Magnetne osobine materijala

MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE


Opte o magnetnim osobinama

Dijamagnetizam

Paramagnetizam

Fero, feri i antiferomagnetizam

Poreenje elektrinih i magnetnih osobina

MAGNETIZAM MAGNETIZAM ISTORIJATISTORIJAT

Re magnetizam potie od grke rei za izvestan tip minerala koji sadri oksid gvoa (Fe3O4, magnetit), koji je pronaen u Magneziji (Grka) pre vie od 2000 godina.

Osobine ovog minerala: deluje silom

na sline materijale i moe preneti tu osobinu na komad gvoa dodirom.

MAGNETIZAM MAGNETIZAM ISTORIJATISTORIJAT

Prva nauna studija magnetizma potie od Wilijema Gilberta, koji je 1600. publikovao knjigu O magnetu.

1820. Hans Kristian Ersted zapazio da elektrina struja proizvodi magnetno polje.

1825. napravljen prvi elektromagnet.

1831. Majkl Faradej i Dozef Henric su nezavisno pokazali da promenljivo magnetno polje proizvodi elektrinu struju u ici koja se nalazi u tom polju (otkrie elektromagnetne indukcije).

IZVOR MAGNETNOG POLJAIZVOR MAGNETNOG POLJA

Izvor magnetnog polja je naelektrisanje u kretanju!

Razumevanje izvora polja koje stvara ipka magneta lei u

razumevanju struja na atomskom nivou.


Analogija izmeu magnetnih i elektrinih osobina.

Magnetne osobine izazvane naelektrisanjem u kretanju, a

elektrine deformacijom naelektrisanja.

Tri vrste ponaanja:

dijamagnetizam

paramagnetizam

feromagnetizam, ferimagnetizam, antiferomagnetizam

MAGNETMAGNETNI MOMENTINI MOMENTI

Magnetni momenat atoma (mp)

mp = IA [Am2]

B Bohr-ov magneton

(najmanja koliina magnetnog momenta)

B = eh/4 me = 0,927410-27 Am2

mp

MAGNETNI MOMENTIMAGNETNI MOMENTI

Tri izvora magnetnih momenata atoma:

elektronski spinski momenat (paramagnetizam)

elektronski orbitalni momenat (paramagnetizam)

promena orbitalnog momenta, indukovana primenjenim magnetnim poljem (dijamagnetizam)

MAGNETNA PERMEABILNOSTMAGNETNA PERMEABILNOST

Relativna magnetna propustljivost (permeabilnost)

pokazuje tenju magnetnih linija sile da prou kroz datu

sredinu u odnosu na vakuum: r = / 0.

permeabilnost vakuuma:

0 = 410-7 Vs/Am = 1,256610-6 N/A2

dijamagnetici: r < 1

paramagnetici: r > 1

MAGNETNA SILAMAGNETNA SILA

2

21

04

1

r

mmF

r

m1, m2 magnetni momenti (dipoli) r rastojanje izmeu magnetnih momenata

MAGNETIZACIJA I SUSCEPTIBILNOSTMAGNETIZACIJA I SUSCEPTIBILNOST

Magnetizacija i susceptibilnost se takoe koriste za

kvantitativno izraavanje magnetnih osobina.

Magnetizacija datog uzorka se sastoji od unutranjih

magnetizacija (susceptibilnosti ) i spoljanjeg polja :

= r-1 analogno e = r-1

m

A

m

Am

V

m

M ii

3

2

HM

MAGNETNA SUSCEPTIBILNOSTMAGNETNA SUSCEPTIBILNOST

Postoje tri tipa susceptibilnosti:

zapreminska susceptibilnost, = / [bezdim.]

masena susceptibilnost, mas= / [cm3/g]

molarna susceptibilnost, m=Vm [cm3/mol]

m = Vm = (M / ) = M mas

Najee se koristi molarna susceptibilnost.

esto je = f ( ) komplikacija!

MAGNETNT SUSCEPTIBILNOSTI (298K)MAGNETNT SUSCEPTIBILNOSTI (298K)

Supstancija / (106) m / (104 cm3 mol1)

H2O

C6H6

NaCl() Cu() Hg(t)

CuSO4H2O() Al() Pt() Na()

90,0

7,2

13,9

96,0

28,5

+176,0

+22,0

+262,0

+7,3

16,0

6,4

3,8

6,8

4,2

+192,0

+2,2

+22,8

+1,7

EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (1)MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (1)

Gujova vaga

SQUID (Superconucting Quantum Interference Device)

EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (2)MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (2)

Kvikeov metod

OSNOVE MAGNETIZMAOSNOVE MAGNETIZMA

Magnetna idnukcija gustina magnetnog fluksa

U vakuumu = 0. H je uzrok, a je posledica u sredini.

