Magnetyki. Magneton Bohra B. Literatura podstawowa. Stałe materiałowe. Momenty orbitalne elektronu Elementy teorii atomowej magnetyzmu

Transkrypt

1 Magnetyki slajdy - 6 są tylko dla chętnych Maria Walczak Literatura podstawowa Marek licharski Wstęp do inżynierii materiałowej WNT Warszawa 00r Szczepańska H.: Procesy technologiczne w elektronice półprzewodników WNT, Warszawa, 980. Zdzisław Celiński Materiałoznawstwo elektrotechniczne - Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 998. Literatura dodatkowa St. Jaźwiński, A. Ciszewski, T. Radomski, A. Szummer- Z zagadnień inżynierii materiałowej Kittel Ch.:Wstep do fizyki ciała stałego, PWN, Warszawa 999r Stałe materiałowe =/ - konduktywność= e n [As /m 3 m /Vs] = S/m - przenikalność dielektryczna = C/C o 0 = F/m - przenikalność magnetyczna = /H 0 = H/m, r - diamagnetyki, r paramagnetyki, r - ferromagnetyki Elementy teorii atomowej magnetyzmu Każdy elektron wirujący po orbicie jest obdarzony momentem magnetycznym : orbitalnym L = -e/m e L=- e n h/4m e, L- orbitalny moment pędu, e ładunek elektronu, m e masa elektronu, n =,,3..= K,L,M,N,O,P,Q spinowym S = -e/m e S, S- spinowy moment pędu elektronu = / Magnetyczny moment jądra atomu( protony i neutrony) jest ok. 000 razy mniejszy od momentu spinowego i orbitalnego. Wypadkowy moment magnetyczny atomu = L + S 4 Magneton ohra = e h/4m e = J/T (Am ) orbitalny moment magnetyczny: Spinowy moment magnetyczny L Lz m l 0,,... l ( l ) m l, l,... l, S s / m S, z S m s ( s ) S Momenty orbitalne elektronu e r e r e me L L=m e r r I L = I S= e, m e

2 Momenty spinowe elektronu S = -e/m e S, S =/h/ +/ h/ -/ Rozpatrujemy ruch elektronu na kołowej orbicie, w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku pola. Gdy nie ma pola zewnętrznego, siła kulombowska jest siłą dośrodkową, określającą ruch kołowy elektronu z prędkością ; F m r H C F ev L Ruch elektronu ulega spowolnieniu pod wpłpływ mr( ) e m różóżni sił F ev C r p m F c -e v F L Doświadczenie magnetomechaniczne Einsteinade Haasa (95) Obwód cewki do nagłego przemag nesowy wania Nić krzemowa lub nylonowa o ~5m zwierciadełko Rdzeń z substancji ferro (lub para-) magnetycznej swobodnie zawieszony Momenty mechaniczne Moment orbitalny elektronu M orb, moment spinowy elektronu M Sp Stosunek żyromagnetyczny: g g g orb spin M M magn atomu mech atomu e mc e mc Wielkości charakteryzujące pole magnetyczne κ=m/h podatność magnetyczna bezwzględna, M=m/S- polaryzacja magnetyczna (gęstość powierzchniowa masy magnetycznej), H- zewnętrzne natężenie pola magnetycznego ( bez pola wewnętrznego H w =αm, α- stała pola wewnętrznego, κ= C/T) = μ 0 H+M indukcja magnetyczna = Φ/S 0Nmef C μ = μ 0 + κ, κ r = κ/μ 0 3k μ= μ 0 (+ κ r ), μ r = + κ r J 34 Stała Curie C k.380 h Js K μ =/H, μ r = μ/μ 0 /H= μ 0 +M/H= μ 0 + κ Powło ka Podp owłok a Rozkład momentów spinowych K L M N m s s p 3s 3p 3d 4s Własności magnetyczne O paramagnetyk Ne 0 diamagnetyk Fe 4 ferromagnetyk

