Ferromagnetism

Allikas: Vikipeedia
Mitte segamini ajada Ferrimagnetismiga; ülevaateks vaata Magnetism.
Alnico raudsulamist tehtud magnet. Ferromagnetism on füüsikaline teooria, mis seletab, kuidas materjalid muutuvad magnetiteks.

Ferromagnetism on baasmehanism, millega teatud materjalid (näiteks raud) moodustavad püsimagneteid või tõmbuvad magnetitega. Füüsikas eristatakse mitut erinevat tüüpi magnetismi. Ferromagnetism (koos ferrimagnetismiga) [1] on kõige tugevamat tüüpi ja see on ainuke tüüp, mis tekitab küllalt tugevaid jõudusid, et neid tunda. Muud ained reageerivad nõrgalt paramagnetismi ja diamagnetismi poolt tekitatud magnetilistele väljadele. Nende väljade jõud on nii nõrgad, et neid saab kindlaks teha ainult tundliku aparatuuriga laboratooriumis.

Igapäevane näide ferromagnetismist on külmkapimagnet, mida kasutatakse märkmete hoidmiseks külmkapi uksel. Magneti ja ferromagnetiku vaheline tõmme on "magnetismi esimene ilmne omadus antiikmaailmale ja meile tänapäeval".[2]

Püsimagnetid (materjalid, mida saab magnetiseerida välise magnetvälja poolt ja mis püsivad magnetiseerunud pärast välise välja eemaldamist), on kas ferromagneetikud või ferrimagneetikud, nagu ka materjalid, mis nähtavalt nende poole tõmbuvad. Üksikud ained on ferromagneetikud. Neist tuntumad on raud, nikkel, koobalt ja suurem osa nende sulameid, mõned haruldaste muldmetallide ühendid ja mõned looduslikult esinevad mineraalid nagu magnetiseerunud magnetiit.

Ferromagnetism on väga tähtis tööstuses ja modernses tehnoloogias ning on aluseks paljudele elektrilistele ja elektromehaanilistele seadmetele nagu näiteks elektromagnetid, elektrimootorid, elektrigeneraatorid, transformaatorid ja magnetsalvestuses nagu näiteks magnetofonid ja kõvakettad.

Ajalugu ja eristus ferrimagnetismist[muuda | redigeeri lähteteksti]

Ajalooliselt termin ferromagnet omastati igale materjalile, mis omas iseeneslikku magnetiseerumist: summaarne magnetmoment välise magnetvälja puudumisel. See üldine definitsioon on siiamaani tavakasutuses. Viimasel ajal on kindlaks tehtud eri klassi iseeneslikku magnetiseerumist juhul, kui esineb rohkem kui üks magneetiline ioon elementaarraku kohta materjalis. Sellest tuleneb "ferromagnetismi" rangem definitsioon, mida kasutatakse ferrimagnetismist eristamiseks. Materjal on "ferromagneetik" täpsemas mõttes ainult, kui kõik magneetilised ioonid annavad positiivse panuse summaarsesse magnetiseerumisse. Kui osad magneetilised ioonid vähendavad summarset magnetiseerumist (kui nad on osaliselt vastupidiselt suunatud), siis on materjal ferrimagneetik.[3] Kui joondunud ja vastupidiselt joondunud ioonide momendid on täielikus tasakaalus, nii et summaarne magnetiseerumus oleks null olenemata magneetilisest korrastatusest, siis on aine antiferromagneetik. Need joondumise efektid toimuvad ainult allpool teatud kriitilist temperatuuri, mida kutsutakse Curie temperatuuriks (ferromagneetikute ja ferrimagneetikute puhul) või Neeli temperatuuriks (antiferromagneetikute puhul).

Ferromagnetismi uuringute aluseks on Aleksandr Stoletovi mõõtmised ferromagneetikute magnetilisest läbitavusest, tuntud kui Stoletovi kõver.

Ferromagneetilised materjalid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Mõnede kristalliliste ferromagneetikutest (* = ferrimagneetik) materjalide Curie temperatuurid [4]
Materjal Curie
temp. (K)
Co 1388
Fe 1043
Fe2O3* 948
FeOFe2O3* 858
NiOFe2O3* 858
CuOFe2O3* 728
MgOFe2O3* 713
MnBi 630
Ni 627
MnSb 587
MnOFe2O3* 573
Y3Fe5O12* 560
CrO2 386
MnAs 318
Gd 292
Dy 88
EuO 69

Paremal olevas tabelis on valik ferromagneetilisi ja ferrimagneetilisi ühendeid koos nende temperatuuridega, millest kõrgemal nad ei magnetiseeru iseeneslikult (vaata Curie temperatuur).

