1
Własności magnetyczne
materii
Najprostsz
ą
„struktur
ą
magnetyczn
ą
” s
ą
magnetyczne
dipole
.
Kompas, Chiny
220 p.n.e
Fe
3
O
4
Dipole magnetyczne
1
Własności magnetyczne
materii
Najprostsz
ą
„struktur
ą
magnetyczn
ą
” s
ą
magnetyczne
dipole
.
Kompas, Chiny
220 p.n.e
Fe
3
O
4
Dipole magnetyczne
2
Ź
ródłem magnetyzmu substancji s
ą
atomowe momenty magnetyczne
Elektron kr
ąŜą
cy wokół j
ą
dra w atomie posiada magnetyczny
moment dipolowy zwi
ą
zany z orbitalnym momentem p
ę
du
L
.
L
m
e
2
µ
e
=
Podobnie jak z orbitalnym momentem p
ę
du elektronu
równie
Ŝ
z jego spinem zwi
ą
zany jest moment
magnetyczny tzw. spinowy moment magnetyczny.
Moment magnetyczny atomu to suma jego momentów magnetycznych orbitalnych i
spinowych.
Własno
ś
ci magnetyczne ciał s
ą
okre
ś
lone przez zachowanie si
ę
elementarnych
momentów (dipoli)
magnetycznych w polu magnetycznym.
Przy opisie własno
ś
ci magnetycznych ciał posługujemy si
ę
poj
ę
ciem wektora
polaryzacji magnetycznej
M nazywanej te
Ŝ
namagnesowaniem lub magnetyzacj
ą
.
Wektor ten okre
ś
la sum
ę
wszystkich momentów magnetycznych, czyli wypadkowy
moment magnetyczny jednostki obj
ę
to
ś
ci.
V
∑
=
µ
M
M
M
M
Je
Ŝ
eli próbk
ę
zawieraj
ą
c
ą
elementarne dipole magnetyczne umie
ś
cimy w
jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B
0
to pole to d
ąŜ
y do ustawienia dipoli
w kierunku pola i w efekcie powstaje w próbce wypadkowe pole o indukcji
0
0
0
B
B
B
r
µ
µ
=
+
=
M
M
M
M
χ
µ
µ
+
=
+
=
1
1
0
0
B
M
r
wielko
ść
χ
nazywana jest podatno
ś
ci
ą
magnetyczn
ą
3
Diamagnetyzm
…… jest zwi
ą
zany z orbitalnym momentem magnetycznym elektronu w atomie.
-B|| L i zwroty B i L zgodne
: Siła dośrodkowa wzrasta więc wzrasta prędkość elektronu i prąd spowodowany jego
ruchem po orbicie. Wzrasta więc orbitalny moment magnetyczny,
µµµµ
orb
o kierunku przeciwnym do pola
B
.
- B|| L i zwroty B i L przeciwne
: Siła dośrodkowa maleje więc maleje prędkość elektronu i prąd spowodowany jego
ruchem po orbicie. Maleje więc orbitalny moment magnetyczny,
µµµµ
orb
o kierunku zgodnym z polem
B
.
B
0
||z
Własno
ś
ci magnetyczne ciał
r
mv
r
e
k
2
2
2
=
W nieobecności pola magnetycznego elektron porusza się po
orbicie pod wpływem siły dośrodkowej
→
elektrostatyczne
przyciąganie electronu i jądra siłą Coulomba :
W obecności pola magnetycznego, (np..:
B||z, zwroty B i L
zgodne)
→
dodatkowy przyczynek do siły dośrodkowej od pola
B
:
r
mv
ev
B
r
e
k
2
0
2
2
=
+
Materiały diamagnetyczne s
ą
wypychane z pól magnetycznych – zgodnie z reguł
ą
Lentza.
Ś
cisłe wytłumaczenie diamagnetyzmu wynika z mechaniki kwantowej (rozpatruje si
ę
precesj
ę
momentu magnetycznego elektronu w polu
B)
W nieobecno
ś
ci zewn
ę
trznego pola, orbitalne momenty magnetyczne maj
ą
przypadkowe kierunki
(namagnesowanie
M
=0)
, ale obecno
ść
zewn
ę
trznego pola prowadzi do zmiany tych momentów,
która to zmiana stara si
ę
skompensowa
ć
obecno
ść
zewn
ę
trznego pola
(
M
<0).
1
<
r
µ
0
<
χ
Diamagnetyzm jest bardzo słabym efektem obserwowanym w atomach o parzystej liczbie
elektronów (gazy szlachetne oraz np. bizmut, krzem, cynk, magnez, złoto, mied
ź
, fosfor,
grafit, woda).
