magnetne-osobine-materijala
TRANSCRIPT
Visoka tehnička škola strukovnih studija Novi BeogradBulevar Zorana Đinđića 152a
Seminarski rad
Predmet: MaterijaliTema: Magnetne osobine
Učenik: Aleksa Zarić 7/2011 Profesor: mr Zoran Karastojković
Sadržaj:
Uvod 3
1. Magnetne osobine mateijalaMagnetne osbine metala
3-56
2. Magnetizacija 6-7
3. Dijamagnetizam 8-11
4. Paramagnetizam 12-14
5. Feromagnetizam5.1. Histerzisana kriva magnetisanja
14-1718-20
Literatura 20
2
Uvod
Predpostavlja se da su magnetne pojave prvi puta primećene još 800 godina pre Hrista u Kini i Europi.Danas se pouzdano zna se da je prvi prirodni magnet zapravo pronađen kao mineralni depozit u stenama, te nazvan magnetit. Magnetizirane stene bogate su rudom magnetit koja je po hemijskom sastavu olovni oksid (Fe3O4).U prirodi prvi je magnet nastao udarom munje direktno u/ili u neposrednu blizinu stene bogate magnetitom, koja zbog svoje visoke struje, reda veličine 1.000.000 A, proizvede snažno magnetno polje koje ju namagnetiše..U svakodnevnom životu pod pojmom magnetizam mislimo na osobinu gvožđa da ga "privlače" određene supstance. To je samo jedan od oblika magnetizma, najbolje poznat. Mnogi drugi elementi imaju magnetne osobine. Postoji pet različitih vrsta magnetizma: dijamagnetiazm, paramagnetizam, feromagnetizam, ferimagnetizam i antiferomagnetizam. Tačnije, svih pet termina odnose se na pet različitih načina na koje materijali 'odgovaraju' na proces magnetizacije – tj. izlaganje materijala magnetnom polju. Materije koje po svojoj prirodi nisu magneti, u prisustvu magnetnog polja ponašaće se ili kao dijamagneti – uticaće na smanjenje prisutnog magnetnog polja, ili kao paramagneti – uticaće na neznatno povećanje prisutnog magnetnog polja (samo one materije koje imaju neparni broj elektrona po atomu). Za razliku od dijamagnetizma i paramagnetizma, fero-, feri- i antiferimagnetizam opisuju ponašanje 'prirodnih magneta' u prisustvu magnetnog polja.Feromagnetizam- termin feromagnetizam je korišćen za sve supstance koje spontano stvaraju magnetno polje. Feromagnetnim materijalima smatraju materijali kod kojih svaki magnetični jon daje pozitivan "doprinos" magnetičnosti materijala. Ukoliko neki joni ipak daju i "negativan" doprinos, u pitanju je ferimagnetizam, a ako su magnetični joni komplementarni tako da im je zbir momenata nula, reč je o antiferomagnetizmu. Feromagnetne osobine pokazuju elementi Fe, Co, Ni, Nd, Gd, Tb.Ferimagnetni materijali su oni kod kojih je magnetni momenat atoma u rešetki suprotan. To se često dešava kad supstance sadrže različite jone (npr. Fe2+ i Fe3+). Ferimagnetni materijali iskazuju spontane magnetne osobine ispod određene temperature (koja se naziva i Kirijeva temperatura), a iznad te temperature su paramagnetični. Najstarija poznata ferimagnetna supstanca, magnetit je pre ovih otkrića bila klasifikovana kao feromagnet.Ferimagnetne osobine ne pokazuje nijedan element u slobodnom stanju (to i nije moguće, jer su potrebni joni različitih magnetnih momenata).U antiferomagnetnim supstancama spinovi elektrona u rešetci su suprotni što rezultuje međusobnim poništavanjem magnetnih osobina. Različiti magnetični joni imaju elektrone suprotnih spinova ali istih vrednosti, pa se megnetno dejstvo međusobno poništava. Antiferomagnetne osobine pokazuju elementi Cr i Sm.Paramagnetizam je oblik magnetizma koji se javlja samo u prisustvu spoljašnjeg magnetnog polja. Paramagnetični materijali su privučeni dejstvom magnetnog polja, ali za razliku od feromagnetičnih magnetne osobine pokazuju isključivo u prisustvu spoljašnjeg magnetnog polja. Paramagnetne osobine pokazuju O, Na, Mg, Al, Ca, Sr, Pt i U.Dijamagnetizam je takođe oblik magnetizma koji postoji isključivo pri delovanju nekog spoljašnjeg magnetnog polja. Svi materijali pokazuju dijamagnetičnost u prisustvu spoljašnjeg magnetnog polja, ali je ona u poređenju sa npr. feromagnetičnošću sasvim zanemarljiva. Voda je dijamagnetična supstanca. Dijamagneti su elementi Be, C, Cu, Zn, Ag, Au, Hg, Pb i Bi.
3
1. Magnetne osobine materijala
Magnetne osobine materijala su posledica magnetnih osobina atoma i karekteriše njihove interakcije.Posmatrajmo kretanje elektrona brzinom V po kružnici poluprečnika r. Usmereno kretanje elektrona po kružnici predstavlja jednu strujnu konturu.