MHHHHHHBAm

NTB

r

0000 1

MAGNETOHEMIJAMAGNETOHEMIJA

Dijamagnetizam (r0)

+110-4 < m < +110-1 cm3/mol

Spoljanje polje je pojaano

Atomi/joni/molekuli sa nepopunjenim ljuskama / nesparenim elektronima

dijamagnetizam (unutranji e-) + paramagnetizam (valentni e-)

MAGNETOHEMIJAMAGNETOHEMIJA

Feromagnetizam (r>>1, m>>0)

m do +110+6 cm3/mol

Magnetni momenti paralelni

Fe, Co, Ni, Cd, Dy

Antiferomagnetizam

Periodino paralelne i antiparalelne raspodele (susedni magnetni momenti identini po apsolutnoj vrednosti)

Cr, FeO, MnO

Ferimagnetizam

Periodino paralelne i antiparalelne raspodele (susedni magnetni momenti nisu identini po apsolutnoj vrednosti)

Magnetit Fe3O4, gvoe(II,III) oksid

Molarna susceptibilnost elemenata

MAGNETNA PERMEABILNOSTMAGNETNA PERMEABILNOST

HB )1(0

TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA

U VRSTOM STANJU U VRSTOM STANJU



Dijamagnetizam

Paramagnetizam



DIJAMAGNETNE SUPSTANCIJEDIJAMAGNETNE SUPSTANCIJE

popunjene elektronske ljuske magnetni momenat nula

inertni gasovi (He, Ne, Ar)

poliatomski gasovi (H2, N2)

jonski kristali (NaCl: Na+, Cl-)

materijali sa kovalentnom vezom (C-dijamant, Si, Ge)

skoro sva organska jedinjenja

Susceptibilnost ne zavisi od temperature!

vakuum

dijamagnetik

LENCOVO PRAVILOLENCOVO PRAVILO

Pravilo za odreivanje smera indukovane struje:

Indukovana struja ima takav smer, da tei poniteju svog

nastanka.

Strujna kontura reaguje na promenu magnetnog polja

stvaranjem sopstvenog magnetnog polja (indukovane

struje).

Dijamagnetizam!

PRECESIJAPRECESIJA

TEORIJA DIJAMAGNEIZMATEORIJA DIJAMAGNEIZMA

Klasina Lanevenova teorija

Kada se primeni magnetno polje, magnetni momenti elektrona

precesuju oko pravca polja, usled ega se u atomu indukuje

magnetni momenat mi:

Sfernosimetrian atom

I

mi

ri

TEORIJA DIJAMAGNETIZMATEORIJA DIJAMAGNETIZMA


Posmatra se atom koji ima Z elektrona.

HmNV

HVmN

HmVnNHmVNHNmHM

HM

iAmm

miA

iAitoti

/

/

//////

BmN iAm /0



e

i

ei

i

m

eLm

vrmLqvr

m

dqvr

dt

lddqr

ldr

dt

dqldrIAIdAIm

2

2

22

22


Klasina Lanevin-ova teorija

j

j

e

ijj

e

j

j

i

j

j

ej

jL

e

j

jLe

i

e

L

LeLee

e

i

rm

Bemrr

m

rBe

m

rm

Be

e

r

m

erm

m

m

eB

rmLrmvrmL

m

Lqm

22

22

22

22

22

22

63

2

4

2

2

22

2

2



BmN iAm /0

j

j

e

Am r

m

eN 22

0

6

j

j

e

i rm

Bem

22

6


Slaganje izraunatih i

izmerenih vrednosti nije

idealno, ali je u okviru

reda veliine.

Klasina Lanevinova

i kvantna teorija dijama-

gnetizma daju isti rezultat.

Tf



Dijamagnetizam

Paramagnetizam



PARAMAGNETNE SUPSTANCIJEPARAMAGNETNE SUPSTANCIJE

nepopunjene ljuske / nespareni elektroni magnetni

momenat ima konanu vrednost

soli prelaznih elemenata

elementi retkih zemalja

soli i oksidi retkih zemalja

metali (Al, Cr)

