MAGNETOCERAMIKA Historia. Historia

Transkrypt

1 MAGNETOCERAMIKA Historia ok BC chiński kompas; 1269 Pierre Pelerin de Maricourt (Epistola de magnete) naturalne sferyczne magnesy z magnetytu magnetyzujące igły, obraz pola magnetycznego, pojęcie bieguna ; ok kompasy nawigacyjne (Kolumb); Historia William Gilbert ( ) wyjaśnienie zachowania się kompasu, Ziemia jako pojedynczy magnes; indukcja magnetyczna, 1

2 Historia Charles Augustin de Coulomb ( ) pomiary siły magnetycznej, waga skrętna, Joseph Henry ( ) odkrycie zjawiska indukcji magnetycznej (Faraday był szybszy), Michael Faraday ( ) odkrycie zjawiska indukcji magnetycznej, prądnica, Historia Hans Christian Ørsted ( ) odkrycie zjawiska elektromagnetyzmu; Carl Friedrich Gauss ( ) teoria magnetyzmu Historia André Marie Ampère ( ) całka liniowa wektora gęstości strumienia magnetycznego obliczana po krzywej zamkniętej jest proporcjonalna do wypadkowego prądu otoczonego tą krzywą, elektrostatyka, elektrodynamika, James Clerk Maxwell ( ) unifikacja oddziaływań, Nicola Tesla ( ) magnetyki zmiennoprądowe, radio, 2

3 Pole magnetyczne zachowawcze pole sił powstające na skutek ruchu ładunków elektrycznych. Prąd stały powoduje powstanie statycznego pola magnetycznego, prąd zmienny zmiennego (pole elektromagnetyczne). Indukcja magnetyczna - jeżeli w pewnym obszarze na ładunek elektryczny poruszający się z prędkością v działa siła (Lorentza) F określona przez iloczyn wektorowy: 1 Newton F q v B 1Tesla 1Amper 1Metr to w obszarze tym występuje pole magnetyczne o indukcji B. Natężenie pola magnetycznego wielkość wektorowa, H, wynikająca z prawa Ampera, opisująca pole magnetyczne w odległości r od przewodu, w którym płynie prąd o natężeniu I: C H dr I 1Amper 1 Metr Magnetyzacja magnetyczny moment dipolowy na jednostkę objętości, M. Powstanie i zachowanie się takiego pola opisują równania Maxwella: zmienne w czasie pole magnetyczne wytwarza wirowe pole elektryczne (prawo Faradaya), B rot t przepływający prąd oraz zmienne pole elektryczne wytwarzają wirowe pole magnetyczne (rozszerzone prawo Ampera), D j rot t źródłem pola elektrycznego są ładunki (prawo Gaussa), div D pole magnetyczne jest bezźródłowe, linie pola magnetycznego są zamknięte (prawo Gaussa), E div B 0 H 3

4 Powstanie i zachowanie się takiego pola opisują równania Maxwella, oraz prawo Biota-Savarta w ujęciu Laplace a: Indukcja magnetyczna, B, w dowolnym punkcie pola magnetycznego wytworzona przez przewodnik z prądem o dowolnym kształcie jest sumą wektorową indukcji, db i, pochodzących od małych odcinków, dl i, przewodnika z prądem: Postać wektorowa Postać skalarna - 0 dl r d B I 3 4 r db 0 I sin dl 2 4 r strumień magnetyczny w próżni strumień magnetyczny w materiale B 0 0 H B H J 0 B H M przenikalność magnetyczna próżni, Gęstość strumienia magnetycznego w materiale: B = µ 0 H+J = µ 0 (H+M) proporcjonalna zależność pomiędzy gęstością strumienia i natężeniem pola magnetycznego (nie dla wszystkich materiałów): J = µ 0 χ m H, M = χ m H B = µ 0 (1+ χ m ) H χ m podatność magnetyczna. względną jako: Jeżeli zdefiniujemy przenikalność µ r = 1 + χ m to dla materiałów liniowych: B = µ 0 µ r H 4