Magnetni moment strujne konture računamo pomoću formule:
(1.1)
Ovaj magnetni moment koji je posljedica kretanja elektrona po orbiti oko jezgra naziva se orbitalni magnetni moment elektrona. Elektron koji se kreće po kružnoj putanji ima neki moment količine kretanja koji se naziva orbitalni mehanički moment elektrona. Prema def:Ll= mvr (1.2)Ako izraz (1.1) pomnožimo i podelimo sa m dobijemo da je
(1.3)
Vidimo da su magnetni i orbitalni moment proporcionalni zbog toga što se elekton kreće oko jezgra i ima neki orbitalni magnetni moment, pa posedovanje tog momenta povlači se posedovanje i određenog orbitalnog magnetnog momenta.Eksperimantalno je pokazano da elektron pored orbitalnog mehaničkog ima i neki svoj vlastiti mehanički moment količine kretanja Ls. On je nazvan spin( eng.spin- vrteti se) jer se smatralo da je on posledica obrtnja elektrona oko vlastite ose. Kasnije se pokazalo da to nije tačno. Zaključilo se da vlastiti mehanički moment-spin elektrona, ali i drugih čestica predstavlja jedno njegovo svojstvo i ne može se svesti na neku mehaničku predstavu.Merenja su pokazala da zbog toga što elektron ima taj svoj vlastiti moment količine kretanja on ima i svoj vlastiti magnetni moment koji se još i naziva magnetni moment spina μs.Ova dva momenta kao vektori suprotno su usmereni i povezani su relacijom:
(1.4)
4
Ukupan magnetni moment elektrona dobićemo ako prvo saberemo vektore orbitalnih magnetnih momenta količina kretanja svih elektrona u atomu i dobije se ukupni orbitalni mehanički moment količine kretanja atoma.
Zbir vektora vlastitih momenata količina kretanja svih elektrona u atomu daje rezultujući vlastiti moment atoma- rezultujući spinski moment atoma. Konačno se nalazi ukupan moment količine kretanja atoma kao zbir ukupnog orbitalnog i ukupnog spinskog momenta, pa ćemo imati neki rezultujući magnetni moment.Pri sabiranju orbitalnog i spinskog momenta može doći do njihove potpune kompenzacije, tada je rezultujući moment nula. Ukoliko orbitalni i spinski magnetni momenti se ne kompezuju potpuno, onda će atom posedovati jedan stalni (permanenti) magnetni moment.Magnetne osobine materijala su određene ovim rezultujućim magnetnim momentom atoma i njegovim međudelovanjem sa magnetnim momentom susednih atoma.Kod onih atoma kod kojih je ukupan orbitalni magnetni moment jednak ukupnom spinskom momentu, ali su kao vektori supronog smera, rezultujući magnetni moment atoma biće jednak nuli. Ovo se dešava kod atoma ili jona koji imaju potpuno popunjene elektronske ljuske. Materijali koji su građeni od atoma koji ne poseduju permanentni magnetni moment predstavljaju dijamagnetne materijale ili dijamagnetike. Materijali čiji atomi poseduju permanentni magnetni moment mogu biti paramagnetici, feromagnetici, antiferomagnetici i ferimagnetici. Ukoliko nema interakcija među magnetnim momentima atoma ili je ona veoma slaba, materijal spada u grupu paramagnetika.
sl. 1.2.a.Zbog slabog međudelovanja magnetnih momenata susednih atoma, terminalno kretanje ih orijentiše podjednako na sve strane i materijal ne pokazuje magnetna svojstva kada nije u spoljašnjem magnetnom polju.Ukoliko susedni magnetni momenti teže da se usmere paralelno i orijentišu na jednu stranu materijal spada u grupu feromagnetika.
sl. 1.2.b.Ako susedni magnetni teže da se orijentišu antiparalelno, materijal će spadati u grupu antiferomagnetika.
sl. 1.2.c.I na kraju, ako magnetni momenti teže da se orijentišu antiparalelno, ali su momenti različitih inteziteta , materijal je ferimagnetik.
5
sl. 1.2.d.
1.1. Magnetne osobine metala
Magnetizam je uslovljen postojanjem magnetnog momenta u atomima i molekulima materije, čiji su elemetrani nosioci elektroni i jezgra atoma. Prema zakonu elektrodinamike svako naelektrisanje u pokretu proizvodi izvesno magnetno polje. Prema tome postoje tri načina da se u slobodnom atomu razviju magnetni momenti:
a) elektroni kao naelektrisane čestice kreću se orbitama stvarajući magnetna mikropolja,b) usled obrtanja oko sopstvene ose elektron stvara magnetni moment ic) jezgro atoma usljed sopstvene rotacije,
Magnetni momenti jezgra atoma su oko 103 puta manji od magnetnih momenata elektrona zbog čega se mogu zanemariti. Dakle, magnetni moment slobodnog atoma je jednak zbiru magnetnih momenata elektrona i ovi poslednji određuju magnetna svojstva metala.
2. Magnetizacija
Postavimo u homogeno magnetno polje jačine H i indukcije Bo=μoH telo zapremine V. Pod delovanjem polja telo se magnetiše., dobijajući magnetni moment.Ako svaki atom ima rezultujući magnetni moment tada će rezultujući magnetni moment atoma u nekom uzorku materijala biti:
(2.1)
Ukoliko magnetni moment podelimo sa zapreminom tela dobićemo magnetni moment jedinice zapremine. Ta veličina naziva se magnetizacija ili vektor namegnitisanja .
