Ferromagnetyzm - Ferromagnetism
| Fizyka materii skondensowanej |
|---|
 |
| Fazy · Przejście fazowe · QCP |
Ferromagnetyzm to podstawowy mechanizm, dzięki któremu pewne materiały (takie jak żelazo ) tworzą magnesy trwałe lub są przyciągane do magnesów . W fizyce rozróżnia się kilka różnych typów magnetyzmu . Ferromagnetyzm (wraz z podobnym efektem ferrimagnetyzm ) jest najsilniejszym typem i odpowiada za powszechne zjawisko magnetyzmu w magnesach spotykane w życiu codziennym . Substancje słabo reagują na pola magnetyczne z trzema innymi rodzajami magnetyzmu – paramagnetyzmem , diamagnetyzmem i antyferromagnetyzmem – ale siły są zwykle tak słabe, że mogą być wykryte tylko przez czułe instrumenty w laboratorium. Codziennym przykładem ferromagnetyzmu jest magnes na lodówkę używany do przechowywania notatek na drzwiach lodówki. Atrakcyjność pomiędzy magnesem a materiałem ferromagnetycznym to „jakość magnetyzmu, która po raz pierwszy była widoczna dla świata starożytnego, a dla nas dzisiaj”.
Magnesy trwałe (materiały, które mogą być namagnesowane przez zewnętrzne pole magnetyczne i pozostają namagnesowane po usunięciu pola zewnętrznego) są albo ferromagnetyczne, albo ferrimagnetyczne, podobnie jak materiały, które są do nich wyraźnie przyciągane. Tylko kilka substancji jest ferromagnetycznych. Najpowszechniejsze to żelazo , kobalt , nikiel i większość ich stopów oraz niektóre związki metali ziem rzadkich . Ferromagnetyzm jest bardzo ważny w przemyśle i nowoczesnej technologii i jest podstawą wielu urządzeń elektrycznych i elektromechanicznych, takich jak elektromagnesy , silniki elektryczne , generatory , transformatory oraz pamięci magnetyczne, takie jak magnetofony i dyski twarde oraz nieniszczące badania materiałów żelaznych.
Materiały ferromagnetyczne można podzielić na magnetycznie „miękkie” materiały, takie jak wyżarzone żelazo , które można namagnesować, ale nie mają tendencji do pozostawania namagnesowanym, oraz magnetycznie „twarde” materiały, które tak. Magnesy trwałe są wykonane z „twardych” materiałów ferromagnetycznych, takich jak alnico , oraz materiałów ferrimagnetycznych, takich jak ferryt, które podczas produkcji poddawane są specjalnej obróbce w silnym polu magnetycznym w celu wyrównania ich wewnętrznej struktury mikrokrystalicznej , co bardzo utrudnia ich rozmagnesowanie. Aby rozmagnetyzować nasycony magnes, należy przyłożyć określone pole magnetyczne, a próg ten zależy od koercji odpowiedniego materiału. Materiały „twarde” mają wysoką koercję, podczas gdy materiały „miękkie” mają niską koercję. Całkowitą siłę magnesu mierzy się jego momentem magnetycznym lub, alternatywnie, całkowitym wytwarzanym przez niego strumieniem magnetycznym . Lokalną siłę magnetyzmu w materiale mierzy się jego namagnesowaniem .
Historia i odróżnienie od ferrimagnetyzmu
Historycznie termin ferromagnetyzm był używany dla dowolnego materiału, który mógł wykazywać spontaniczne namagnesowanie : wypadkowy moment magnetyczny przy braku zewnętrznego pola magnetycznego; to jest każdy materiał, który mógłby stać się magnesem . Ta ogólna definicja jest nadal w powszechnym użyciu.
Jednak w przełomowym artykule z 1948 r. Louis Néel wykazał, że istnieją dwa poziomy wyrównania magnetycznego, które powodują takie zachowanie. Jednym z nich jest ferromagnetyzm w ścisłym tego słowa znaczeniu, w którym wszystkie momenty magnetyczne są wyrównane. Drugim jest ferrimagnetyzm , gdzie niektóre momenty magnetyczne są skierowane w przeciwnym kierunku, ale mają mniejszy udział, więc nadal występuje spontaniczne namagnesowanie.