Susceptibilnost opada sa porastom temperature! T

C

TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA

Klasina Lanevenova teorija kao kod polarnih materijala

nema polja,

=0

primenjeno polje,

niska temperatura

primenjeno polje,

visoka temperatura

Klasina Lanevenova teorija kao kod elektrinih osobina


cosBmU



broj momenata u prostornom uglu izmeu i +d je dN

bez polja: dN d

sa poljem: dNB d Boltzmann-ov faktor

dkT

BmA

kT

UdAdNB sin)

cosexp(2)exp(

cos

akT

Bm

0)sin2(cos

cos

dmAem kTmB

B

B

Bi

N

mm



Lanevenova funkcija

1

1

1

1

de

demm

a

a

i

)(1

coth1

aLa

aaee

ee

m

maa

aa

i



945

2

453)(

53aaa

aL

malo a a

veliko a saturacija


Klasina teorija:

m magnetni momenat materijala

Momenat po molu:

A

mA

m

iAmmmm

i

N

kTm

kT

mN

B

mNV

B

MV

H

MV

kT

Bmm

0

2

0

00

2

3

3

3

TRTkTN

mNM mmmA

A

83,2

33

00


Kvantna teorija

Centralni postulat: energija sistema je diskretna.

klasini sluaj kvantiranost

J=1/2 J=2


Kvantna teorija

ukupni angularni momenat spina

ukupni angularni momenat elektrona

ukupni angularni momenat atoma

2

1;h

SSSS

2

1;h

LLLL

2

1;h

JJJSLJ

kT

NmgJJ

kT

BmgJJm

A

m3

)1(

3)1(

2

02

2

2

TEMPERATURSKA ZAVISNOST

Opte:

dijamagnetizam:

paramagnetizam: (Kirijev zakon)

Tf

T

C

T

+

-



Dijamagnetizam

Paramagnetizam



FEROMAGNETIZAMFEROMAGNETIZAM

I u odsustvu primenjenog polja magnetni dipoli tee da se

usmere u malim oblasitma, domenima. Primenom spoljanjeg

polja domeni se usmeravaju.

magnetni

domeni

meki feromagnetizam domeni se ponovo haotizuju kada se polje iskljui

tvrdi feromagnetizam

MEKI I TVRDI MAGNETIMEKI I TVRDI MAGNETI

meki magneti: transformatori,

elektromagneti, elektrini kalemovi...

tvrdi magneti: zvune i video

trake, permanentni magneti...

metalni meki magneti:

-Fe, Co, Ni i njihove legure

Fe-Si i Fe-Ni jedinjenja i njihove legure

keramiki meki magneti:

feriti: kubni oksidi spineli ili perovskiti, garneti (Y3Fe5O12)

spineli: magnetni momenti jona na tetraedarskim i oktaedarskim mestima su anti-paralelni

meki tvrdi

FEROMAGNETIZAM I TEMPERATURA

Povienje temperature dovodi do transformacije feromagnetnih u

paramagnetne materijale. Ovaj prelaz se odvija na Kirijevoj

temperaturi, TC.

supstanca TC / K

Co 1395

Fe 1033

Ni 627

CrO2 390

Gd 289

Dy 85

EuO 70

Ho 20

TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA

U VRSTOM STANJU U VRSTOM STANJU

MAGNETNO PONAANJE MATERIJALAMAGNETNO PONAANJE MATERIJALA

Magnetno ponaanje slobodnih atoma, jona ili materijala u

celini se mogu razlikovati:

atomi Ag i Cu imaju rezultujui magnetni moment i ponaaju se kao paramagnetici, dok se u masi ponaaju kao dijamagnetici

Fe2+ i Fe3+ kao i kompleksni joni nisu feromagnetni, a Fe kao metal jeste

metalni Cu i Cu+ joni su dijamagnetici, a Cu2+ joni su paramagnetici

STRUKTURNA ODREIVANJASTRUKTURNA ODREIVANJA

Paskal je pokazao da je aditivna veliina:

A atomska susceptibilnost

i susceptibilnost konstitutivnih komponenti

Ispitivanje strukture molekula.

Primer: hipofosforna kiselina ima formulu H4P2O6, a ne H2PO3.

iAm



Dijamagnetizam

Paramagnetizam



POREENJE ELEKTRINIH I MAGNETNIH POREENJE ELEKTRINIH I MAGNETNIH OSOBINAOSOBINA

Elektrine osobine

dielektrik

indukovanje elektrinih dipola atomska polarizacija ne utie T

paraelektrik

paraelektrina polarizacija za tri reda veliine vea od paramagnetne sniavanjem T paraelektrik ovrava i nema orijentacije dipola

feroelektrik

Magnetne osobine

dijamagnetik

indukovanje magnetnih momenata --- ne utie T

paramagnetik

za obe vai Lanevenova funkcija efekti se pojaavaju sniavanjem T, poto se samo orbitalni i spinski momenti orijentiu

feromagnetik

Documents

Magnetne osobine materijala