Nadprzewodniki mo
Ŝ
na traktowa
ć
jako doskonałe diamagnetyki (
χ
= −1), poniewa
Ŝ
wypieraj
ą
linie pola magnetycznego (efekt Meissnera).
Paramagnetyzm
…. jest głównie zwi
ą
zany ze spinowym momentem
magnetycznym elektronu w atomie.
namagnesowanie
M
=0
W paramagnetykach atomowe momenty magnetyczne
słabo oddziaływuj
ą
.
W nieobecno
ś
ci zewn
ę
trznego pola, spiny ró
Ŝ
nych
atomów maja przypadkowe orientacje
4
B
µ
Moment magnetyczny w polu
B
0
doznaje działania momentu sił:
B
µ
M
×
=
Moment sił stara si
ę
uporz
ą
dkowa
ć
go zgodnie z
kierunkiem pola (przeszkadzaj
ą
ruchy termiczne)
W obecno
ś
ci pola porz
ą
dkuj
ą
si
ę
tworz
ą
c wypadkowy
moment magnetyczny, którego kierunek jest zgodny z
kierunkiem zewn
ę
trznego pola
B
0
.
Paramagnetykami s
ą
ciała, których atomy posiadaj
ą
wypadkowy moment magnetyczny
ró
Ŝ
ny od zera.
Np. atomy o nieparzystej liczbie elektronów, w których wypadkowy spin elektronów
b
ę
dzie zawsze wi
ę
kszy od zera (mangan Mn, platyna Pt, wolfram W, tlen O).
Dla paramagnetyków
χ ≈
10
-9
– 10
-3
, a
µ ≈
1.
1
>
r
µ
0
>
χ
namagnesowanie
M
≠
0
Ferromagnetyzm
....silnie oddziaływuj
ą
ce atomowe momenty magnetyczne
Momenty magnetyczne lokalnie porz
ą
dkuj
ą
si
ę
wzajemnie(równoległe uło
Ŝ
enie).
Ferromagnetyzm jest zwi
ą
zany z silnym oddziaływaniem
wymiennym jakie wyst
ę
puje pomi
ę
dzy spinowymi
momentami magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest
wi
ę
c własno
ś
ci
ą
kryształów
, a nie pojedynczych atomów
(
Ŝ
elazo Fe, kobalt Co, nikiel Ni, gadolin Gd).
Momenty magnetyczne w wyniku oddziaływania
wymiennego, ustawiaj
ą
si
ę
równolegle do siebie
w du
Ŝ
ych obszarach kryształu zwanych
domenami.
Ka
Ŝ
da domena jest wi
ę
c całkowicie
magnetycznie uporz
ą
dkowana.
Natomiast kierunki momentów magnetycznych
poszczególnych domen s
ą
ró
Ŝ
ne i próbka jako
cało
ść
mo
Ŝ
e nie mie
ć
wypadkowego
namagnesowania
(
M
=0)
.
Ni
5
W nieobecno
ś
ci zewn
ę
trznego
B
0
momenty magnetyczne domen s
ą
nieuporz
ą
dkowane
W obecno
ś
ci zewn
ę
trznego
B
0
momenty
magnetyczne domen porz
ą
dkuj
ą
si
ę
zgodnie z polem
Wi
ę
ksze pola sprzyjaj
ą
powstawaniu wi
ę
kszych domen:
χ
~ 1∼10
4
1
>>
r
µ
0
>>
χ
obszar paramagnetyczny:
wysokie temperatury
(powy
Ŝ
ej temperatury Curie)
obszar ferromagnetyczny:
niskie temperatury
(poni
Ŝ
ej temperatury Curie)
wzrost T
Ferromagnetyki w T pokojowej:
Ŝ
elazo Fe
T
C
=1043 K
kobalt Co
T
C
=1388 K
nikiel Ni
T
C
=627K
gadolin Gd
T
C
=292 K
M
T
T
C
6
Zewn
ę
trzne pole magnetyczne B
0
porz
ą
dkuje
momenty magnetyczne w obszarze
ferromagnetycznym
B
B = 0
B
B
(a) materiał nienamagnesowany
(b) namagnesowanie nasycenia
(c) pozostało
ść
magnetyczna
(d) pole koercji
(e) namagnesowanie nasycenia
Magnesowanie materiałów magnetycznych -
p
ę
tla histerezy
(b)
(c)
(d)
(e)