Ferromagnetism
- Mitte segamini ajadaFerrimagnetismiga;ülevaateks vaataMagnetism.
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/0/08/MagnetEZ.jpg/220px-MagnetEZ.jpg)
Ferromagnetismon baasmehhanism, millega teatudmaterjalid(näiteksraud) moodustavadpüsimagneteidvõi tõmbuvadmagnetitega.Füüsikaseristatakse mitut erinevat tüüpimagnetismi.Ferromagnetism (koosferrimagnetismiga)[1]on kõige tugevamat tüüpi ja see on ainuke tüüp, mis tekitab küllalt tugevaid jõudusid, et neid tunda. Muud ained reageerivad nõrgaltparamagnetismijadiamagnetismipoolt tekitatud magnetilistele väljadele. Nende väljade jõud on nii nõrgad, et neid saab kindlaks teha ainult tundliku aparatuuriga laboratooriumis.
Igapäevane näide ferromagnetismist on külmkapimagnet, mida kasutatakse märkmete hoidmiseks külmkapi uksel. Magneti ja ferromagneetiku vaheline tõmme on "magnetismi esimene ilmne omadus antiikmaailmale ja meile tänapäeval".[2]
Püsimagnetid (materjalid, mida saab magnetiseerida välisemagnetväljapoolt ja mis püsivad magnetiseerunud pärast välise välja eemaldamist), on kas ferromagneetikud või ferrimagneetikud, nagu ka materjalid, mis nähtavalt nende poole tõmbuvad. Üksikud ained on ferromagneetikud. Neist tuntumad on raud,nikkel,koobaltja suurem osa nende sulameid, mõned haruldastemuldmetallideühendid ja mõned looduslikult esinevad mineraalid nagu magnetiseerunudmagnetiit.
Ferromagnetism on väga tähtis tööstuses ja modernses tehnoloogias ning on aluseks paljudele elektrilistele ja elektromehaanilistele seadmetele nagu näitekselektromagnetid,elektrimootorid,elektrigeneraatorid,transformaatoridja magnetsalvestuses nagu näiteksmagnetofonidjakõvakettad.
Ajalugu ja eristus ferrimagnetismist
[muuda|muuda lähteteksti]Ajalooliselt onferromagnetiksnimetatud iga materjali, millel oli omadus iseeneslikult magneetuda: summaarne magnetmoment välise magnetvälja puudumisel. See üldine definitsioon on siiamaani tavakasutuses. Viimasel ajal on kindlaks tehtud eri klassi iseeneslikku magnetiseerumist juhul, kui esineb rohkem kui üks magnetiline ioon elementaarraku kohta materjalis. Sellest tuleneb "ferromagnetismi" rangem definitsioon, mida kasutatakse ferrimagnetismist eristamiseks. Materjal on "ferromagneetik" täpsemas mõttes ainult, kuikõikmagnetilised ioonid annavad positiivse panuse summaarsesse magnetiseerumisse. Kui osad magnetilised ioonidvähendavadsummaarset magnetiseerumist (kui nad on osaliseltvastupidisuunatud), siis on materjalferrimagneetik.[3]Kui joondunud ja vastupidi joondunud ioonide momendid on täielikus tasakaalus, nii et summaarne magnetiseerumus oleks null olenemata magnetilisest korrastatusest, siis on aineantiferromagneetik.Need joondumise efektid toimuvad ainult allpool teatud kriitilisttemperatuuri,mida kutsutakseCurie temperatuuriks(ferromagneetikute ja ferrimagneetikute puhul) võiNeeli temperatuuriks(antiferromagneetikute puhul).
Ferromagnetismi uuringute aluseks onAleksandr Stoletovimõõtmised ferromagneetikutemagnetilisest läbitavusest,tuntud kuiStoletovi kõver.
Ferromagnetilised materjalid
[muuda|muuda lähteteksti]Materjal | Curie temp. (K) |
---|---|
Co | 1388 |
Fe | 1043 |
Fe2O3* | 948 |
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 |
Paremal olevas tabelis on valik ferromagnetilisi ja ferrimagnetilisi ühendeid koos nende temperatuuridega, millest kõrgemal nad ei magnetiseeru iseeneslikult (vaataCurie temperatuur).
Ferromagnetilised omadused ei sõltu ainult keemilisest koostisest, vaid ka kristallstruktuurist ja mikroskoopilisest korrastatusest. Ferromagnetiliste omadustega sulamid, mille koostises pole ferromagneetikuid, kutsutakseFritz HeuslerijärgiHeusleri sulamiteks.Vastupidi on olemas magnetiliste omadusteta sulameid, mis koosnevad ainult ferromagnetilistest metallidest, näiteksroostevaba teras.