5 Przyczyną powstania pola magnetycznego jest ruch ładunków, w ujęciu mikroskopowym jest to: ruch protonów w jądrze atomowym jądrowy moment magnetyczny (w zdecydowanej większości przypadków jest pomijalnie mały); ruch elektronów wokół jądra atomowego orbitalny moment magnetyczny związany z orbitalnym momentem pędu (raczej niewielki): e e L 2 m minimalny moment orbitalny: e h B 4 m magneton Bohra, 9, A m 2 Przyczyną powstania pola magnetycznego jest ruch ładunków, w ujęciu mikroskopowym jest to: ruch protonów w jądrze atomowym jądrowy moment magnetyczny (w zdecydowanej większości przypadków jest pomijalnie mały); ruch elektronów wokół jądra atomowego orbitalny moment magnetyczny związany z orbitalnym momentem pędu (raczej niewielki): e e L 2 m ruch obrotowy elektronów spinowy moment magnetyczny (decydujący o właściwościach); s 2 B s B Moment magnetyczny atomu jest? sumą wszystkim momentów magnetycznych jądrowego, orbitalnych i spinowych. Zewnętrzne pole magnetyczne zmienia orbitalne momenty pędu elektronów. Jeżeli momenty magnetyczne elektronów wchodzących w skład danego atomu znoszą się wzajemnie tak, że moment magnetyczny atomu jest równy zeru to materiał jest diamagnetykiem. Zjawisko diamagnetyzmu polega na indukcji w materiale, przez zewnętrzne pole magnetyczne, skierowanego przeciwnie pola, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. χ m <0, µ r <1 (aczkolwiek efekt jest słaby); Diamagnetyzmem cechują się atomy z całkowicie wypełnionymi orbitalami np. gazy obojętne, kryształy jonowe, półprzewodniki, metale takie jak Cu, Au, Ag. 5

6 Zewnętrzne pole magnetyczne zmienia orbitalne momenty pędu elektronów. Jeżeli momenty magnetyczne elektronów wchodzących w skład danego atomu znoszą się wzajemnie tak, że moment magnetyczny atomu jest równy zeru to materiał jest diamagnetykiem. Zjawisko diamagnetyzmu polega na indukcji w materiale, przez zewnętrzne pole magnetyczne, skierowanego przeciwnie pola, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. χ m <0, µ r <1 (aczkolwiek efekt jest słaby); Bez pola magnetycznego materiał nie wykazuje momentu magnetycznego, w polu magnetycznym indukowane są słabe dipole magnetyczne. Paramagnetyzm to zjawisko słabego magnesowania się ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Paramagnetyzm wykazują atomy z częściowo wypełnionymi orbitalami. W niezbyt niskich temperaturach oraz dla niezbyt silnych pól magnetycznych paramagnetyki, podobnie jak diamagnetyki, wykazują liniową wielkość namagnesowania od pola zewnętrznego: χ m >0, µ r >1 (aczkolwiek niewiele); Paramagnetykami są: metale alkaliczne, metale przejściowe, metale ziem rzadkich, tlen; Paramagnetyzm to zjawisko słabego magnesowania się ciała w zewnętrznym polu magnetycznym w kierunku zgodnym z kierunkiem pola zewnętrznego. Paramagnetyzm wykazują atomy z częściowo wypełnionymi orbitalami. W paramagnetykach obecne są niewielkie, nieuporządkowane momenty magnetyczne pochodzenia spinowego. Zewnętrzne pole magnetyczne porządkuje spiny elektronów zgodnie z liniami zewnętrznego pola magnetycznego. Paramagnetyki wykazują silną zależność właściwości od temperatury zgodnie z prawem Curie. 6