(2.2)
Magnetizacija je vektorska veličina. U homogenim magneticima je usmerena paralelno ili antiparalelno u odnosu na .Ogranićićemo se samo na slučajeve homogene magnetizacije. Ako svi atomi imaju jednak magnetni moment, onda se može pisati:
gde je (2.3)
Na ukupan broj atoma, a rezultujući magnetni moment jednog atoma. Tada je magnetizacija:
(2.4)
Kada ovakvo telo unesemo u spoljašnje magnetno polje indukcije Bo, dolazi do magnetizacije tela i orijentacije dipola.Materijal daje dopunsku magnetnu indukciju Bi. Rezultujuća indukcija u magnetiku ima vrednost:B = Bo + Bi (2.5)
6
Dopunska magnetna indukcija uključuje u sebi doprinos koji potiče od permanentnih magnetnih momenata atoma i indukovanih magnetnih momenata , koji se pojavljuju kod svih atoma kada se unesu u spoljašnjo magnetno polje. Eksperimenti pokazuju da je:Bi = μoM i (2.6)
Bi = χ Bo (2.7)
Konstanta proporcionalnosti χ naziva se magnetna susceptibilnost ( osetljivost ) materijala. Susceptibilnost dijamagnetnih tela relativno je mala, negativna je i ne zavisi od jačine spoljašnjeg polja i temperature. Paramagnetna tela takođe imaju relativno malu magnetnu s susceptibilnost , ali je ona za razliku od dijamagnetika, pozitivna i u smeru polja. Osim toga magnetna susceptibilnost kod paramagnetika zavisi od temperature. Ovu zavisnost pvi je izučio Kiri i pokazao da je:
χ = gde je (2.8)
T apsolutna temperatura paramagnetika, a C konstanta, koja zavisi od njegove prirode. Ona se naziva Kirijeva konstanta , dok se zakon naziva Kirijev zakon.Feromagnetna tela čiji je predstavnik olovo imaju pozitivnu magnetnu susceptibilnost, ali neuporedivo veću od paramagnetika. Osim toga ona bitno zavisi od jačine magnetnog polja.Uvrštavanjem (2.7) u (2.5) dobijemo da je:
B= Bo + χ Bo = Bo ( 1 + χ )= μr Bo (2.9)gde je μr relativna magnetna permeabilnost( propustljivost) tela.
Uzimajući u obzir da je μr = ( 1 + χ ) možemo zaključiti:μr < 1 za dijamagnetikeμr > 1 za paramagnetike iμr >> 1 za feromagnetike.Iz eksperimenata se lako može odrediti i veza između M i H kao:
(2.10)
odakle se lako može proveriti da je χ bezdimenzionalna veličina.
7
3. Dijamagnetizam
Dijamagnetizam nastaje usled promene orbitalnog kretanja elektrona pod delovanjem spoljašnjeg magnetnog polja.Dijamagnetni materijali su materijali čiji atomi nemaju sopstveni magnetni moment. Namagnetisanje takvih tela vrši se vanjskim magnetnim poljem. Dijamagnetizam nastaje pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja usled elektromagnetne indukcije. Dijamagnetizam je univerzalno svojstvo materije. Indukovani magnetni momenti javljaju se u svim supstancama kada se unesu u magnetno polje.Proučimo kretanje elektrona, u atomu, po orbiti sa radijusom r.
Sl.3.1. Iako se elektron po putanji kreće u suprotnom smjeru od onog na sl 1.1., indukovani magnetni moment elektrona ima opet smjer suprotan spoljašnjem magnetnom polju
Kada se atom unese u spoljašnje magentno polje, na elektron će pored Kulonove sile koja je
takođe centripetalna sila Fc = delovati i Lorentcova sila FL= evBo.
Pod delovanjem ove sile brzina elektrona se menja i postaje jednaka v=rω.Uvrštavanjem u izraz za Lorentcovu silu imamo da je FL= e rω Bo
U skladu s tim centrifugalna sila koja deluje na elektron postaje jednaka zbiru Kulonove i Lorencove sile:mω2r = mω r+ eωorBo (3.1)Podelivši ovu jednačinu sa r dobijemo:mω2 = mω + eωoBo
m(ω2 - ω )= eωoBo
rastavljajući ω2 - ω =( ω – ωo)( ω+ωo) i uzevši da je ω+ωo 2 ωo dobijamo da je:
ω – ωo= Bo ili ω = ωo + Bo = ωo + ωL (3.2)
gde je ωL = Bo Larmorova ugaona brzina. (3.3)
8
Na taj način magnetno polje izaziva promenu ugaone frekvencije rotacije elektrona po orbiti.Usled povećavanja ugaone brzine dolazi i do povećanja električne struje elektrona za
ΔI= I- Io = (3.4)
Ovo povećanje jačine struje prouzrokuje povećanje orbitalnog magnetnog momenta elektrona zaΔμl = Δ IS (3.5)gde je S= r2π površina konture koju gradi elektron. Zamenom za Larmorovu ugaonu brzinu iz (3.3.) dobijemo
Δμl = = (3.6)
Kada H nije okomito na ravan orbite delovanje polja sastoji se u pobuđivanju precesije orbite oko polja. Precesija elektronske orbite dovodi do dopunskog kretanja elektrona oko polja H.