Amorfseid (mittekristallilisi) ferromagnetilisi metallisulameid saab teha järsukarastamisega(jahutamine) vedelast sulamist. Nende sulamite omadused on isotroopilised (ei ole määratud kristalli suunaga); tulemuseks on madal koertsitiivsus, madalhüstereesikaotus, suur läbilaskvus ja kõrge elektriline takistus. Tüüpiliseks näiteks on ülemineku metall-poolmetall sulam, mis koosneb 80% üleminekumetallidest (tavaliselt Fe, Co või Ni) ja poolmetallist (B,C,Si,PvõiAl), mis alandab sulamistemperatuuri.
Suhteliselt uus klass tugevaid ferromagneetikutest materjale onharuldased muldmetallid.Nad sisaldavadlantanoide,mis on tuntud oma võime poolest omada suurt magnetilist momenti hästi lokaliseeritud f-orbitaalil.
Aktinoididest ferromagneetikud
[muuda|muuda lähteteksti]Teatudaktinoidideühendid on toatemperatuuril ferromagneetikud või muutuvad ferromagneetikuteks allpool Curie temperatuuri (TC).PuPon üks selliseid aktinoidi ühendeid, mis on toatemperatuuril paramagneetik ja omabkuubilist sümmeetriat,kuid jahutamisel alla Tc= 125 K muutub kristallvõretetragonaalseks.PuP soositav telg on <100>,[5]seega
5 K juures.[6]Kristallvõre muutus tuleneb nähtavasti magnetoelastilistest vastasmõjudest põhjustatud pingetest, kuimagnetilistes domeenidesmagnetilised momendidjoonduvad paralleelselt.
NpFe2soositav telg on <111>.[7]Kui TCon üle ~500 K on NpFe2paramagnetiline ja kuubiline. Jahutades alla Curie temperatuuri omastab rombilise moonutuse, kus nurk muutub 60°-st (kuubilises faasis) 60,53°-ks. Moonutust saab alternatiivselt kirjeldada, kui arvestame kolmnurkse telje pikkust (pärast moonutuse algust) c ja c tasandiga risti olevat kaugust a. Kuubilises faasis taandub= 1.00. Curie temperatuurist allpool
mis on suurim pinge aktinoidide ühendites.[6]NpNi2läbib samasuguse kristallvõre muutuse allpool TC= 32 K, kus pinge on (43 ± 5) × 10−4.[6]NpCo2on ferrimagneetik allpool 15 K.
Gaasiline liitium
[muuda|muuda lähteteksti]2009. aastal demonstreerisid MIT (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut) füüsikud, et alla ühe kelvini jahutatud gaasilineliitiumon ferromagneetik.[8]Meeskond jahutasfermioniliseliitium-6 alla 150 miljardiku kelvinist absoluutsest nullist kõrgemale, kasutades infrapuna laserjahutust. Katses demonstreeriti esimest korda gaasi, mis on ferromagneetik.
Seletus
[muuda|muuda lähteteksti]Bohr-van Leeuweni teoreemnäitab, et magnetism ei saa esineda puhtalt klassikalistes tahkistes. Ilmakvantmehaanikatapoleks diamagnetismi, paramagnetismi ega ferromagnetismi. Ferromagnetismi omadused tulenevad otseselt kahest kvantmehaanika efektist:spinnistjaPauli printsiibist.[9]
Magnetismi päritolu
[muuda|muuda lähteteksti]Elektroniüks fundamentaalomadustest (peale laengu) on dipoolmomendi omamine, ta käitub kui väike magnet. Dipoolmoment tuleneb kvantmehaanilise spinni omamisest. Spinni kvantmehaaniline iseloom laseb elektronil olla kahes olekus, kus magnetväli saab olla kas "üles" või "alla". Aatomis olevate elektronide spinn on peamine põhjus ferromagnetismiks, lisaks omab mõjutuumaümber tiirlevate elektronideorbitaalideimpulsimomendid.Kui elektronide magnetdipoolid joonduvad samas suunas, siis nende magnetväljad annavad kokku mõõdetava makroskoopilise välja. Täidetudelektronkihigamaterjalis elektronide summaarne dipoolmoment on null, sest spinnid on üles/alla paarides. Ainult osaliselt täidetud elektronkihtidega aatomid saavad omada summaarset magnetmomenti, seega ferromagnetism esineb ainult materjalides, millel on osaliselt täidetud elektronkihid.Hundi reeglistlähtuvalt esimesed elektronid elektronkihis omavad samasuunalist spinni suurendades summaarset dipoolmomenti. Paaritud dipoolid (mida tihti kutsutakse "spinnideks", kuigi neil on tavaliselt impulsimoment olemas) joonduvad tavaliselt paralleelselt välise magnetväljaga, seda nähtust kutsutakse paramagnetismiks. Ferromagnetismi puhul on üks nähtus lisaks: dipoolid joonduvad iseeneslikult isegi välise välja puudumisel, põhjustades iseeneslikku magneetumist.
