego (np. żelaza) nie posiada wypadkowego momentu magnetycznego. Jeżeli jednak zostanie on umieszczony w zewnętrznym polu magnetycznym, następuje namagnesowanie, czyli uporządkowanie domen - taki ruch ich ścianek, aby możliwie największa objętość ciała posiadała momenty magnetyczne skierowane równolegle do kierunku pola magnetycznego. Rozmiary domen początkowo namagnesowanych w kierunku zbliżonym do kierunku pola magnesującego zwiększają się kosztem innych, przyłączając sąsiednie atomy. W silnym polu domeny o innych kierunkach pierwotnego namagnesowania obracają się. Ponieważ ruch ścianek domen jest procesem skokowym, obserwuje się charakterystyczną schodkową strukturę krzywej namagnesowania w funkcji zewnętrznego pola magnetycznego (zjawisko Barkhausena).
Wewnątrz ciała ferromagnetycznego pole może setki, nawet tysiące razy przewyższać przyłożone pole zewnętrzne. Domeny pozostaną jednakowo zorientowane nawet wówczas, gdy zewnętrzne pole zostanie usunięte, tworząc trwałą magnetyzację, która, jako funkcja zewnętrznego pola jest uwidoczniona na krzywej histerezy. Jednak wypadkowa magnetyzacja może być zniszczona poprzez podgrzanie, a następnie powolne oziębienie (czyli wyżarzanie) materiału, bez wpływu zewnętrznego pola.

[edytuj] Punkt Curie

Stopień samorzutnego namagnesowania (istnienia domen), całkowity w temperaturze zera bezwzględnego, w miarę wzrostu temperatury maleje - zwiększają się termiczne oscylacje atomów, "rywalizując" z ich ferromagnetyczną tendencją do odpowiedniego ustawiania się. Kiedy temperatura przekroczy pewną, dla danego materiału ściśle określoną granicę, zwaną punktem Curie, następuje przejście fazowe drugiego rodzaju i ciało traci swe właściwości ferromagnetyczne, stając się paramagnetykiem.

Podstawy współczesnej teorii ferromagnetyzmu stworzyli, niezależnie od siebie, W. Heisenberg oraz J.I. Frenkel.

[edytuj] Niezwykły ferromagnetyzm

W 2004r. podano do informacji, że nanopianka, odmiana alotropowa węgla, wykazuje ferromagnetyzm. Efekt ten znika po kilku godzinach w temperaturze pokojowej, ale trwa dłużej w temperaturach niższych. Materiał ten jest jednocześnie półprzewodnikiem. Uważa się, że podobnie utworzone materiały, jak np. z boru czy azotu, mogą również być ferromagnetykami.

---