Sl.3.2.a) ako ravan putanje u atomu stoji pod uglom u odnosu na spoljašnje magnetno polje, ono precesira oko pravca spoljašnjeg polja,b)žiroskop nagnut pod uglom u odnosu na vertikalu precesira oko pravca polja sile teže.
Ukoliko površina putanje po kojoj se kreće elektron oko jezgra zaklapa neki ugao sa spoljašnjim magnetnim poljem na takvu strujnu konturu spoljašnje magnetno polje deluje spregom sila koji teži da obrne konturu tako da se njen orbitalni magnetni moment po smeru postavi u smer spoljašnjeg polja.Zbog delovanja sprega sila orbitalni moment količine kretanja će se kao vektor rotirati oko pravca spoljašnjeg magnetnog polja. On će tako da opisuje jedan konus.Analogno kretanje imamo ako se žiroskop dovede u obrtanje oko ose koja sa vertikalom zaklapa neki ugao α. Takvo kretanje žiroskopa se naziva precesija, pa se i kretanje orbitalnog momenta količine kretanja elektrona Ll oko pravca spoljašnjeg magnetnog polja naziva se precesija. Ova precesija orbite predstavlja dodatno obrtno kretanje elektrona oko pravca spoljašnjeg magnetnog polja.Po svom magnetnom delovanju ovo dopunsko kretanje ekvivalentno je zatvorenoj struji
9
ΔI = -efL = - e - (3.7)
gde je fL = . Elementarna struja ΔI poseduje magnetni moment
Δμ = μo ΔI S = - (3.8)
gde je S površina konture, koju opisuje elektron usled precesije oko polja M. Proračuni
pokazuju da je S= gde je srednji kvadrat udaljenosti elektrona oko jezgre. Prema
tome:
Δμ = - (3.9)
Iz formule (3.9) se vidi da u magnetnom polju svaki elektron dobija dopunski tzv. inducirani magnetni moment, usmeran suprotno od polja H.Pojava ovog momenta i uslovljava magnetiziranje tela u smeru, suprotnom od polja, što je karakteristično za dijamagnetike.Sabiranjem indukovanih magnetnih momenata svih elektrona u atomu dobijemo indukovani magnetni moment atoma. Projekcija indukovanog magnetnog momenta atoma na smer spoljašnjeg magnetnog polja biće jednaka zbiru projekcije indukovanih magnetnih momenata elektrona
Δμah = ΔμlH = - (3.10)
gde je Z broj elektrona u elektronskom omotaču atoma. Suma srednjih vrednosti kvadrata rastojanja pojedinih elektrona od jezgre može se napisati kao Z , gde smo sa označili neku srednju vrednost kvadrata rastojanja elektrona od jezgra u jednom atomu.Koristeći da je B= μo H možemo pisati
Δμah = - (3.11)
Ako imamo n atoma u jedinci zapremine onda će magnetizacija u dijamagnetnom mateijalu biti
M= n Δμa = - (3.12)
Vidimo da je vektor magnetizacije kod dijamagnetika proporcionalan jačini spolajšnjeg polja i supotnog je smera. Prema tome, magnetno polje u dijamagnetiku će biti slabije nego u vakumu.Poredeći ovaj izraz sa ( 2.10) zaključujemo da je magnetna susceptibilnost dijamagnetnih materijala negativna i ne zavisi ni od temperature ni od jačine mag polja.
Χ= - (3.13)
10
Sl 3.3 Zavisnonst magnetizacije dijamagnetika od spoljašnjeg polja HKada se ukloni spoljašnje magentno polje, prestaje i indukovano magnetno polje u dijamagentiku. Dijamagnetizam se uočava kod materijala čiji atomi imaju rezultujući magnetni moment jednak nuli. Kad se takav materijal unese u nehomogeno magnetno polje ono ga potiskuje u oblast gde je polje slabije.
Dijamagnetizam je jako slab oblik magnetizma koji se može registrovati samo uz prisustvo spoljašnjeg magnetnog polja. Nastaje promenom orbitalnog kretanja elektrona usled prinesenog magnetnog polja. Ovako nastali magnetni moment je jako mali i smerom suprotan od prinesenog polja:
sl 3.4Kada se smesti između dva pola jakog magneta, dijamagnetni materijal se postavlja u područje gde je polje najslabije. Dijamagnetizam postoji kod svih materijala, ali zbog male sile može se promatrati samo kod materijala koji nemaju ostala magnetska svojstva.Izuzetak za "slabu" prirodu dijamagneta uočen je kod velikog broja materijala koji mogu postati supervodiči, obično na vrlo niskim temperaturama. Supervodiči su skoro savršeni dijamagnetici i njihov električni otpor je nula. Poznato je da se struktura supervodiča raspada s neverovatnom silom u nasmari da izađe iz prinesenog magnetnog polja.Supervodiče možemo nazvati i magnetnim ogledalom, zbog činjenice da oni proizvode polje istog intenziteta prinesenom, ali suprotnog pola. Tajna ovog svojstva leži u elektromagnetnoj indukciji.Ako vodiču koji ima otpor nula prinesemo izvor magnetnog polja, u tom će se vodiču inducirati vrtložna električna struja (Lorentzova sila koja deluje na slobodne elektrone u supervodiču koji se počinju kružno kretati zbog promjene magnetnog polja) koja će proizvesti polje identičnog intenziteta prinesenom ali suprotnog polariteta. Ova pojava 'istiskivanja magnetnih silnica' poznatija je pod nazivom Meissnerov efekt.Supervodiči su verojatno jedina važna primena dijamagnetizma.Tanki komadić pirolitičkog grafita ili bizmuta, koji je neobično jak dijamagnetički materijal, može stabilno lebdeti iznad jakog magnetnog polja (neodimijskih magneta). Eksperiment se može napraviti na sobnoj temperaturi i njime vizualno demonstrirati dijamagnetizam.