Elektronide vahetuse vastasmõju
[muuda|muuda lähteteksti]Klassikaliseelektromagnetismijärgi kaks lähestikust dipooli joonduvad vastupidistes suundades, selle tõttu magnetväljad on teineteise suhtes vastupidised ja tühistavad teineteist. See efekt on üksikute spinnide puhul väga nõrk, kuna üksikute spinnide tekitatud magnetväljad on nõrgad ja nendest põhjustatud liikumised on kergesti hävitatavad soojusliikumise poolt. Mõnedes materjalides on spinnide vahel olemas palju tugevam jõud, mis tuleneb spinni suuna muutumisel naaberelektronide vaheliseelektrostaatilisetõukumise muutusest, mida põhjustabkvantmehaanilineefekt nimega elektronide vahetuse vastasmõju. Vahetuse vastasmõju on palju tugevam kui dipool-dipool magnetiline vastasmõju väikestel vahemaadel. Selle tõttu ferromagneetikutes lähedased spinnid kipuvad joonduma samas suunas. Vahetuse vastasmõju on seotudPauli printsiibiga,mis ütleb, et kaks sama spinniga elektroni ei saa omada sama asukohta. Seetõttu teatud tingimustes, kui mittepaardunudvalentselektronideorbitaalidnaaberaatomitel kattuvad, on paralleelsete spinnidega elektronide puhul elektriline laeng rohkem laiali jaotatud, kui vastassuunaliste spinnidega elektronide puhul. See vähendab paralleelsete spinnidega elektronide elektrostaatilist energiat võrreldes mitteparalleelsete spinnidega elektronidega, tänu sellele paralleelsete spinnidega elektronid on stabiilsemad. Teisisõnu tõukuvad elektronid saavad liikuda teineteisest "kaugemale" kui nad joondavad spinnid samas suunas, seetõttu nende elektronide spinnid joonduvad ühes suunas. Erinevust energias nimetatakse vahetusenergiaks.
Materjale, kus vahetuse vastasmõju on palju tugevam, kui võistlev dipool-dipool vastasmõju, kutsutakse tihti "magnetmaterjalideks". Näiteks rauas (Fe) on vahetuse vastasmõju umbes 1000 korda tugevam kui dipool-dipool vastasmõju. Seega peaaegu kõik dipoolid ferromagneetikus on joondunud alla Curie temperatuuri. Vahetuse vastasmõju põhjustab iseeneslikke aatomite magnetmomentide korrastumisi ka magnetilistes tahkistes,antiferromagnetismisja ferrimagnetismis.
On erinevad vahetuse vastasmõju mehhanismid, mis tekitavad magnetismi erinevates ferromagnetilistes, ferrimagnetilistes ja antiferromagnetilistes ainetes. Nende mehhanismide hulka kuuluvad otsene vahetus, RKKY vahetus, topelt vahetus ja supervahetus.
Magnetiline anisotroopsus
[muuda|muuda lähteteksti]Kuigi vahetuse vastasmõju joondab spinnid, siis ta ei joonda neid kindlas suunas. Ilma magnetiliseanisotroopsusetaspinnid magnetis muudavad soojusliikumise tõttu suvaliselt suunda ja magnet on superparamagnetiline.