3 Ferromagnetyki Spontaniczne namagnesowanie w domenach, Namagnesowanie przy braku zewnętrznego pola różne od 0 Fe, Ni, Co, Gd, Er, Dy, Tm (tul), Ho, Tb M=(C/T)(H+αM) Prawo Curie- Weissa κ= C/(T-Tc) Fe C T CGd =89K, T CHo =0K Co C T CDy =05K (89K), T CEr =0K Ni C T CTb =0K, T CTm =3K Energia magnetyczna w atomie( momenty magnetyczne spinowe, orbitalne i jądra atomu): 0-3 J/atom Energia kinetyczna ruchów cieplnych atomów spowodowanych temperaturą w 93K 0 - J/K Wg Weissa istnieje pole wewnątrzmolekularne H i = J, gdzie - siła wewnątrzmolekularnego pola H`=H+ J domeny Weissa ~0.0mm, ścianki locha ~30nm T Prawo Curie-Weissa C T C M(T)/M(0) paramagnetyzm Warunek dostateczny istnienia ferromagnetyzmu A=.60 - J lub 0 - J J Mn Fe Co Ni.6.8 A>0 A~0 paramagnety,ki a/r 3d ferromagnetyzm T/T C a a a antyferromagnetyki Paramagnetyki Atomy, jony lub cząsteczki o nieparzystej l. elektronów np.. Na, gazowy NO, rodniki organiczne Swobodne atomy i jony z κ niewypełnioną powłoką wewn. np. pierwiastki grupy przejściowej i pierwiastki ziem rzadkich Mn +, Gd 3+, U 4+ Kilka związków o parzystej l. elektronów, O Metale Al, Pt, Pd, Nd (,003) Przykładowe diamagnetyki r <, κ r <0 Ag, Au Cu, Zn, Pb, Hg, Si, S, P, i ( ), Sb, Tl, Ga, J, C-grafit, Niektóre stopy podwójne Cu-Zn, lód, woda, wszystkkie gazy oprócz tlenu Al O 3, NaCl

4 Antyferromagnetyzm Oddziaływanie między sąsiednimi jonami ustawia spiny przeciwrównolegle m ef ~0 r mniejsze niż w ferromagnetykach, brak zastosowania praktycznego Kryształy o wiązaniach jonowych: MnO, MnAs, MnS, NiCr, Cr O 3, VO Ferrimagnetyzm Magnetyzm typu ferrytowego. Spiny antyrównoległe nie mają jednakowych wartości bezwzględnych r ferrimagn < r ferromagn Występuje w kryształach jonowych zbudowanych z dwóch nierównoważących się podsieci Fe O 3 + tlenki jednego lub kilku metali- Li, Zn, Cd, Pb, Cu, Mn, Mg Magnesowanie ferromagnetyka Statyczna pętla histerezy Dla dynamicznej f,μ, P h a) do H~0.0-0.A/m sprężyste i odwracalne przesunięcia granic domen b) od 0.0A/m do H C sprężyste przemieszczanie granic domen i skokowe zmiany kierunku wektora namagnesowania spontanicznego- pojawiają się procesy nieodwracalne c) max, skoki erkhausena Straty w ferromagnetyku Energia strat z histerezy p h( cykl ) Hd na jednostkę obj. P Ph Pw khm f kwm f α =.6-3., k h = , k W =C W b /ρ, C W współczynnik zależny od materiału, b grubość blachy, ρ- rezystywność Jeśli m = const, f=var, α= P=k h f + k W f p/f A 0 c f k W f k h f Anizotropia kryształów ferromagnetycznych W kryształach ferromagnetycznych wyróżniamy: energię magnetyczną własną, energię wymiany, energię magnetokrystaliczną (anizotropii)

5 Anizotropia kryształu żelaza Anizotropia kryształu niklu Fe - bcc, a=.87 A. Co - hcp, a =.5 A, b=4.07 A Kryształ niklu - sieć fcc, a = 3.5 A Przeliczenie jednostek: T = Gs Relaksacja magnetyczna The linewidth of the ferromagnetic resonance absorption in nickel, iron and cobalt was measured in pulsed magnetic fields up to 35 T at frequencies between 400 and 900 GHz. With this configuration the authors were able to determine the intrinsic relaxation in the temperature range between 0 and 300 K. Their results show that there is a universal behaviour of the relaxation for the 3d ferromagnets. Współczynnik strat magnetycznych tg m - charakteryzuje kątowe opóżnienie wektora względem natężenia pola magnetycznego H Dla ferrytów nie powinien przekraczać 0.0 przy f=mhz Zredukowany współczynnik strat magnetycznych tg m Magnetostrykcja Zjawisko zmiany kształtu i rozmiarów materiałów magnetycznych pod wpływem pola magnetycznego lub przeciwnie zjawisko zmiany własności magnetycznych pod wpływem przyłożonej z zewnątrz siły ( zmiana orientacji domen)- wynika z samorzutnej deformacji prowadzącej do zmniejszenia energii anizotropii Zjawisko odkryte przez Jamesa Joula w 84 (zmiana dł. Ni), efekt odwrotny zjawisko Villari ego, efekt Wiedemanna skęcenie materiału przy śrubowym polu magnetycznym i odwrotny Matteuci ego. Miarą magnetostrykcji l l V V Magnetostrykcja (c.d.) Wielkość m. zależy od składu chem. materiału, kierunku i wartości natężenia zewnętrznego pola magnetycznego, obróbki termicznej, mechanicznej i temperatury otoczenia max ~ Zastosowanie- generacja ultradżwięków (SONAR- II wojna światowa) 5