11
sl.3.5Dijamagnetne osobine pokazuju inertni gasovi, mnogi metali ( Bi,Zn,Au, Ag,Cu i dr.), metaloidi ( P,S,C i dr.), voda CO2 , staklo, razne smole, plamen sveće i mnogi dr.materijali.
4. Paramagneizam
Paramagnetni materijali, odnosno njihovi atomi ili molekuli imaju stalne magnetne momente čije se ose zbog stalnog termičkog kretanja orijentisani nasumice, statistički slučajno u svim pravcima. Unošenjem ovakvog materijala u spoljašnje magnetno polje postojeći magnetni momenti se usmeravaju u pravcu polja, nasuprot dezorijentišućem dejstvu termičkog kretanja. Magnetizacija u tom slučaju jednaka je nuli, jer za svaki magnetni moment atoma u jednom smeru, postoji isti takav magnetni momet u suprotnom smeru.
sl. 4.1
Paramagnetizam je rezultat međusobnog delovanja spoljašnjeg magnetnog polja i magnetnih momenata elektrona. Da li će rezultujući magnetni moment atoma biti veći ili manji od nule zavisi od njegove elektronske strukture. Atomi sa nepotpuno zaposednutim ljuskama imaju nesimetričan raspored elektrona i rezultantni magnetni moment je veći od nule. Takvi atomi su paramagnetici. Paramagnetizam kao i feromagnetizam je ustvari magnetizam slobodnih elektrona koji se može objasniti pomoću kvantne teorije. To je spinski magnetizam. Svaki elektron se ponaša kao mali magnet koji u određenom lokalnom magnetnom polju može biti usmeren paralelno i antiparalelno smeru polja. Elektron se može zamisliti kao mala naelektrisana sfera koja se okreće oko svoje ose. Rotacija oko ose stvara magnetno polje koje je orijentisano duž ose spina.
12
Kada se paramegnetni materijal unese u spoljašnjo magnetno polje, magnetno polje deluje na magnetne momente atoma momentom sprega sila koji nastoji da ih orijentiše u svim smerovima. Termalno kretanje nastoji da razorijentiše magnetne momente u svim smerovima. Na svakoj temperaturi za datu jačinu spoljašnjeg magnetnog polja uspostaviće se ravnotežno stanje između dve tandecije. Svaki atom u tom ravnotežnom stanju doprinosi magnetizaciji projekcijom svog magnetnog momenta na smer spoljašnjeg polja.Usled magnetizacije u paramagnetiku se proizvodi indukovano polje indukcije Bi=μoM.Projekcija magnetnog momenta na smer spoljašnjeg magnetnog polja jeμaH= μa cosθ
sl.4.3. Projekcija rezultujućeg magnetnog momenta atoma na smer
spoljašnjeg magnetnog magnetnog polja.Ukoliko nađemo srednju vrednost projekcije magnetnog momenta atoma na smer spoljašnjeg polja i pomnožimo s brojem atoma u jedinici zapremine n, dobijemo;M = n (4.1)Bez obzira na koji način računali, po zakonima klasične ili kvantne fizike,srednju vrednost projekcije magnetnog momenta atoma na smer spoljašnjeg polja, dolazimo do rezultata:Intezitet magnetizacije paramagnetika je obrnuto proporcionalan apsolutnoj temperaturi, pri malim jačinama polja, odnosno visokim temperaturama
M = H (4.2)
Ovo je 1897 god. ustanovio Kiri i danas se naziva Kirijev zakon. C predstavlja Kirijevu konstantnu za dati paramagnetik.
Sl.4.4. Zavisnost magnetizacije dijamagnetika od jačine spoljašnjeg polja u slabim poljima.Magnetna susceptibilnost je pozitivna i zavisi od temperature, a ne zavisi od jačine magnetnog polja H.
13
(4.3)
sl.4.5. Zavisnost magnetizacije paramagnetika od jačine magnetne indukcije na niskim temperaturima
S niskim temperaturama uzorka, sve veći broj atoma će orijentisati svoje magnetne momente pod manjim uglom u odnosu na smer spoljašnjeg magnetnog polja, i kad se magnetni momenti svih atoma orijentišu paralelno spoljašnjem polju magnetizacije uzorka dostiže maksimalnu vrijednostMs = n μa (4.4)gde je n koncentracija atoma, a μa rezultujući magnetni moment jednog atoma. Ovo stanje se naziva stanje tehničkog zasićenja. Na sl 4.5. je pokazana zavisnost magentizacije paramagnetika od 0 do zasićenja. Kada se spoljašnje magnetno polje ukloni , termalno kretanje dovodi do razorijentacije magnetnih momenata i namegnitisanost paramagentika nestaje. Paramagnetna svojsta pokazuju alkalni i zemnoalkalni metali, neke rijetke zemlje, Al, Pt, Pb i O2.