On mitut tüüpi magnetilist anisotroopsust, kõige tavalisem on magneetokristalliline anisotroopsus. See on energia sõltuvus magnetisatsiooni suunastkristallvõre suhtes.Teine tavaline anisotroopia põhjus on piesomagnetism, mida põhjustab siseminepinge.Ühe-domeensetel magnetitel võib ka ollakuju anisotroopia,mida põhjustavad osakese kuju magnetostaatilised efektid. Temperatuuri tõustes magneti anisotroopia väheneb ja tihti esineb üleminekutemperatuur, kus magnet muutub superparamagneetikuks.[10]
Magnetilised domeenid
[muuda|muuda lähteteksti]![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c8/Electromagnetic_dynamic_magnetic_domain_motion_of_grain_oriented_electrical_silicon_steel.gif/220px-Electromagnetic_dynamic_magnetic_domain_motion_of_grain_oriented_electrical_silicon_steel.gif)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/a/a5/Non_Oriented_Electrical_Silicon_Steel.png/220px-Non_Oriented_Electrical_Silicon_Steel.png)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/9/93/Magnetic_domains_of_non_oriented_silicon_or_electrical_steel.png/220px-Magnetic_domains_of_non_oriented_silicon_or_electrical_steel.png)
![](https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/0/05/Weiss-Bezirke1.png)
Eelneva põhjal võiks öelda, et kõik ferromagneetikud peaksid omama tugevat magnetvälja, kuna kõik spinnid on joondunud, kuid raud ja teised ferromagneetikud on tihti "mittemagneetunud" olekus. Selle põhjuseks on ferromagneetikust materjali jagunemine väikesteks "magnetilisteks domeenideks".[11]
Igas domeenis on spinnid joondunud, kuid kui ainehulk on madalamais energia olekus ehkmittemagneetunud,siis eraldi domeenide spinnid on joondunud eri suundades ja nende magnetilised välja tühistavad teineteist ning esemel ei ole summaarset tugevat magnetvälja.
Ferromagneetikutest materjalid iseeneslikult jagunevad domeenideks kunavahetuse vastasmõjuon väikse mõjualaga jõud, seega üle pikemate, mitme aatomiliste vahemaade, hakkab mõjuma dipool-dipool vastasmõju, mis vähendab energiat joondudes vastupidises suunas. Ferromagnetilise materjali ühes osas paralleelselt joondunud dipoolid tekitavad tugeva magnetvälja, mis ulatub ruumi nende ümber. See väli omab suurt magnetostaatilist energiat. Materjal saab vähendada seda energiat jaotudes paljudeks eri suundadesse joondunud domeenidesse. Tänu sellele tekivad lokaalsed magnetväljad materjalis, mis vähendavad summaarset magnetvälja. Domeene eraldavad peenikesed domeeniseinad, mis on mõne molekuli paksused ja kus dipoolide magneetumus pöördub sujuvalt ühe domeeni suunast teise.
Sellepärast madalaimas energeetilises olekus omab ( "mittemagneetunud" ) rauatükk väikest magnetvälja või ei oma seda üldse. Küllalt tugevas välises magnetväljas hakkavad domeenide seinad liikuma nii, et järjest rohkem dipoole oleks joondatud välise väljaga. Välise välja eemaldamisel jäävad domeenid joondunuks, tekitades oma magnetvälja materjali ümbrusse, materjal muutus püsimagnetiks. Domeenid ei lähe algolekusse tagasi välise välja eemaldamisel, kuna domeenide seinad kinnistuvad kristallvõre defektidesse, säilitades paralleelse suuna. Seda näitabBarkhauseni efekt:magnetiseerivat välja muutes magneetumus muutub paljude väikeste hüpetena, domeeni seinad mööduvad järsult defektidest.
Magneetumust funktsioonina välisest väljast kirjeldabhüstereesisilmus.Kuigi üheselt joondunud domeenid ferromagneetikus ei ole minimaalse energiaga olek, on see metastabiilne ja saab püsida pikka aega. Näiteksmagnetiitmere põhjas, mis on säilitanud magneetumuse miljoneid aastaid.
Tugevaimate püsimagnetite jaoks kasutatakse sulameid, kus on palju defekte kristallstruktuuris, kuhu domeenide seinad kinnistuvad. Magneetumust saab hävitada kuumutamise ja seejärel jahutamisega (lõõmutamine) ilma välise väljata. Soojusliikumine laseb domeeni seintel liikuda, vabastades nad defektidest ning naasta madala energiaga olekusse.
Curie punkt
[muuda|muuda lähteteksti]Pikemalt artiklisCurie punkt
Temperatuuri tõustes hakkab soojusliikumine võientroopiavõistlema dipoolide joondumisega ferromagneetikus. Kui temperatuur tõuseb üle Curie punkti, toimub teisejärgulinefaasisiire,misjärel süsteem ei suuda hoida iseeneslikku magneetumust, kuid reageerib paramagnetiliselt välisele väljale. Allapoole Curie punkti toimub iseeneslik sümmeetria lagunemine ja magnetmomendid joonduvad naabrite omadega. Curie punkt onkriitiline punkt,kus magnetiline vastuvõtlikkus on teoreetiliselt lõpmatu ja kuigi pole summaarset magneetumust, siis domeenisarnased spinnide korrelatsioonid esinevad kõigis suurusjärkudes.