6 Współczesne materiały magnetostrykcyjne Tb i Dy 0 000x maxni, b. niskie temp., TbFe, DyFe 93K, ale silne pola magn., od Tb.7 Dy.73 Fe.95 (Terfenol-D) Tb.7Dy.73Fe.95 = 500ppm Starzenie się materiałów magnetycznych jest to zjawisko zmian w czasie własności ferro i ferrimagnetycznych, H C, r ( zmiana kształtu pętli histerezy) Wpływ na st. wywierają: - zanieczyszczenia materiału ( zmiana rozkładu zanieczyszczeń, rozpad niestałych połączeń chemicznych -temperatura pracy w polu magn. - zmniejszenie naprężeń wewnętrznych Starzenie sztuczne współdziałaniem podwyższonej temperatury i drgań mechanicznych Podział materiałów magnetycznych twarde metaliczne czyste Fe stale o małej zawartości C stale krzemowe stopy FeNi stopy FeCo szkła metaliczne niemetaliczne magnetoelasty proszkowe spiekane (ferryty) ferrofluidy Materiały magnetyczne o =const metaliczne odlewy stopowe anizotropowe i izotropowe stopy walcowane proszkowe ze stopów AlNiCo stopy z domieszkami ziem rzadkich miękkie niemetaliczne ferryty ferroplasty Magnetyki twarde Materiał Skład r [T] Hc [A/m ] (H)max [J/m 3 ] stal wolframowa 5% W, 0.7% C Alnico typ 5 8% Al., 4% Ni, % Co, 3% Cu, reszta Fe Alnico typ 9 7% Al., 5% Ni, % Co, 4% Cu, reszta Fe Cunife 60% Cu, 0% Ni, % Fe węglowa stal 98.% Fe, 0.9% C, martenzytyczna % Mn stal wolframowa 9.8% Fe, 6% W, % Cr, 0.7% C Cunico 9% Co, % Ni, % Cu spiekany Alnico 8 34% Fe, 7% Al., % Ni, 35% Co, 4% Cu, 5% Ti stop Sm- Cu- Co ( stop lekki w awiacji) stop amorficzny taśma o grub ( ) Nd- Fe4 30m, ziarna nm orientowany ao- 6FeO Ferroxdur ~0 4 m ferryt a ferryt Sr 30 3 ferryt Li 0.6 Typowe własności niektórych materiałów magnetycznych miękkich Materiał Skład i S [T] ph/f [m] max [J/m 3 ] Fe przetapiane Fe (HC= w 0.005%C,.4A/m) wodorze 0.00%O Fe karbonylkowe Fe (HC = %C+ 6.4A//m) 0.005% O Fe elektrolityczne Fe (HC= %C 8A/m) +0.0%O Armco Fe (HC = % C 80A/m) %O stop amorficzny T80M0, T-.56 (HC = np.fe,ni, 9.7A/m) METGLAS Co; M 605 TCA metaloid, P, Al., C, Si Stop nanokrystali Fe, Si,,. (HC = Nb, Cu,.7A/m) czny 0nm VITROPE RM PERMEN ORM permalloy 50%NiFe.55 (HC = A/m) Typowe własności niektórych materiałów magnetycznych miękkich (c.d) blacha krzemowa zimnowal cowana (orientow) żeliwo techn. 45 Permalloy Supermall oy Ferroxcub e A Ferrocube 97% Fe, 3% Si % Fe % Fe, 45% Ni 79%Ni, 5% Fe, 5% Mo, 0.5% Mn 48% MnFeO4, 5% ZnFeO4 36%Ni FeO4, 64% ZnFeO T

7 Ferryty magnetyczne twarde. Struktura heksagonalna. Własności - max = T dla metalicznych T. = 0 do 09 m Zastosowanie w głośnikach. Ferryty magnetyczne miękkie. Zastosowanie w telefonii wielokanałowej, w radiolokacji, elektroakustyce w szybkich elektronicznych maszynach cyfrowych Max temp. Curie dla ferromagnetyków twardych metalicznych oc (Co), 670oC ferryt Li, przenikalność początkowa max (Ni- Fe- Mo), 4000 ferryt Mn- Zn. Ferryty o prostokątnej pętli histerezy. Ferryty magnezo- managanowe oraz niektóre inne materiały posiadające pętlę histerezy prostokątnej znalazły zastosowanie jako elementy w urządzeniach logicznych i pamięciowych elektronowych maszyn cyfrowych. dφ=edt Θ=R Φ Θ=Iz R =l/μs Analogie