W szczególnym przypadku, gdy przeciwstawne momenty całkowicie się równoważą, wyrównanie jest znane jako antyferromagnetyzm . Dlatego antyferromagnetyki nie mają samorzutnego namagnesowania.
Materiały ferromagnetyczne
| Materiał | Temp. Curie (K) |
|---|---|
| Współ | 1388 |
| Fe | 1043 |
| Fe 2 O 3 | 948 |
| FeOFe 2 O 3 | 858 |
| NiOFe 2 O 3 | 858 |
| Cu OFe 2 O 3 | 728 |
| MgOFe 2 O 3 | 713 |
| Mn Bi | 630 |
| Ni | 627 |
| Nd 2 Fe 14 B | 593 |
| Mn Sb | 587 |
| MnOFe 2 O 3 | 573 |
| T 3 Fe 5 O 12 | 560 |
| CrO 2 | 386 |
| Mn As | 318 |
| Bóg | 292 |
| Tb | 219 |
| Dy | 88 |
| Eu O | 69 |
Ferromagnetyzm to niezwykła właściwość, która występuje tylko w kilku substancjach. Do powszechnych należą metale przejściowe żelazo , nikiel , kobalt i ich stopy oraz stopy metali ziem rzadkich . Jest to właściwość nie tylko składu chemicznego materiału, ale także jego struktury krystalicznej i mikrostruktury. Istnieją ferromagnetyczne stopy metali, których składniki same w sobie nie są ferromagnetyczne, zwane stopami Heuslera , nazwanymi na cześć Fritza Heuslera . I odwrotnie, istnieją stopy niemagnetyczne, takie jak rodzaje stali nierdzewnej , składające się prawie wyłącznie z metali ferromagnetycznych.
Amorficzne (niekrystaliczne) ferromagnetyczne stopy metaliczne można wytwarzać przez bardzo szybkie hartowanie (chłodzenie) ciekłego stopu. Mają one tę zaletę, że ich właściwości są prawie izotropowe (nie są wyrównane wzdłuż osi kryształu); skutkuje to niską koercją , niską stratą histerezy , wysoką przepuszczalnością i wysoką opornością elektryczną. Jednym z takich typowych materiałów jest stop metal przejściowy, wykonany z około 80% metalu przejściowego (zwykle Fe, Co lub Ni) i składnika metaloidalnego ( B , C , Si , P lub Al ), który obniża temperaturę topnienia.
Stosunkowo nową klasą wyjątkowo wytrzymałych materiałów ferromagnetycznych są magnesy ziem rzadkich . Zawierają pierwiastki lantanowców , które są znane ze zdolności przenoszenia dużych momentów magnetycznych na dobrze zlokalizowanych orbitalach f.
W tabeli wymieniono wybrane związki ferromagnetyczne i ferrimagnetyczne wraz z temperaturą, powyżej której przestają wykazywać samorzutne namagnesowanie (patrz temperatura Curie ).
Niezwykłe materiały
Większość materiałów ferromagnetycznych to metale, ponieważ przewodzące elektrony są często odpowiedzialne za pośredniczenie w oddziaływaniach ferromagnetycznych. Wyzwaniem jest zatem opracowanie izolatorów ferromagnetycznych, zwłaszcza materiałów multiferroicznych , które są zarówno ferromagnetyczne, jak i ferroelektryczne .
Szereg związków aktynowców to ferromagnetyki w temperaturze pokojowej lub wykazują ferromagnetyzm po schłodzeniu. Pu P jest paramagnetykiem o symetrii sześciennej w temperaturze pokojowej , ale który po schłodzeniu poniżej T C = 125 K przechodzi strukturalne przejście w stan tetragonalny o uporządkowaniu ferromagnetycznym. W stanie ferromagnetycznym, oś łatwa PuP jest w kierunku <100> .
