MAGNETSKI MATERIJALI
Pitanja za ponavljanje Zajedni ke karakteristike i priroda
feromagnetskih materijala. Zajedni ke karakteristike i priroda
ferimagnetskih materijala. eljezo (elektrolitsko, karbonilno,
armko). Alsiferi, perminvar. Q-metal, radiometal. Alni, alniko i
kuniko slitine. Histereza, krivulja prvog magnetiziranja. Priroda
magnetizma, Weissove domene, Blochove stijenke, Curieva temperatura
i njena uloga kod prvog magnetiziranja.
Magnetska svojstva materijala mogu e je objasniti me
udjelovanjem vanjskog magnetskog polja i magnetskih momenata atoma
i molekula. Svaki kru e i elektron mo e se nadomjestiti
ekvivalentnom malom strujnom petljom koja ome uje povr inu dS, a
elektri na struja I petlje te e suprotno od smjera kru enja
elektrona. Magnetsko polje male petlje elektri ne struje na ve oj
udaljenosti jednako je polju magnetskog dipola. Magnetski moment
dipola je:
MAGNETSKA SVOJSTVA MATERIJALA
T T T m ! n IdS ! IdSgdje je vektor normale na povr inu dS.
Rotacija elektri nog naboja oko vlastite osi (spin) mo e se
smatrati grani nim slu ajem strujne petlje ija povr ina te i nuli.
Zato je elektronu pored magnetskog momenta zbog kru nog gibanja
pridru en i magnetski moment zbog spina.
I jezgra atoma ima magnetski moment zbog spina, ali znatno
manjeg iznosa od magnetskih momenata elektrona. Ukupni magnetski
moment atoma ili molekule rezultanta je, po pravilima kvantne
mehanike, spomenutih magnetskih momenata elektrona i jezgre.dS
materijali
dijamagnetskiI n dS
Ekvivalentna mala strujna petlja
- bizmut, paramagnetski - zlato, - bakar, feromagnetski -
srebro, - germanij, antiferomagnetski - silicij, - grafit,
ferimagnetski - aluminijev oksid, itd.
PODJELA MATERIJALA S OBZIROM NA MAGNETSKA SVOJSTVAmaterijaliNije
standardna podjela, ali kao odvojene vrste spominju neki
izvori.Ovdje se odvojeno ne e razmatrati.
dijamagnetski - bizmut, paramagnetski - zlato, - bakar,
feromagnetski - srebro, - germanij, antiferomagnetski - silicij, -
grafit, ferimagnetski - aluminijev oksid, itd.
parazitski feromagnetski metamagnetski
I jezgra atoma ima magnetski moment zbog spina, ali znatno
manjeg iznosa od magnetskih momenata elektrona. Ukupni magnetski
moment atoma ili molekule rezultanta je, po pravilima kvantne
mehanike, spomenutih magnetskih momenata elektrona i jezgre.dS
Nastanak magnetizma atomska razina obja njenja
e e[ ev I! ! ! T 2T 2TrMagnetski dipolni moment elektrona zbog T
kru nog gibanja: T T
I
n dS
m ! n IdS ! IdS
Ekvivalentna mala strujna petlja Prisjetiti se prvog predavanja
o strukturi materije!!!
T ev 2 emvr e m ! IS ! rT! ! L 2Tr 2m 2m
Nastanak magnetizma atomska razina obja njenjaMagnetsko polje mo
e nastati: - ako kroz vodi te e elektri na struja, magnetsko polje
nastat e zbog gibanja elektrona, - zbog orbitalnog momenta
elektrona koji stvara magnetski dipol (prisjetiti se kvantnih
brojeva!) - zbog spinskog magnetskog momenta elektronaZbog
Paulijevog na ela isklju enja dolazi do sparivanja samo suprotno
orijentiranih spinova pa zatvorene podljuske i ljuske ne pokazuju
nikakav magnetski moment. Prisjetiti se da Paulijevo na elo ka e da
se dva elektrona ne mogu na i u istom kvantnom stanju! Popunjena
ljuska ne pridonosi magnetskom polju, jer je zbroj momenata = 0!
Stoga periodni sustav elemenata mo e pomo i pri prou avanju
magnetskih svojstava materije.
Nastanak magnetizma atomska razina obja njenjaRazmotrimo najva
niji (fero)magnetski materijal: Zna ajna karakteristika eljeza je
smje tanje elektrona u N ljusku, prije no to je M-ljuska u
cijelosti popunjena (pogledajte u 1. predavanju redosljed
popunjavanja ljuski, slide 14). esti elektron u 3d podljusci,
suprotno je orijentiran i stoga najslabije vezan za atom. Spinovi
svih vodljivih elektrona me usobno su paralelni i suprotno
orijentirani od spinova ostalih elektrona u 3d podljusci.
Posljedica je permanentni magnetski dipol!
Hundova pravila to detaljnije obja njavaju prona ite u
Literaturi ili na web-u.