5. Feromagnetizam
Feromagnetni materijali su oni materijali čiji atomi imaju neki rezultujući magnetni moment.Feromagnetizam je svojstvo materijala, poput olova (ferro), da 'zapamti' učinak magnetnog polja kojem je bio izložen. Feromagneti se sastoje od mnoštva mikroskopskih domena (područja) – skupine atoma promera 5x10-5 m.Feromagnetni materijali imaju izražene magnetne osobine što se manifestuje u vrlo visokim vrednostima paramagnetne susceptibilnosti. Osim ovog svojstva feromagnetici imaju i niz drugih karakterističnih svojstava, kao što je remanentni magnetizam, histerezis i gubitak feromagnetnih svojstava iznad određene temperature i sl. Ova karakteristična svojstva su rezultat postojanja mikroskopski malih spontano namagnetisanih oblasti, tzv. domena u kristalima feromagnetika. Domeni su grupacije većeg broja atoma čiji su magnetni momenti dovedeni do paralelne orijentacije. Izračunavanjem feromagnetizma saznalo se da je feromagnetizam uslovljen nekompezovanim magnetnim momentima spina elektrona, dok su orbitalni magnetni momenti elektrona od sekundarnog značaja ( što su pokazali Ajnštajnov i deHas-Barnetov eksperiment).Magnetizacija feromagnetika u početku se veoma brzo povećava s porastom jačine magnetnog polja H, a zatim postepeno nastupa zasićenje i nakon toga magnetizacija se ne povećava daljim povećanjem magnetnog polja. Dakle, posle zasićenja feromagnetika, magnetna indukcija povećaće se samo zbog porasta jačine spoljašnjeg polja.
14
Sl.5.1. a) zavisnost indukcije od jačine polja Hb) zavisnost magnetizacije feromagnetika od jačine polja HPažljivo proučavanje krive magnetizacije pokazuje da se povećavanjem jačine magnetnog polja H porast magnetizacije ne odvija glatko već skokovito ( što je prikazano uvećano u krugu). Ovo skokovito povećanje magnetizacije naziva se Barkhauzenov efekat i objašnjava se zakonima kvantne fizike.Na apsolutnoj nuli magnetni momenti svih atoma u domenu su paralelno usmereni. S porastom temperature pojačava se dejstvo termičkog kretanja atoma, koji teže da dezorijentišu elementarne magnetne momente u domenima, usled čega se smanjuje jačina spontanog namagnetisanja na višim temperaturama. Svaki feromagnetizam ima određenu karakterističnu temperaturu TC iznad koje gubi feromagnetna svojstva. Ova temperatura nazvana je Kiri temperatura. Na ovoj temperaturi postiže se ravnoteža između sila koje teže da paralelno usmerene spinove elektrona i termičkih sila koje nastoje da to usmeravanje ponište.Pored prestanka feromagnetičnosti, na Kirijevoj tački se zapaža promena i niza drugih osobina: promene vrednosti toplotnog kapaciteta, el provodljivosti itd.
Iznad Kirijeve tačke magnetne susceptibilnost se menja sa tempraturom po zakonu
(5.1)
gde je C Kirijeva konstanta, TC' temperatura koja se naziva Kirijeva paramagnetna tačka i ona je nešto malo viša od TC.Pored feromagnetika u kojima spontano usmeravanje elementarnih magnetnih momenata u domenima paralelno, postoje i materijali sa antiparalelno usmerenim elementranim magnetnim momentima. Razlikuju se dva efekta: antiferomagnetizam kada su antiparalelno usmereni elemntarni magneti jednaki po veličini, i feromagneti sa različitom veličinom elementarnih magneta koji su suprotno usmjereni.
15
Domeni se sinhroniziraju pod uticajem spoljašnjeg magnetnog polja.Ako pomerimo prineseni magnet, domeni će se obično ponovo vratiti u prvobitne položaje, a osobine magneta će nestati. Ukoliko feromagnet stavimo u izuzetno jako magnetno polje kroz određeno vreme, domeni će ostati trajno sinhronizovani čime dobijamo permanentni magnet. Ovaj efekt je još poznat pod nazivom histereza.
sl. 5.3.Feromagneti imaju visoku relativnu magnetnu permeabilnost.Magnetska permeabilnost (μ) je konstanta proporcionalnosti između magnetske indukcije i intenziteta magnetnog polja i za vakuum iznosi μo = 1.257×10-6 H/m.Magnetska permeabilnost se obično izražava kao relativna vrijednost.Ako μ predstavlja magnetsku permeabilnost tražene materija, relativna magnetska permeabilnost je dana izrazom μr = μ / μo, reda veličine 500-1000000, znači da je uticaj magnetnog polja na takve materijale jako velik (reda veličine 10000x veći nego na zrak/vakuum).Najpoznatiji materijali s izraženim feromagnetnim osobinama su olovo, kobalt i nikal.Iako je atomski magnetni moment prisutan kod paramagneta i feromagneta, magnetne sile su daleko jače kod feromagneta.Razlog tome nije razlika u atomskom magnetnom momentu već u kristalnoj strukturi feromagneta kod kojeg međusobne veze uzrokuju sinhronizaciju magnetnih momenata susednih atoma čime je omogućeno jako privlačenje feromagneta magnetima.