W Np Fe 2 oś łatwa to <111>. Powyżej T C ≈ 500 K , NpFe 2 jest paramagnetyczny i regularny. Chłodzenie poniżej temperatury Curie powoduje zniekształcenie romboedryczne, w którym kąt romboedryczny zmienia się od 60° (faza sześcienna) do 60,53°. Alternatywnym opisem tego zniekształcenia jest rozważenie długości c wzdłuż unikalnej osi trygonalnej (po rozpoczęciu zniekształcenia) oraz a jako odległości w płaszczyźnie prostopadłej do c . W fazie sześciennej zmniejsza się to do C/a= 1,00 . Poniżej temperatury Curie
który jest największym szczepem w jakimkolwiek związku aktynowców . NpNi 2 ulega podobny zniekształcenie sieci przestrzennej pod T C = 32 K , ze szczepem (43 ± 5) x 10 -4 . NpCo 2 to ferrimagnet poniżej 15 K.
W 2009 roku zespół fizyków z MIT wykazał, że gaz litowy schłodzony do mniej niż jednego kelwina może wykazywać ferromagnetyzm. Zespół schłodził fermionowy lit-6 do mniej niż 150 nK (150 miliardowych części kelwina) za pomocą chłodzenia laserem podczerwonym . Ta demonstracja to pierwszy przypadek zademonstrowania ferromagnetyzmu w gazie.
W 2018 roku zespół fizyków z University of Minnesota wykazał, że skoncentrowany na ciele tetragonalny ruten wykazuje ferromagnetyzm w temperaturze pokojowej.
Ferromagnetyzm indukowany elektrycznie
Ostatnie badania wykazały, że w niektórych materiałach ferromagnetyzm może być indukowany przez prąd elektryczny lub napięcie. Antyferromagnetyczne LaMnO3 i SrCoO zostały zamienione na ferromagnetyczne przez prąd. W lipcu 2020 roku naukowcy donieśli o indukowaniu ferromagnetyzmu w obfitym materiale diamagnetycznym piryt żelazny („głupi złoty”) przez przyłożone napięcie. W tych eksperymentach ferromagnetyzm ograniczał się do cienkiej warstwy powierzchniowej.
Wyjaśnienie
Twierdzenie Bohra-Van Leeuwena , odkryte w 1910 roku, pokazało, że klasyczne teorie fizyki nie są w stanie wyjaśnić żadnej formy magnetyzmu, w tym ferromagnetyzmu. Magnetyzm jest obecnie uważany za efekt czysto kwantowy . Ferromagnetyzm powstaje dzięki dwóm efektom mechaniki kwantowej: spinowi i zasadzie wykluczenia Pauliego .
Pochodzenie magnetyzmu
Jedną z podstawowych właściwości elektronu (oprócz tego, że przenosi ładunek) jest to, że ma on magnetyczny moment dipolowy , tzn. zachowuje się jak mały magnes, wytwarzając pole magnetyczne . Ten moment dipolowy wynika z bardziej fundamentalnej właściwości elektronu, jaką jest jego kwantowo-mechaniczny spin . Ze względu na swoją kwantową naturę spin elektronu może być w jednym z dwóch stanów; z polem magnetycznym skierowanym „w górę” lub „w dół” (dla dowolnego wyboru w górę lub w dół). Spin elektronów w atomach jest głównym źródłem ferromagnetyzmu, chociaż istnieje również udział orbitalnego momentu pędu elektronu wokół jądra . Kiedy te dipole magnetyczne w kawałku materii są wyrównane (w tym samym kierunku), ich indywidualnie małe pola magnetyczne sumują się, tworząc znacznie większe pole makroskopowe.
Jednak materiały wykonane z atomów z wypełnionymi powłokami elektronowymi mają całkowity moment dipolowy równy zero: ponieważ wszystkie elektrony istnieją w parach o przeciwnym spinie, moment magnetyczny każdego elektronu jest anulowany przez przeciwny moment drugiego elektronu w parze. Tylko atomy z częściowo wypełnionymi powłokami (tj. niesparowane spiny ) mogą mieć wypadkowy moment magnetyczny, więc ferromagnetyzm występuje tylko w materiałach z częściowo wypełnionymi powłokami. Ze względu na reguły Hunda , kilka pierwszych elektronów w powłoce ma tendencję do tego samego spinu, zwiększając w ten sposób całkowity moment dipolowy.