Dijamagnetski materijaliNemagnetski su materijali, jer svaki
atom nema magnetski dioplni moment. Dijamagnetski materijali imaju
male i negativne vrijednosti magnetske susceptibilnosti (npr. za
bizmut -10-4). Negativna susceptibilnost zna i da je indukcija
magnetskog polja u materijalu manja nego da nema materijala. Kod
dijamagnetskih materijala promjenjivo vanjsko magnetsko polje
inducira elektri no polje koje ubrzava ili usporava elektron koji
kru i u svojoj orbiti, u ovisnosti o vanjskom magnetskom polju tako
da ukupni rezultat bude opadanje magnetskog polja. Kod
dijamagnetskih materijala magnetski je moment atoma ili molekula
jednak nuli kad nisu izlo eni djelovanju vanjskog magnetskog polja.
Narinuto vanjsko magnetsko polje u atomima ili molekulama ovih
materijala inducira magnetski moment. Prolaskom kroz dijamagnetske
materijale silnice magnetskog polja se ire, Qr < 1.
Paramagnetski materijaliKod paramagnetskih materijala (npr.
zrak, aluminij, kromov klorid i oksid, paladij, eljezni oksid,
eljezni klorid, itd.) me usobni utjecaj magnetskih momenata atoma
je zanemariv pa su oni proizvoljno orijentirani. Djelovanjem
vanjskog magnetskog polja magnetski momenti (magnetski dipoli) se
zakre u u pravcu polja i materijal se magnetizira (magnetski
polarizira). Pojava je istovjetna zakretanju elektri nih dipola
dielektri nih materijala izlo enih djelovanju elektri nog polja.
Silnice magnetskog polja kontinuirano prolaze kroz kroz
paramagnetske materijale, Qr b 1.
Feromagnetski materijaliKod feromagnetskih materijala me usobni
utjecaj magnetskih momenata susjednih atoma je takav da su oni
jednakih iznosa, paralelni i istog smjera. Prolaskom kroz
feromagnetske materijale silnice magnetskog polja se skupljaju, Qr
> 1.
Kod dijamagnetskih materijala magnetski je moment atoma ili
molekula jednak nuli kad nisu izlo eni djelovanju vanjskog
magnetskog polja. Narinuto vanjsko magnetsko polje u atomima ili
molekulama ovih materijala inducira magnetski moment. Drugu skupinu
tvore materijali iji atomi ili molekule imaju magnetski moment
razli it od nule i bez vanjskog magnetskog polja. Kod
paramagnetskih materijala (na primjer zrak, aluminij kromov klorid,
kromov oksid, paladij, eljezni oksid, eljezni klorid, itd.) me
usobni utjecaj magnetskih momenata atoma je zanemariv pa su oni
proizvoljno orijentirani. Djelovanjem vanjskog magnetskog polja
magnetski momenti (magnetski dipoli) se zakre u u pravcu polja i
materijal se magnetizira (magnetski polarizira). Pojava je
istovjetna zakretanju elektri nih dipola dielektri nih materijala
izlo enih djelovanju elektri nog polja. Kod feromagnetskih
materijala me usobni utjecaj magnetskih momenata susjednih atoma je
takav da su oni jednakih iznosa, paralelni i istog smjera.
Magnetski momenti susjednih atoma kod antiferomagnetskih
materijala (na primjer manganov fluorid, manganov dioksid, manganov
oksid, nikalfluorid, itd.) su jednakih iznosa, paralelni i
suprotnog smjera, a kod ferimagnetskih materijala su razli itog
iznosa, paralelni i suprotnog smjera. Prema ovako pojednostavljenom
prikazu mo e se zaklju iti da je spontana magnetizacija kod
feromagnetskih materijala izrazita, kod antiferomagnetskih je
jednaka nuli, a kod ferimagnetskih je razli ita od nule. Treba
upozoriti da se i kod atoma para, fero, antifero i ferimagnetskih
materijala inducira magnetski moment, zanemarivo malog iznosa, kad
na njih djeluje vanjsko magnetsko polje. Zbog toga su svi spomenuti
materijali istodobno i dijamagnetski u irem zna enju. Prazan
prostor (vakuum) je jedino stvarno nemagnetsko sredstvo. U
primjenama su posebno zna ajni feromagnetski i ferimagnetski
materijali.
p a ra m a g n e ts k i m a te rija l
fe ro m a g n e ts k i m a te rija l
a n tife ro m a g n e ts k i m a te rija l
fe rim a g n e ts k i m a te rija l
Makroskopska veli ina koja opisuje stupanj magnetizacije
materijala je T vektor magnetizacije M definiran omjerom vektorskog
zbroja magnetskih momenata i elementarnog obujma (V: T T (7m) u(V
M! (V T T H Vektori jakosti magnetskog poljaT , magnetske indukcije
B(gusto e magnetskog toka) i magnetizacije M povezani su relacijom:
T T B T H! M Q0 gdje je Q0 permeabilnost vakuuma (Q0 = 4T10-7 H/m).
