Ferromagnetyzm
Z Wikipedii, wolnej encyklopedii.
Ferromagnetyzm jest zjawiskiem, w którym materia przy niezbyt wysokich temperaturach 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 metali przez nie).
Spis treści [schowaj]
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
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 gadolin, terb, dysproz, holm i erb wśród pierwiastków oraz wiele stopów i związków chemicznych. Tabela po prawej ukazuje nam reprezentatywną ich listę, wraz z punktami Curie - temperaturami, powyżej których tracą one właściwości ferromagnetyczne /patrz niżej/.
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. Skutkuje to tym, że jego własności są niemal izotropowe, to z kolei powoduje niską koercję, wysoką przenikalność magnetyczną, wysoką rezystywność (opór właściwy). Typowym takim materiałem jest stop metali przejściowych (zazwyczaj Fe, Co czy Ni, 80%) z półmetalami (B, C, Si, P), obniżającymi temperaturę topnienia stopu.
Jednym z przykładów takiego amorficznego stopu jest Fe80B20 (Metglas 2605), z temp. Curie 647K i nasyceniem magnetycznym 125,7mT w temp. pokojowej (dla porównania: żelazo: 1043K i 170,7mT). Temperatura topnienia wynosi jedynie 714K (Fe - 1811K).
Wyjaśnienie fizyczne
Atom jako dipol magnetyczny
Spin elektronu, łączony z jego orbitalnym momentem pędu, skutkuje magnetycznym momentem dipolowym i wytwarza pole magnetyczne. Klasycznym odpowiednikiem kwantowo-mechanicznego spinu jest wirująca, elektrycznie naładowana kula, ale wersja kwantowa posiada wyraźne różnice, jak np. fakt przybierania dyskretnych wartości (jak jedynie "góra"-"dół"), podobnie jak dla ruchu orbitalnego elektronu analogiem jest prąd kołowy.
W wielu materiałach (ściślej tych, które posiadają zapełnione powłoki elektronowe) całkowity moment dipolowy wszystkich elektronów wynosi zero (sparowanie: spiny "góra"-"dół" znoszą się). 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 - substancje. W substancjach tych wytwarza się wewnętrzne pole magnetyczne skierowane zgodnie z zewnętrznym polem magnetycznym. Materiały te to paramagnetyki (substance o przeciwnych własnośćiach 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, 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.
W ferromagnetykach twardych wykonanych w obecności silnego zewnętrznego pola magnetycznego uporządkowanei domen pozostaje nawet po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego i znane są one jako magnesy trwałe
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.
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.
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 temparatura 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.
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.
Zobacz również
antyferromagnetyzm
diamagnetyzm
ferrimagnetyzm
histereza
paramagnetyzmca:Ferromagnetisme
de:Ferromagnetismus en:Ferromagnetism es:Ferromagnetismo nl:Ferromagnetisme ja:強磁性 sl:Feromagnetizem sv:Ferromagnetism