Te niesparowane dipole (często nazywane po prostu „spinami”, chociaż generalnie zawierają również orbitalny moment pędu) mają tendencję do ustawiania się równolegle do zewnętrznego pola magnetycznego, efekt zwany paramagnetyzmem . Ferromagnetyzm wiąże się jednak z dodatkowym zjawiskiem: w kilku substancjach dipole mają tendencję do spontanicznego ustawiania się w kierunku, co powoduje samorzutne namagnesowanie , nawet gdy nie ma przyłożonego pola.
Wymiana interakcji
Kiedy dwa pobliskie atomy mają niesparowane elektrony, to, czy spiny elektronów są równoległe, czy antyrównoległe, wpływa na to, czy elektrony mogą dzielić tę samą orbitę w wyniku efektu mechaniki kwantowej zwanego interakcją wymienną . To z kolei wpływa na położenie elektronu i oddziaływanie kulombowskie (elektrostatyczne), a tym samym na różnicę energii między tymi stanami.
Interakcja wymienna związana jest z zasadą wykluczenia Pauliego , która mówi, że dwa elektrony o tym samym spinie nie mogą być również w tym samym stanie przestrzennym (orbitalnym). Wynika to z twierdzenia o statystyce spinowej i że elektrony są fermionami . Dlatego w pewnych warunkach, gdy orbitale niesparowanych zewnętrznych elektronów walencyjnych z sąsiednich atomów nakładają się na siebie, rozkłady ich ładunku elektrycznego w przestrzeni są bardziej od siebie oddalone, gdy elektrony mają spiny równoległe, niż gdy mają spiny przeciwne. Zmniejsza to energię elektrostatyczną elektronów, gdy ich spiny są równoległe, w porównaniu do ich energii, gdy spiny są antyrównoległe, dzięki czemu stan spinów równoległych jest bardziej stabilny. Ta różnica energii nazywana jest energią wymiany . Mówiąc prościej, zewnętrzne elektrony sąsiednich atomów, które odpychają się od siebie, mogą się dalej od siebie oddalać, ustawiając swoje spiny równolegle, tak że spiny tych elektronów mają tendencję do ustawiania się w linii.
Ta różnica energii może być o rzędy wielkości większa niż różnice energii związane z oddziaływaniem magnetycznym dipol-dipol ze względu na orientację dipola, która ma tendencję do wyrównania dipoli antyrównoległych. Wykazano, że w niektórych domieszkowanych tlenkach półprzewodnikowych oddziaływania RKKY prowadzą do okresowych oddziaływań magnetycznych o większym zasięgu, co jest zjawiskiem istotnym w badaniach materiałów spintronicznych .
Materiały, w których oddziaływanie wymienne jest znacznie silniejsze niż konkurencyjne oddziaływanie dipol-dipol, są często nazywane materiałami magnetycznymi . Na przykład w żelazie (Fe) siła wymiany jest około 1000 razy większa niż oddziaływanie dipolowe. Dlatego poniżej temperatury Curie praktycznie wszystkie dipole w materiale ferromagnetycznym zostaną wyrównane. Oprócz ferromagnetyzmu oddziaływanie wymienne odpowiada również za inne rodzaje spontanicznego uporządkowania atomowych momentów magnetycznych występujących w magnetycznych ciałach stałych, antyferromagnetyzm i ferrimagnetyzm . Istnieją różne mechanizmy oddziaływania wymiennego, które tworzą magnetyzm w różnych substancjach ferromagnetycznych, ferrimagnetycznych i antyferromagnetycznych. Mechanizmy te obejmują bezpośrednią wymianę , RKKY wymianę , podwójną wymianę i superexchange .