Za linearne magnetske materijale, kao to su dijamagnetski (u u em
zna enju) i paramagnetski, izme u vektora magnetizacije i vektora
jakosti magnetskog polja vrijedi linearna ovisnost:
T T M ! GmH
gdje je Gm magnetska susceptibilnost.
Uvr tavanjem slijedi:
T T T B ! Q 0 (1 G m ) H ! Q 0 Q r H
Qr ! 1 G mgdje je Qr relativna permeabilnost. Za fero, antifero
i ferimagnetske materijale ovisnost izme u magnetske indukcije i
magnetskog polja te magnetizacije i magnetskog polja nije linearna,
pa im relativna permeabilnost nije konstantna.
FEROMAGNETSKI MATERIJALIMe u feromagnetske materijale pripadaju
eljezo Fe, kobalt Co, nikal Ni, gadolinij Gd, disprozij Dy, terbij
Tb, holmij Ho, erbij Er i njihove slitine. Od pobrojenih elemenata
najizrazitija feromagnetska svojstva imaju Fe, Co, Ni i Gd (osnovni
feromagnetski materijali). Feromagnetska svojstva ima slitina
mangana, bakra i aluminija te slitina mangana, srebra i aluminija.
Svaki feromagnetski materijal karakterizira Curieva feromagnetska
temperatura Tcf. Na temperaturama ni im i vi im od Tcf magnetska
svojstva feromagnetskih materijala se bitno razlikuju. Na ni im
temperaturama od Tcf, po klasi nom pristupu u materijalu postoje
domene dimenzija 10 do 100 Qm. Magnetski momenti atoma u jednoj
domeni (1015 i vi e atoma), zbog jakog me udjelovanja, usmjereni su
u jednom pravcu (spontana magnetizacija). Bez narinutog vanjskog
magnetskog polja magnetski momenti pojedinih domena (Weisove
domene) proizvoljno su orijentirani pa je ukupna magnetiziranost
materijala jednaka nuli.
Izme u susjednih domena, razli ito usmjerenih magnetskih
momenata, postoje prijelazni slojevi debljine oko 0,1 Qm (Blochove
stijenke). Porastom temperature, zbog termi kog gibanja atoma oko
ravnote nog polo aja, slabi magnetiziranost domena. Mo e se
smatrati da su na temperaturama bliskim Tcf domene razorene, a na
jo vi im temperaturama feromagnetski materijal ima svojstva
paramagnetskog. Curieva feromagnetska temperatura Tcf eljeza je
1043rC, kobalta 1393rC i nikla 631 rC. Neka je feromagnetski
materijal na temperaturi ni oj od Tcf izlo en djelovanju vanjskog
magnetskog polja ija se jakost postupno pove ava od nule. Pri malim
jakostima narinutog magnetskog polja pomi u se granice domena,
odnosno pove avaju se domene iji magnetski momenti tvore najmanji
kut s vektorom jakosti magnetskog polja. Pomak granica domena pri
malim jakostima magnetskog polja je reverzibilan jer se prestankom
djelovanja granice domena vra aju u prvobitni polo aj. Pove anjem
jakosti magnetskog polja pomicanje granica domena se nastavlja sve
dok neke domene ne i eznu. Pri ovim jakostima magnetskog polja
pojave u feromagnetskom materijalu su ireverzibilne.
Ako se jakost magnetskog polja i dalje pove ava vektori
magnetizacije preostalih domena se zakre u u pravcu vektora jakosti
vanjskog magnetskog polja. Kona no pri jo ja im magnetskim poljima
i ezavaju granice svih domena, svi su magnetski momenti u pravcu
vanjskog magnetskog polja, a uzorak feromagnetskog materijala je
magnetiziran do zasi enja. Opisani nelinearni proces prikazuje
krivulja magnetiziranja. Uo avaju se podru ja krivulje
magnetiziranja: OA - podru je reverzibilnog pomaka granica domena,
AC - podru je ireverzibilnog pomaka granica domena, iznad C - podru
je zakretanja magnetskih momenata.|B| Bs C
Krivulja magnetiziranjaA 0
HA
HC
|H|
Valja upozoriti da je proces magnetiziranja feromagnetika
prikazan neovisno o tome je li uzorak materijala monokristali ne
ili polikristali ne strukture. Kod monokristala magnetska svojstva
materijala su anizotropna pa oblik krivulje |B| magnetiziranja
ovisi i o pravcu magnetiziranja, odnosno o pravcu vanjskog
magnetskog polja. Naj e e se primjenjuju materijali koji nisu
monokristali ne Bs strukture. Br krivulja prvog Zbog spomenutih
ireverzibilnih pojava pri magnetiziranju feromagnetskog
magnetiziranja materijala nelinearna ovisnost magnetske indukcije i
jakosti magnetskog polja nagib u tvori petlju histereze. ishodi tu
= Qri Remanentna magnetska indukcija B je -H
Feromagnetski materijali se po obliku petlje histereze dijele na
meke i tvrde. Prvi su uske petlje histereze i male vrijednosti -B r
koercitivne jakosti magnetskog polja -B s (Hc