7 Dla wyższych wartości natężenia pola magnetycznego w przypadku materiałów paramagnetycznych obserwuje się zjawisko nasycenia (saturacji) wszystkie możliwe dipole zostały zorientowane. dia χ m Al 2 O 3 1, NaCl 1, Si 0, Cu 0, Zn 1, para χ m Al 2, MnSO 4 3, Mo 1, W obu przypadkach µ r~1, więc takie materiały nie mają znaczenia z punktu widzenia magnetyzmu Ti 1, Zr 1, Czy w materiałach może dojść do spontanicznego porządkowania spinów i pojawienia się samoistnego momentu magnetycznego? Tak, pod warunkiem osiągnięcia odpowiednio wysokiej wielkości energii wymiany. Energia wymiany - jest to różnica energii pomiędzy stanami o równoległej i antyrównoległej konfiguracji spinów. Jest to więc różnica pomiędzy energią dla stanu tripletowego a energią dla stanu singletowego. Opisuje się ją za pomocą całki wymiany, J. Całka wymiany - całka opisująca oddziaływanie wymienne między dwoma stanami prowadzące do zamiany ich współrzędnych. Zależność energii wymiany, E, dla metali przejściowych od stosunku odległości międzyatomowych, a, do promienia, r, powłoki elektronowej 3d przedstawić można w postaci krzywej Bethe-Slatera. Dla pary atomów oddziaływanie wymienne w ij, odpowiadające za E, ma postać: w ij = - 2 J s i s j Z wykresu wynika, że dla niektórych metali można spodziewać się równoległego porządkowania spinów (powyżej osi poziomej) a w innych przypadkach porządkowania antyrównoległego (poniżej osi). 7

8 Jony metali z częściowo wypełnionymi orbitalami 3d wykazują efektywne moment magnetyczny do wartości 5 magnetonów Bohra. W zależności od struktury krystalicznej i wynikających z niej oddziaływań pomiędzy sąsiadującymi atomami (krzywa Bethe-Slatera) można zaobserwować porządkowanie się spinów (równoległe lub antyrównoległe) w pewnej, niewielkiej objętości materiału określanej jako domena magnetyczna. Równoległe ułożenie atomowych momentów magnetycznych prowadzi do pojawienia się samoistnego namagnesowania materiału. W zależności od ułożenia momentów wewnątrz domeny wyróżnia się trzy rodzaje materiałów ferromagnetyczne, ferrimagnetyczne i antyferromagnetyczne. ferromagnetyzm ferrimagnetyzm antyferromagnetyzm Powyżej pewnej temperatury charakterystycznej dla każdego materiału, temperatury Curie (T C ), drgania cieplne sieci powodują do nieuporządkowania momentów magnetycznych i materiał staje się paramagnetykiem. ferromagnetyzm ferrimagnetyzm antyferromagnetyzm T < T C T<T N ferromagnetyzm wymaga wolnych elektronów w paśmie przewodnictwa ferri- i antyferromagnetyzm występują także w izolatorach metale metale i tlenki 8

9 Ferromagnetyzm to zjawisko samoistnego silnego uprządkowania momentów magnetycznych w obszarze domeny magnetycznej. Ferromagnetyzm wykazują materiały (nie pojedyncze atomy), których atomy mają częściowo wypełnione orbitale. W przypadku braku pola sumaryczny moment magnetyczny może być zerowy. Pole magnetyczne porządkuje domeny prowadząc do pojawienia się dużego momentu magnetycznego w całej objętości materiału. χ m >0, µ r >>1 (czasami bardzo); Ferromagnetykami są żelazo, kobalt, nikiel, stopy metali ferromagnetycznych, Nd 2 Fe 14 B, SmCo, W materiałach antyferromagnetycznych dipole magnetyczne w domenach mają charakter antyrównoległy. Zjawisko to, podobnie jak ferromagnetyzm, występuje w materiałach zbudowanych z atomów o częściowo wypełnionych orbitalach lecz oddalonych od siebie tak, że energia wymiany nie pozwala na uporządkowanie spinów. Zarówno w przypadku braku zewnętrznego pola jak i w polu sumaryczny moment magnetyczny jest praktycznie równy zero. χ m 0, µ r 1; Antyferromagnetykami są MnO, FeO, CoO, NiO. W strukturze MnO sąsiadujące ze sobą jony manganu mają antyrównoległe ułożenie spinów wymuszone przez jony tlenu. Częściowe nałożenie się na siebie orbitali 3d Mn 2+ oraz 2p O 2- wymusza taką orientację zgodnie z regułami Hunda. 9

