Siła magnetyczna działająca na przewodnik

Transkrypt

1 Siła magnetyczna działająca na przewodnik F 2 B b F 1 F 3 a F 4 I siła Lorentza: F B q v B IL B F B ILBsin a moment sił działający na ramkę: M' IabBsin a B F 2 b a S M moment sił działający cewkę o N zwojach N M' NIabBsin a S wektor powierzchni: wektor prostopadły do powierzchni o długości równej polu powierzchni F 4

2 Dipolowy moment magnetyczny cewka: N NIS I S Kierunek wektora m wybieramy prostopadle do płaszczyzny przekroju cewki zgodnie z regułą prawej dłoni moment siły: M NIabBsin a NISBsin a Bsina ogólnie: M B energia potencjalna dipola w zewnętrzynym polu magnetycznym: E p a B B cos a

3 Magnes jako dipol magnetyczny Najprostrzą strukturą magnetyczną, która może istnieć(wedle obecnej wiedzy) jest dipol magnetyczny. Dotychczas nie stwierdzono istnienia monopoli magnetycznych

4 Magnetyzm i elektrony spinowy moment magnetyczny: ruch elektronów w przewodniku S e m S S wektor spinu elektronu I nie można zmierzyć wektora S, jedynie jego rzut na oś mierzona składowa jest skwantowana R B S z m S h m S magnetyczna spinowa liczba kwantowa składowa z spinowego momentu magnetycznego: B 0I 2R S,z e m S eh z 2m B eh 2m J T - magneton Bohra

5 Spinowy moment magnetyczny elektronu S S

6 3. Orbitalny moment magnetyczny Orbitalnemu momentowi pędu elektronu towarzyszy orbitalny moment magnetyczny: e orb L orb 2m Dla składowej z: L orb,z m l h m l 0,1 2,...,l orb,z e 2m L orb,z m l eh 2m m l B moment magnetyczny elektronu jest sumą wektorową momentów spinowego i orbitalnego momenty magnetyczne mają też protony i neutrony, ale są one ok. 1000x mniejsze niż moment magnetyczny elektronu Dipolowy moment magnetyczny w jednostkach SI x (10-27 J/T): elektron -9284,764 proton +14, neutron -9,66236

7 Materiały magnetyczne Jeżeli suma wszystkich momentów magnetycznych atomów wytwarza pole magnetyczne to o materiale mówimy, iż ma własności magnetyczne DIAMAGNETYZM: wszystkie powszechnie spotykane materiały słabe momenty magnetyczne są indukowane gdy materiał umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym suma ta wytwarza w materiale słabe wypadkowe pole magnetyczne PARAMAGNETYZM: materiały zawierające pierwiastki przejściowe, lantanowce, aktynowce. każdy atom ma trwały wypadkowy moment magnetyczny, ale momenty są zorientowane przypadkowo i wypadkowo materiał nie wytwarza pola magnetycznego w zewnętrznym polu magnetycznym momenty te się porządkują i wytwarzają pole magnetyczne FERROMAGNETYZM: żelazo, nikiel, kobalt, metale ziem rzadkich oraz niektóre związki stopy tych pierwiastków częściowo uporządkowane momenty magnetyczne zewnętrzne pole magnetyczne powoduje powstanie silnego pola magnetycznego w materiale, które w przeciwieństwie do paramagnetyków nie znika po odjęciu pola zewnętrznego

8 PARAMAGNETYKI FERROMAGNETYKI

9 Podatność magnetyczna Wielkość fizyczna określająca zachowanie materiału (zwrot siły działajacej na materiał) pod wpływem zewnętrznego pola B liczona na jednostkę objętości materiału (jeden pierwiastek): N 0 B F S B N przenikalność diamagnetyczna próżni moment magnetyczny atomu liczba atomów na jednostkę objętości S pole przekroju kawałka materiału siła działająca na materiał w zewnętrznym polu B: namagnesowanie: M B χ < 0 substancja jest diamagnetykiem χ = 0 - brak podatności, np. dla próżni χ > 0 - substancja jest paramegnetykiem χ >> 0 - substancja jest ferromagnetykiem

10 Diamagnetyki W diamagnetyku zewnętrzne pole B zew indukuje moment magnetyczny skierowany przeciwnie do B zew. Diamagnetyk jest wypychany z zewnętrznego pola magnetycznego 0 NZe2 6m r2 N Z r 2 atomów elektronów w atomie - średni kwadrat odległości elektronów od jądra