Ovo je potpuna suprotnost paramagnetima kod kojih su magnetski momenti slučajno orijentisani i tako se međusobno poništavaju (osim kada se nalaze u polju jakog magneta).Kao i kod feromagnetizma i antiferomagnetizam se gubi na nekoj temperaturi TN, koja se naziva Neelova temperatura, TN, i materijal se ponaša paramagnetično. Tipičan antiferomagnet je FeO. Antiferomagnetnima se smatraju i metali Cr i Mn.U slučaju feromagnetizma, određena mesta rešetke poseduju paralelne odnosno antiparalelne spinove, pri čemu broj paralelnih ne mora biti jednak broju antiparalelnih spinova. U stanju zasićenja magnetizacija nije jednaka nuli, ali je mnogo manja nego u slučaju feromagneta. U nenamagnetisanom stanju magnetni momenti pojedinih domena su orijentisani statistički slučajno tako da je rezultantno makro namagnetisanje uzorka jednako nuli.
16
Između susednih domena postoje prelazni slojevi u kojima se postepeno menja smer magnetih momenata. Ovi slojevi se nazivaju granicama domena ili Blohovi zidovi, a njihova debljina je 0,1 μm.
U odsustvu spoljneg magnetnog polja i unutrašnjih naprezanja u kristalu, magnetni domeni su orijentisani u određenim kristalnim pravcima tzv. pravcima lakog magnetisanja.
17
Usmeravanje elementranih magneta u ovim pravcima praćeno je smanjenjem energije kristala. Ova pojava različite sposobnosti namagnetisanih kristala u različitim pravcima naziva se magnetna izotropija. U uzorku feomagnetnog materijala koji sadrži veliki broj kristalnih zrna, kristalne ose pojedinih zrna su statistički orijentisane u svim pravcima pa se zbog toga magnetna izotropija kompenzuje i uzorak u celini se ponaša kao izotropan u magnetnom pogledu. Pri prelasku tela iz paramagnetnog u feromagnetno stanje u procesu hlađenja menja se njegova zapremina. Zapremina može da se povećava ili smanjuje. Relativna linearna promjena dimenzija naziva se magnetostrikcija i označava se sa χ(=Δl/l).U spoljašnjem magnetnom polju pojavljuje se magnetni moment tela kao celine, što se objašnjava na sledeći način. U slabim spoljašnjim poljima magnetizacija tela nastaje povećavanjem domena čiji magnetni momenti su pod najmanjim uglom u odnosu na to spoljašnje polje ( sl (b)) H, dok se pri tom smanjuju domeni kod kojih je taj ugao veći. Taj stadijum se naziva proces pomjeranja granice domena. Proces se nastavlja sve dok svi drugi domeni potpuno ne nestanu i dok se prvi domen ne proširi na čitav kristal.
sl.5.7. Proces magnetizacije feromagnetika
Kad spoljašnje polje dostigne veliku jačinu, pomak granice se počinje odvijati skokovito. U tom procesu magnetni momenti svih atoma unutar domena se zakreću istovremeno ostajući i dalje međusobno paralelni. Ovo uzrokuje skokovitu prirodu magnetiziranja ( Barkhauzenov efekat). Po uklanjanju spoljašnjeg polja H, granice domene se vraćaju na prvobitne položaje, što uzrokuje magnetnu histerezu i remanentni magnetizam.Pri daljem povećavanju polja H započinje proces zaokretanja vektora magnetizacije u smer spoljašnjeg polja. Proces magnetizaciej odvija se znatno sporije, nego u prvom stadijumu i završava se onda kada vektor M svih domena usmere u smeru polja H. Magentizacija tada dostiže tehničko zasićenje.