Anizotropia magnetyczna
Chociaż interakcja wymiany utrzymuje wyrównanie spinów, nie wyrównuje ich w określonym kierunku. Bez anizotropii magnetycznej spiny w magnesie zmieniają losowo kierunek w odpowiedzi na fluktuacje termiczne, a magnes jest superparamagnetyczny . Istnieje kilka rodzajów anizotropii magnetycznej, z których najczęstszym jest anizotropia magnetokrystaliczna . Jest to zależność energii od kierunku namagnesowania względem sieci krystalograficznej . Innym powszechnym źródłem anizotropii, odwróconą magnetostrykcją , są naprężenia wewnętrzne . Magnesy jednodomenowe mogą również mieć anizotropię kształtu ze względu na magnetostatyczne efekty kształtu cząstek. Wraz ze wzrostem temperatury magnesu anizotropia ma tendencję do zmniejszania się i często występuje temperatura blokująca, w której następuje przejście do superparamagnetyzmu.
Domeny magnetyczne
Powyższe wydaje się sugerować, że każdy kawałek materiału ferromagnetycznego powinien mieć silne pole magnetyczne, ponieważ wszystkie spiny są wyrównane, jednak żelazo i inne ferromagnetyki często znajdują się w stanie „nienamagnesowanym”. Powodem tego jest to, że duża część materiału ferromagnetycznego jest podzielona na maleńkie regiony zwane domenami magnetycznymi (znanymi również jako domeny Weissa ). W każdej domenie spiny są wyrównane, ale (jeśli materiał masowy jest w konfiguracji o najniższej energii, tj. jest nienamagnesowany ), spiny oddzielnych domen są skierowane w różnych kierunkach, a ich pola magnetyczne znoszą się, więc obiekt nie ma dużej skali netto pole magnetyczne.
Materiały ferromagnetyczne spontanicznie dzielą się na domeny magnetyczne, ponieważ oddziaływanie wymiany jest siłą bliskiego zasięgu, więc na dużych odległościach wielu atomów zwycięża tendencja dipoli magnetycznych do zmniejszania swojej energii poprzez orientowanie się w przeciwnych kierunkach. Jeśli wszystkie dipole w kawałku materiału ferromagnetycznego są ustawione równolegle, powstaje duże pole magnetyczne rozciągające się na otaczającą go przestrzeń. Zawiera dużo energii magnetostatycznej . Materiał może zmniejszyć tę energię, dzieląc się na wiele domen skierowanych w różnych kierunkach, dzięki czemu pole magnetyczne jest ograniczone do małych lokalnych pól w materiale, zmniejszając objętość pola. Domeny są oddzielone cienkimi ściankami domenowymi o grubości kilku cząsteczek, w których kierunek namagnesowania dipoli płynnie obraca się od jednej domeny do drugiej.
Materiały namagnesowane
Tak więc kawałek żelaza w swoim najniższym stanie energetycznym („nienamagnesowany”) zwykle ma niewielkie pole magnetyczne netto lub nie ma go wcale. Jednak domeny magnetyczne w materiale nie są unieruchomione; są to po prostu regiony, w których spiny elektronów ułożyły się spontanicznie z powodu ich pól magnetycznych, a zatem mogą być zmieniane przez zewnętrzne pole magnetyczne. Jeśli do materiału zostanie przyłożone wystarczająco silne zewnętrzne pole magnetyczne, ścianki domen przesuną się w wyniku procesu spinów elektronów w atomach w pobliżu ściany w jednej domenie, obracając się pod wpływem zewnętrznego pola w tym samym kierunku, co elektrony w drugiej domenie, zmieniając w ten sposób domeny, tak aby więcej dipoli było wyrównanych z polem zewnętrznym. Domeny pozostaną wyrównane po usunięciu pola zewnętrznego, tworząc własne pole magnetyczne rozciągające się w przestrzeni wokół materiału, tworząc w ten sposób „trwały” magnes. Domeny nie wracają do swojej pierwotnej konfiguracji minimalnej energii po usunięciu pola, ponieważ ściany domen mają tendencję do „zaczepiania się” lub „zaczepiania się” na defektach w sieci krystalicznej, zachowując ich równoległą orientację. Pokazuje to efekt Barkhausena : gdy zmienia się pole magnesujące, namagnesowanie zmienia się w tysiącach maleńkich nieciągłych skoków, gdy ściany domeny nagle „przeskakują” przeszłe defekty.