11 Paramagnetyki W diamagnetyku zewnętrzne pole B zew indukuje moment magnetyczny skierowany zgodnie z B zew. Paramagnetyk jest wciągany do zewnętrznego pola magnetycznego

12 Prawo Curie-Weissa Eksperymentalne prawo określające zależność (T) prawo Curie: C C gn 0 B l l 1 T 3k B prawo Curie - Weissa C T T C C stała Curie (stała materiałowa) T C temperatura Curie (stała materiałowa) N liczba atomów l magnetyczna liczba kwantowa g czynnik Landego (dla elektronu = 2)

13 Prawo Curie-Weissa - przykłady Keitaro Tezuka, Yoshihiro Doi and Yukio Hinatsu J. Mater. Chem., 2002, 12, p U. Kobler, A. Hoser, J. Bos, W. Schafer, L. Pohlmann, Physica B: Cond. Matt. 355, 1-4, (2005) p U. Kobler, A. Hoser, J.U. Hoffman, Physica B: Cond. Matt. 382, 1-2, (2006) p

14 Ferromagnetyzm źródłem jest t.zw. oddziaływanie wymienne spiny elektronów w jednym atomie oddziaływują ze spinami innych atomów posiadają trwałe uporządkowanie momentów magnetycznych, co skutkuje wytwarzaniem przez ferromagnetyk pola magnetycznego uporządkowanie to znika powyżej temperatury Curie i ferromagnetyk staje się paramagnetykiem

15 1 elektron 0.54 elektronu Ferromagnetyzm 0.54 elektronu 2x5 elektronów 2x4.73 elektronów 4.46 elektronów 5 elektronów 4s 3d 4s 3d 4s 3d Cu - diamagnetyk Ni powyżej T C - paramagnetyk Ni poniżej T C - ferromagnetyk

16 Domeny magnetyczne makroskopowe obszary uporządkowania momentów magnetycznych same domeny rozłożone przypadkowo B bez zewnętrznego pola w zewnętrznym polu B

17 Domeny magnetyczne

18 Taśma magnetofonowa Domeny magnetyczne taśmy są namagnesowane N-S lub S-N Odpowiada to systemowi binarnemu Gdy taśma się przesuwa pole magnetyczne indukuje się w żelaznej głowicy Pole to zmienia się zgodnie z orientacją domen Zmiany pola magnetycznego powodują zmiany prądu w cewce owiniętej na głowicy Cewka podłączona jest do wzmacniacza

19 Pojemność twardych dysków gigantyczny magnetoopór (GMR) indukcyjne magnetoopór (MR)

20 Pojemność twardych dysków

21 Magnetoopór (MR) Magnetoopór, inaczej zjawisko Gaussa - zjawisko polegające na zmianie oporu metali i półprzewodników pod wpływem pola magnetycznego. W polu magnetycznym tor cząstki naładowanej zakrzywia się, więc droga jaką pokonuje cząstka ulega wydłużeniu. Objawia się to zmniejszeniem natężenia prądu (wzrostem oporu). Przykład: Dysk Corbino (1911)

22 0.54 elektronu Anizotropowy magnetoopór (AMR) 4s 4.46 elektronów 5 elektronów 3d Ni poniżej T C - ferromagnetyk Zmiana oporu zależy nie tylko od natężenia pola magnetycznego, ale też od jego kierunku Na skutek oddziaływania wymiennego istnieje inna ilość elektronów o spinie niż o spinie. rózna ilość wolnych stanów dla elektornów i dla elektronów różne prawdopodobieństwo przejścia między pasmami dla elektronów o spinie zgodnym i przeciwnym do kierunku namagnesowania

23 Głowice AMR czułość detekcja pól magnetycznych rzędu 1 T (0.001 pola Ziemi) permaloj (Fe 79%, Ni 21%), supermaloj (Fe 79%, Ni 15,5%, Mo 5%, Mn 0.5%) zastosowanie (do lat 90-tych): głowice magnetofonów głowice odczytu twardych dysków elektroniczne kompasy miernictwo elektryczne

24 Gigantyczny magnetoopór Dla równoległej konfiguracji kierunków namagnesowania w warstwach ferromagnetycznych ( ) prawdopodobieństwo rozpraszania dla elektronów ze spinem i są różne. Elektron ze spinem jest słabo rozpraszany zarówno na pierwszej, jak i drugiej warstwie, natomiast elektron ze spinem jest silnie rozpraszany na obu warstwach. Odkrycie 1988 Albert Fert i Peter Grünberg