WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE CIAŁA STAŁEGO

Transkrypt

1 WŁASNOŚCI MAGNETYCZNE CIAŁA STAŁEGO Moment magnetyczny atomu Polaryzacja magnetyczna Podatność magnetyczna i namagnesowanie Klasyfikacja materiałów magnetycznych Diamagnetyzm, paramagnetyzm, ferromagnetyzm Antyferromagnetyzm i ferrimagnetyzm Politechnika Opolska Opole University of Technology Wydział InżynierIi Produkcji i Logistyki Faculty of Production Engineering and Logistics

2 MOMENT MAGNETYCZNY ATOMU Orbitalny moment magnetyczny μ elektronu krążącego wokół jądra jest proporcjonalny do jego momentu pędu. Oprócz orbitalnego momentu magnetycznego elektron w atomie posiada spinowy (wewnętrzny) moment magnetyczny μ spin. Momenty orbitalny i spinowy elektronu dodają się wektorowo. Moment magnetyczny atomu jest sumą wektorową momentów magnetycznych (spinowych i orbitalnych) wszystkich elektronów (suma ta może wynosić zero lub być różna od zera). I - natężenie prądu wytw. przez elektron e - ładunek elektronu ν - częstotliwość ruchu elektronu μ - moment magnetyczny S - powierzchnia zamkniętego obwodu υ - prędkość liniowa ruchu elektronu po orbicie I = eν = eω 2π = eυ 2πr μ = IS = eυ 2πr πr2 = 1 2 eυr L = m e υr μ = eυ 2m e L

3 POLARYZACJA MAGNETYCZNA Polaryzacja magnetyczna umożliwia opis pola magnetycznego wewnątrz ciał namagnesowanych pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Polaryzacja magnetyczna - zjawisko całkowitego lub częściowego uporządkowania momentów magnetycznych atomów ośrodka materialnego po umieszczeniu go w polu magnetycznym. Wektor polaryzacji magnetycznej J określa całkowity (wypadkowy) moment magnetyczny jednostki objętości ciała. J - polaryzacja magnetyczna [V s / m 2 ] (wektor namagnesowania, natężenie namagnesowania, magnetyzacja) N - koncentracja dipoli magnetycznych μ - moment magnetyczny B 0 - indukcja magnetyczna w próżni B - indukcja magnetyczna w materii μ 0 - przenikalność magnetyczna próżni H - natężenie pola magnetycznego μ r - względna przenikalność magnetyczna J = Nμ B 0 = μ 0 H B = B 0 + J = μ 0 H + J μ 0 μ r = B B 0 = μ 0 μ r H

4 PODATNOŚĆ MAGNETYCZNA I NAMAGNESOWANIE Podatność magnetyczna - bezwymiarowy parametr charakteryzujący zdolność substancji do zmiany swojego momentu magnetycznego pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Wektor indukcji magnetycznej B i polaryzacji magnetycznej J mogą być skierowane równolegle lub antyrównolegle. W zależności od wielkości i znaku podatności magnetycznej χ ciała dzielimy na trzy grupy: diamagnetyki (χ < 0), μ r = B B = paramagnetyki (χ > 0), B 0 μ 0 H = 1 ± J μ 0 H ferromagnetyki (χ >> 0). Namagnesowanie M to iloczyn podatności magnetycznej i natężenia pola magnetycznego i dla wielu substancji jest proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego H. M = χ H μ r = 1 + χ χ

5 KLASYFIKACJA MATERIAŁÓW DIAMAGNETYKI atomy mają zerowy moment magnetyczny przy braku zewnętrznego pola nie posiadają wypadkowego momentu magnetycznego diamagnetyki są wypychane z pola magnetycznego. MAGNETYCZNYCH PARAMAGNETYKI atomy mają niezerowy moment magnetyczny chaotycznie ułożone momenty magnetyczne przy braku zewnętrznego pola nie posiadają wypadkowego momentu magnetycznego paramagnetyki są wciągane w obszar pola magnetycznego. FERROMAGNETYKI atomy mają niezerowy moment magnetyczny momenty magnetyczne ułożone w tym samym kierunku przy braku zewnętrznego pola posiadają wypadkowy moment magnetyczny

6 DIAMAGNETYZM Diamagnetyzm - własność wszystkich materiałów, jednak wyraźnie przejawia się tylko wtedy, gdy nie występują inne rodzaje magnetyzmu (ciała których atomy mają sumaryczny moment magnetyczny elektronów równy zeru). Do diamagnetyków należą atomy i jony o wypełnionych powłokach elektronowych (atomy gazów szlachetnych oraz jony jednowartościowe jak np. F -, Cl - ) a także atomy i jony, które poza wypełnioną powłoką elektronową mają dwa elektrony o antyrównoległych spinach (np. Be, Ca, Zn). Zewnętrzne pole magnetyczne powoduje zmianę ruchu orbitalnego elektronów wokół jądra i w efekcie powstanie indukowanych prądów wirowych (indukowanego momentu magnetycznego). Powstałe pole magnetyczne zgodnie z regułą Lenza jest skierowane przeciwnie do zewn. pola magnetycznego, w efekcie diamagnetyk jest wypychany z pola magnetycznego. Przenikalność magnetyczna substancji diamagnetynych jest mniejsza od jedności (μ r < 1), a podatność magnetyczna jest ujemna i stosunkowo niewielka (-10-4 < χ <-10-9 ).