10 Materiały ferrimagnetycznych cechują się również antyrównoległym uporządkowaniem elementarnych momentów magnetycznych, przy czym momenty te nie kompensują się całkowicie. Zjawisko to, podobnie jak ferromagnetyzm, występuje w materiałach zbudowanych z atomów o częściowo wypełnionych orbitalach. Struktura krystaliczna decyduje o antyrównoległym ułożeniu spinów lecz nie takich samych atomów. χ m >0, µ r >>1; Ferrimagnetykami są tlenki typu AB 2 O 4 - ferryty. Domeny magnetyczne Obszar materiału, w którym wszystkie momenty magnetyczne wykazują to samo uporządkowanie nazywamy domeną magnetyczną lub obszarem Weissa. Ich powstanie związane jest z minimalizacją energii całkowitej. Oddzielone są od siebie obszarami dezorientacji zwanym ścianami Blocha. Wielkość domeny dochodzi nawet do mm, grubość ścianki Blocha to kilkaset atomów nm. Domeny magnetyczne W zewnętrznym polu magnetycznym domeny obracają się zgodnie z liniami sił pola. Jednocześnie przesuwają się ścianki domen, których ruch zależny jest od defektów sieciowy, zanieczyszczeń, granic ziarnowych, wtrąceń... 10

11 Histereza magnetyczna Porządkowanie się domen w zewnętrznym polu magnetycznym jest odpowiedzialne za zjawisko pętli histerezy opóźnienia reakcji układu na czynniki zewnętrzne. Krzywa magnesowania pierwotnego - B C A A odwracalny ruch ścianek Blocha, B nieodwracalny ruch ścianek Blocha, C odwracalny obrót momentów magnetycznych, Histereza magnetyczna Porządkowanie się domen w zewnętrznym polu magnetycznym jest odpowiedzialne za zjawisko pętli histerezy opóźnienia reakcji układu na czynniki zewnętrzne. H C natężenie pola koercji, B r gęstość strumienia remanencji (indukcja resztkowa), B s gęstość strumienia nasycenia, Histereza magnetyczna W zależności od kształtu pętli histerezy materiały ferromagnetyczne są: miękkie, H c <10 A m -1 twarde, H c >100 A m -1 11

12 Histereza magnetyczna Ceramiczne materiały magnetyczne Wykorzystanie właściwości magnetycznych materiałów ceramicznych ogranicza się do dwóch przypadków: silny diamagnetyzm nadprzewodników wysokotemperaturowych lewitacja magnetyczna; ferrimagnetyzm tlenków zawierających pierwiastki magnetyczne indukcja, magnetowody, magnetofluidy, magnetoopór, multiferroizm; Ferrimagnetyki tlenkowe (ferryty) o strukturach typu: spinelu MeFe 2 O 4, granatu Y 2 Fe 5 O 12, magnetoplumbitu MeFe 12 O 19, Ceramiczne materiały magnetyczne Struktura typu spinelu Gęste, regularne upakowanie jonów tlenu, Kationy w lukach tetra- (A) i oktaedrycznych (B), Kationy w różnych lukach oddziaływują ze sobą poprzez jony tlenu, Spiny Fe 3+ się parują, Spiny Fe 2+ (Me 2+ ) się nie parują, 12

13 Ceramiczne materiały magnetyczne Właściwości ferrytów Ceramiczne materiały magnetyczne Właściwości ferrytów Ceramiczne materiały magnetyczne Zastosowanie ferrytów 13

14 Ceramiczne materiały magnetyczne Zastosowanie ferrytów 14