To namagnesowanie w funkcji pola zewnętrznego jest opisane krzywą histerezy . Chociaż ten stan wyrównanych domen znaleziony w kawałku namagnesowanego materiału ferromagnetycznego nie jest konfiguracją o minimalnej energii, jest metastabilny i może utrzymywać się przez długi czas, jak pokazują próbki magnetytu z dna morskiego, które utrzymywały swoje namagnesowanie przez miliony lat.
Podgrzanie, a następnie schłodzenie ( wyżarzanie ) namagnesowanego materiału, poddanie go wibracjom poprzez uderzanie młotkiem lub przyłożenie szybko oscylującego pola magnetycznego z cewki rozmagnesowującej ma tendencję do zwalniania ścian domen z ich przypiętego stanu, a granice domen mają tendencję do cofania się do konfiguracja o niższej energii z mniejszym zewnętrznym polem magnetycznym, co powoduje rozmagnesowanie materiału.
Magnesy komercyjne są wykonane z „twardych” ferromagnetycznych lub ferrimagnetycznych materiałów o bardzo dużej anizotropii magnetycznej, takich jak alnico i ferryty , które mają bardzo silną tendencję do kierowania namagnesowania wzdłuż jednej osi kryształu, „osi łatwej”. Podczas produkcji materiały poddawane są różnym procesom metalurgicznym w silnym polu magnetycznym, które wyrównuje ziarna kryształu tak, aby ich „łatwe” osie namagnesowania były skierowane w tym samym kierunku. W ten sposób namagnesowanie i wynikające z niego pole magnetyczne jest „wbudowane” w strukturę krystaliczną materiału, co bardzo utrudnia rozmagnesowanie.
Temperatura Curie
Wraz ze wzrostem temperatury ruch termiczny lub entropia konkuruje z ferromagnetyczną tendencją do wyrównania dipoli. Gdy temperatura wzrośnie powyżej pewnego punktu, zwanego temperaturą Curie , następuje przejście fazowe drugiego rzędu i układ nie może dłużej utrzymywać spontanicznego namagnesowania, więc jego zdolność do namagnesowania lub przyciągania do magnesu zanika, chociaż nadal reaguje paramagnetycznie do pola zewnętrznego. Poniżej tej temperatury następuje spontaniczne załamanie symetrii i momenty magnetyczne wyrównują się z sąsiadami. Sama temperatura Curie jest punktem krytycznym , w którym podatność magnetyczna jest teoretycznie nieskończona i chociaż nie ma namagnesowania netto, domenowe korelacje spinowe wahają się we wszystkich skalach długości.
Badanie ferromagnetycznych przejść fazowych, zwłaszcza za pomocą uproszczonego modelu spinu Isinga , miało istotny wpływ na rozwój fizyki statystycznej. Tam po raz pierwszy wyraźnie pokazano, że podejścia teorii pola średniego nie przewidziały prawidłowego zachowania w punkcie krytycznym (który, jak stwierdzono, należy do klasy uniwersalności obejmującej wiele innych systemów, takich jak przejścia ciecz-gaz) i musiały być zastąpiona przez teorię grup renormalizacji .
Zobacz też
- Właściwości materiału ferromagnetycznego
- Histereza – zależność stanu systemu od jego historii
- Magnetyzacja orbity
- Kryterium Stonera
- Silnik termomagnetyczny – Silnik magnetyczny
- Magnes neodymowy – Najsilniejszy rodzaj magnesu trwałego
Bibliografia
Zewnętrzne linki
-
Multimedia związane z ferromagnetyzmem w Wikimedia Commons - Elektromagnetyzm – rozdz. 11, z podręcznika online
- Sandeman, Karl (styczeń 2008). „Materiały ferromagnetyczne” . DOITPOMS . Wydział Materiałów Sci. i Metalurgia, Uniw. z Cambridge . Źródło 2019-06-22 . Szczegółowy niematematyczny opis materiałów ferromagnetycznych z ilustracjami
- Magnetyzm: modele i mechanizmy w E. Pavarini, E. Koch i U. Schollwöck: Emergent Phenomena in Correlated Matter , Jülich 2013, ISBN 978-3-89336-884-6