Viited
[muuda|muuda lähteteksti]- ↑Chikazumi 2009,lk 118
- ↑Richard M. Bozorth,Ferromagnetism,first published 1951, reprinted 1993 byIEEEPress, New York as a "Classic Reissue."ISBN 0-7803-1032-2.
- ↑Herrera, J. M.; Bachschmidt, A, Villain, F, Bleuzen, A, Marvaud, V, Wernsdorfer, W, Verdaguer, M (13. jaanuar 2008). "Mixed valency and magnetism in cyanometallates and Prussian blue analogues".Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences.366(1862): 127–138.DOI:10.1098/rsta.2007.2145.
{{cite journal}}
:CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) - ↑Kittel, Charles(1986).Introduction to Solid State Physics(sixth ed.).John Wiley and Sons.ISBN0-471-87474-4.
- ↑Lander GH, Lam DJ (1976). "Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state".Phys Rev B.14(9): 4064–7.Bibcode:1976PhRvB..14.4064L.DOI:10.1103/PhysRevB.14.4064.
- ↑6,06,16,2Mueller MH, Lander GH, Hoff HA, Knott HW, Reddy JF (aprill 1979)."Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe2,and NpNi2"(PDF).J Phys Colloque C4, supplement.40(4): C4–68–C4–69.
{{cite journal}}
:CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) - ↑Aldred AT, Dunlap BD, Lam DJ, Lander GH, Mueller MH, Nowik I (1975). "Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn2,NpFe2,NpCo2,and NpNi2".Phys Rev B.11(1): 530–44.Bibcode:1975PhRvB..11..530A.DOI:10.1103/PhysRevB.11.530.
{{cite journal}}
:CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) - ↑G-B Jo, Y-R Lee, J-H Choi, C. A. Christensen, T. H. Kim, J. H. Thywissen, D. E. Pritchard, and W. Ketterle (2009). "Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms".Science.325(5947): 1521–1524.Bibcode:2009Sci...325.1521J.DOI:10.1126/science.1177112.PMID19762638.
{{cite journal}}
:CS1 hooldus: mitu nime: autorite loend (link) - ↑Feynman, Richard P.; Robert Leighton, Matthew Sands (1963).The Feynman Lectures on Physics, Vol.2.USA: Addison-Wesley. Lk Ch. 37.ISBN0-201-02011-4H.
{{cite book}}
:kontrolli parameetri|isbn=
väärtust: invalid character (juhend) - ↑Aharoni, Amikam(1996).Introduction to the Theory of Ferromagnetism.Clarendon Press.ISBN0-19-851791-2.Originaaliarhiivikoopia seisuga 29. juuni 2011.Vaadatud 5. jaanuaril 2013.
- ↑Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton, Matthew Sands (1963).The Feynman Lectures on Physics, Vol. I.USA: California Inst. of Technology. Lk 37.5–37.6.ISBN0-201-02117-XP.
{{cite book}}
:kontrolli parameetri|isbn=
väärtust: invalid character (juhend)
Kirjandus
[muuda|muuda lähteteksti]- Ashcroft, Neil W.; Mermin, N. David (1977).Solid state physics(27. repr. ed.). New York: Holt, Rinehart and Winston.ISBN978-0-03-083993-1.
- Chikazumi, Sōshin (2009).Physics of ferromagnetism.English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr (2nd ed.). Oxford: Oxford University Press.ISBN9780199564811.
- Jackson, John David (1998).Classical electrodynamics(3rd ed.). New York: Wiley.ISBN978-0-471-30932-1.
- E. P. Wohlfarth, ed.,Ferromagnetic Materials(North-Holland, 1980).
- "Heusler alloy,"Encyclopædia Britannica Online,retrieved Jan. 23, 2005.
- F. Heusler, W. Stark, and E. Haupt,Verh. der Phys. Ges.5,219 (1903).
- S. VonsovskyMagnetism of elementary particles(Mir Publishers, Moscow, 1975).
- Tyablikov S. V.(1995):Methods in the Quantum Theory of Magnetism.Springer; 1st edition.ISBN 0-306-30263-2.
Välislingid
[muuda|muuda lähteteksti]- Electromagnetismpeatükk ingliskeelsest õpikust
- Ferromagnetismeestikeelne konspekt ferromagnetismist
- Sandeman, Karl (jaanuar 2008)."Ferromagnetic Materials".DoITPoMS.Dept. of Materials Sci. and Metallurgy, Univ. of Cambridge.Vaadatud 27.08.2008.Detailed nonmathematical description of ferromagnetic materials with animated illustrations