5.1. Histerzisana kriva magnetisanja
Jačina namagnetisanja M i magnetna indukcija B feromagnetika su složene višeznačne funkcije jačina polja, H. One zavise ne samo od vrijednosti jačine polja H u trenutku posmatranja već i od jačine polja kojem je materijal ranije bio izložen,tj. od tzv.''istorije magnetisanja''. Ova pojava svojstvena feromagneticima naziva se histerezis. Histerezisna zavisnost između pomenutih veličina rezultat je postojanja nepovratnosti procesa pri magnetisanju feromagnetnog materijala. Magnetne karakteristike feromagnetnog materijala se najčešće opisuju pomoću tzv. krivih magnetizacije koje u vidu dijagrama pokazuju funckionalnu zavisnost B= B(H) ili M=M(H)
18
Kada se feromagnetik izloži dejstvu spoljašnjeg magnetnog polja čija se jačina postepeno povećava prvo počinju da se povećavaju domeni čiji magnetni momenti formiraju najmanji ugao s pravcima polja na račun ostalih susednih domena. Kao rezultat ovog procesa javlja se mikroskopsko namagnetisanje uzorka. U početnoj fazi magnetisanja ovo pomeranje granice domena je reverzibilno, što znači da se po uklanjanju spoljašnjeg polja granice domena vraćaju u prvobitno stanje, a uzorak ne ispoljava makroskopsko namagnetisanje. Sa daljim povećanjem jačine polja, H, namagnetisanje raste mnogo brže nego u prvom stadijumu namagnetisanja. Promena namagnetisanja nije više reverzibilna, jer se pri smanjenju jačine polja granice domena ne vraćaju u prvobitni položaj. Povoljno orijentisani domeni sve više rastu na račun ostalih tako da se smanjuje broj domena. Kada se veličina domena izjednači sa veličinom kristala dalje povećanje jačine namegnitisanja može da se ostvari samo na račun promene pravca namagnetisanja domena. Pri tome magnetni momenti domena teže da se postave paralelno magnetnom polju jer je to jedini način da se smanji energija. Kada se svi domeni usmere u pravcu primenjenog magnetnog polja tada je postignuto magnetno zasićenje.Ako se posle dostizanja magnetnog zasićenja jačina polja smanjuje, smanjivaće se i jačina namegnitisanja, ali će njena vrednost biti veća od odgovarajućih vrijednosti na prvobitnoj krivoj. Kada se jačina polja smanji do nule, magnetna indukcija ne isčezava već se zadržava izvesna jačina namagnetisanja koja se zove remanentna indukcija. Ova pojava se objašnjava činjenicom da se granice domena poslije prestanka djelovanja spoljašnjeg magnetnog polja, ne vraćaju u prvobitne položaje.Sa promenom smera polja i povećevanja njegove jačine, H, smanjuje se jačina zaostalog namagnetisanja i pri određenoj jačini polja, -Hc, je jednako nuli. Jačina polja Hc naziva se koercitivno polje ili koercitivna sila. Ako se negativno polje povećava dalje od –Hc u uzorku se javlja magnetna indukcija koja je suprotnog smera od prethodne.
Prema obliku i karakterističnim veličinama histerezisne krive magnetisanja feromagnetni materijali se dele na meke i tvrde magnetne materijale. Meki magnetni materijali imaju usku histerezisnu petlju i malo koercitivno polje i uglavnom se koriste za izradu magnetnih kola električnih mašina naizmenične struje i transformatora svih vrsta. Tvrdi magnetni materijali imaju široku histerezisanu petlju i veliko koercitivni polje i koriste se za izradu stalnih ( permanetnih magneta) i delova magnetnih kola mašina jednosmerne struje. Feromagnetni materijali za permanentne magnete treba da imaju što je moguće veću remanentnu indukciju, B, i koercetivno polje Hc, jer proizvod ove dve veličine predstavlja meru kvaliteta materijala za ove svrhe.
19
Mekomagnetni materijali su čisto olovni, legure Fe-Si, Fe-Ni, feriti ( jedinjenja oksida olova Fe2O3 sa oksidima drugih metala koja se dobiju sinterovanjem na određenoj temperaturi). Tvrdomagnetni materijali su legure ALNiCo i legure na bazi retkih zemalja.Feriti su tehnički najvažniji keramički magneti. Oni imaju jako slabu električnu provodljivost što je prednost u slučaju visokih frekvencija. U naizmeničnim poljima u provodniku se indukuje struja ( vrtložne struje) koja se pretvara u toplotu.Kod visoko frekventnih naizmeničnih polja ovi gubici vrtložnim strujama u metalima bi bili vrlo veliki. To je takođe razlog što se u Fe-Si limovima za jezgra transformatora povećava sadržaj Si do maksimuma, jer se time električna provodljivost i prema tome vrtložne struje smanjuju. Zbog toga Edijeve struje u slaboprovodnim feritima igraju beznačajnu ulogu. Feriti se npr. koriste se za izradu radio antena ali i za jezgra transformatora i magnetne trake. Ove magnetne trake sastoje se iz finih γ- Fe2O3 čestica na plastičnoj traci. FeeO3 je vrlo tvrdomagnetični materijal.Zvukom izazvano električno polje magnetizira čestice pri čemu je magnetizacija proporcionalna jačini polja. Isti princip važi i za diskete, diskovi kod kojih se sloj željeznog oksida nanosi na plastični disk.U amofrnim metalima nema orijentacije zavisnosti. Osim toga kretanje Blohovih zidova ne mogu spriječiti ili ometati kristalne rešetke, zbog čega su ovi materijali vrlo mekomagnetični.Kad se telo jednom namagnetiše ono ostaje namagnetisano. Telo ''pamti'' kako je dobilo namagnetisanost. Ovo ''pamćenje'' je osnova magnetnog pohranjivanja informacija, što se radi na magnetnim trakama ili kompjuterskim diskovima.
Literatura
Epifanov. G. I., Fizika čvrstog stanja, Elektrotehnički fakultet, Univerzitet u Sarajevu
E. Jakupović, R. Fazlić, Fizika elektromagnetizma, Univerzitetska knjiga, 1997
http://www.artas.hr/magneti/magnetizam.htm
http://www.svethemije.com/?q=node/151
20