7 PARAMAGNETYZM Paramagnetyzm - zjawisko namagnesowania się ciała w zewn. polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem tego pola (pierwotnie dowolnie zorientowane momenty magnetyczne porządkują się zgodnie z liniami zewn. pola magnetycznego). Właściwości paramagnetyczne mają substancje o niesparowanych elektronach (atomy, jony lub cząsteczki o nieparzystej liczbie elektronów: Al, O 2, W, Pt, Sn). Przenikalność magnetyczna substancji paramagnetynych jest większa od jedności (μ r > 1), a ich podatność magnetyczna jest dodatnia (10-6 < χ < 10-4 ). Prawo Curie - opisuje zależność podatności magnetycznej od temperatury bezwzględnej. χ = C T PRAWO CURIE Podatność paramagnetyczna substancji jest odwrotnie proporcjonalna do jej temperatury bezwzględnej. *C - stała Curie (zależy od rodzaju materiału)

8 FERROMAGNETYZM Ferromagnetyzm - zjawisko występowania spontanicznego namagnesowania (równoległego ustawienia momentów magnetycznych) w kryształach substancji zwanych ferromagnetykami (np. Fe, Co, Ni). Domeny Weissa - makroskopowe obszary spontanicznego uporządkowania momentów magnetycznych w ferromagnetyku (uporządkowanie momentów magnetycznych w ramach domen Weissa, rozdzielonych ścianami Blocha). Ściany Blocha - warstwy przejściowe rozdzielające domeny Weissa, namagnesowane w różnych kierunkach (namagnesowanie ferromagnetyka następuje przez odwracalne lub nieodwracalne przesunięcia ścian Blocha). struktura domenowa ferromagnetyka porządkowanie momentów magnetycznych przez pole zewn. Przenikalność magnetyczna substancji ferromagnetycznych zależy od natężenia pola magnetycznego i jest o wiele większa od jedności (μ r >> 1), a ich podatność magnetyczna jest dodatnia (χ > 0).

9 FERROMAGNETYZM Pętla histerezy - krzywa opisująca zależność namagnesowania substancji ferromagnetycznych od natężenia zewn. pola magnetycznego (pole powierzchni objętej przez pętlę histerezy jest równe pracy wykonanej przez zewn. pole magnetyczne przy porządkowaniu domen Weissa. Ferromagnetyk twardy - szeroka krzywa histerezy, trudny do rozmagnesowania, stabilnie zachowane przez długi czas pole magnetyczne (także przy zaburzeniach przez inne pole magnetyczne), nadaje się do wytwarzania magnesów trwałych (np. magnesy w dyskach). Ferromagnetyk miękki - wąska krzywa histerezy, łatwy do rozmagnesowania, o dużej indukcji magnetycznej, małe straty energii przy rozmagnesowaniu, stosowane jako rdzenie transformatorowe i głowice fonii. PĘTLA HISTEREZY FERROMAGNETYKA Oa - krzywa pierwotnego namagnesowania a - indukcja nasycenia (wszystkie momenty magnetyczne ferromagnetyka skierowane zgodnie z kier. natężenia pola magnetycznego) Krzywa namagnesowania zależy od magnetycznego stanu wyjściowego ferromagnetyka (krzywa pierwotnego namagnesowania).

10 ANTYFERROMAGNETYZM I FERIMAGNETYZM Antyferromagnetyzm - własność magnetyczna ciał, w których sąsiednie spinowe momenty magnetyczne, jednakowe co do wartości, ustawiają się antyrównoległe (np.: CoO, NiCo, FeO, CoF 3, FeF 3 ). Względna przenikalność magnetyczna substancji antyferromagnetycznych jest większa od jedności (μ r > 1). Ferrimagnetyzm - własność magnetyczna ciał krystalicznych, w których występuje antyrównoległe ustawienie sąsiednich spinowych momentów magnetycznych (substancje ferrimagnetyczne: NiFe 2 O 3, CoFe 2 O 3 ; ferryty heksagonalne BaO 6Fe 2 O 3, PbO Fe 2 O 3 ; granaty 3Ce 2 O 3 5Fe 2 O 3, 3Sm 2 O 3 5Fe 2 O 3 ). Ferryty - materiały ferrimagnetyczne (kryształy jonowe), niemal wolne od prądów wirowych z powodu dużego oporu właściwego (głównie materiały ceramiczne stosowane jako rdzenie cewek pracujących przy dużych częstotliwościach np. anteny ferrytowe). ANTYFERROMAGNETYZM - dwie podsieci o jednakowych momentach magnetycznych, uporządkowanych antyrównolegle FERRIMAGNETYZM - dwie podsieci o różnych momentach magnetycznych, uporządkowanych antyrównolegle