Ferromagneetilised omadused ei sõltu ainult keemilisest koostisest, vaid ka kristallstruktuurist ja mikroskoopilisest korrastatusest. Ferromagneetiliste omadustega sulamid, mille koostises pole ferromagneetikuid, kutsutakse Fritz Heusleri järgi Heusleri sulamiteks. Vastupidiselt on olemas magnetiliste omadusteta sulameid, mis koosnevad ainult ferromagneetilistest metallidest, näiteks roostevaba teras.

Amorfseid (mitte-kristallilisi) ferromagneetilisi metalli sulameid saab teha järsu karastamisega (jahutamine) vedelast sulamist. Nende sulamite omadused on isotroopilised (ei ole määratud kristalli suunaga); tulemuseks on madal koertsitiivsus, madal hüstereesi kaotus, suur läbilaskvus ja kõrge elektriline takistus. Tüüpiliseks näiteks on ülemineku metall-poolmetall sulam, mis koosneb 80% ülemineku metallidest (tavaliselt Fe, Co või Ni) ja poolmetallist (B, C, Si, P või Al), mis alandab sulamistemperatuuri.

Suhteliselt uus klass tugevaid ferromagneetikutest materjale on haruldased muldmetallid. Nad sisaldavad lantanoide, mis on tuntud oma võime poolest omada suurt magnetilist momenti hästi lokaliseeritud f-orbitaalil.

Aktinoididest ferromagneetikud[muuda | redigeeri lähteteksti]

Teatud aktinoidide ühendid on toatemperatuuril ferromagneetikud või muutuvad ferromagneetikuteks allpool Curie temperatuuri (TC). PuP on üks selliseid aktinoidi ühendeid, mis on toatemperatuuril paramagneetik ja omab kuubilist sümmeetriat, kuid jahutamisel alla Tc = 125 K muutub kristallvõre tetragonaalseks. PuP soositav telg on <100>,[5] seega

\frac{c}{a} - 1 = -(31 \pm 1) \times 10^{-4}

5 K juures.[6] Kristallvõre muutus tuleneb nähtavasti magnetoelastilistest vastasmõjudest põhjustatud pingetest, kui magneetilistes domeenides magneetilised momendid joonduvad paralleelselt.

NpFe2 soositav telg on <111>.[7] Kui TC on üle ~500 K on NpFe2 paramagneetiline ja kuubiline. Jahutades alla Curie temperatuuri omastab rombilise moonutuse, kus nurk muutub 60°-st (kuubilises faasis) 60,53°-ks. Moonutust saab alternatiivselt kirjeldada, kui arvestame kolmnurkse telje pikkust (pärast moonutuse algust) c ja c tasandiga risti olevat kaugust a. Kuubilises faasis taandub \scriptstyle\frac{c}{a} = 1.00. Curie temperatuurist allpool

\frac{c}{a} - 1 = -(120 \pm 5) \times 10^{-4}

mis on suurim pinge aktinoidide ühendites.[6] NpNi2 läbib samasugust kristallvõre muutust allpool TC = 32 K, kus pinge on (43 ± 5) × 10−4.[6] NpCo2 on ferrimagneetik allpool 15 K.

Gaasiline liitium[muuda | redigeeri lähteteksti]

2009. aastal demonstreerisid MIT-i (Massachusettsi Tehnoloogiainstituut) füüsikud, et alla ühe kelvini jahutatud gaasiline liitium on ferromagneetik.[8] Meeskond jahutas fermionilise liitium-6 alla 150 miljardiku kelvinist absoluutsest nullist kõrgemale, kasutades infrapuna laserjahutust. Katses demonstreeriti esimest korda gaasi, mis on ferromagneetik.

Seletus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Bohr-van Leeuweni teoreem näitab, et magnetism ei saa esineda puhtalt klassikalistes tahkistes. Ilma kvantmehaanikata poleks diamagnetismi, paramagnetismi ega ferromagnetismi. Ferromagnetismi omadused tulenevad otseselt kahest kvantmehaanika efektist: spinnist ja Pauli printsiibist.[9]

Magnetismi päritolu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektroni üks fundamentaalomadustest (peale laengu) on dipoolmomendi omamine, ta käitub kui väike magnet. Dipoolmoment tuleneb kvantmehaanilise spinni omamisest. Spinni kvantmehaaniline iseloom laseb elektronil olla kahes olekus, kus magnetväli saab olla kas "üles" või "alla". Aatomis olevate elektronide spinn on peamine põhjus ferromagnetismiks, lisaks omab mõju tuuma ümber tiirlevate elektronide orbitaalide impulsimomendid. Kui elektronide magnetdipoolid joonduvad samas suunas, siis nende magnetväljad annavad kokku mõõdetava makroskoopilise välja. Täidetud elektronkihiga materjalis elektronide summaarne dipoolmoment on null, sest spinnid on üles/alla paarides. Ainult osaliselt täidetud elektronkihtidega aatomid saavad omada summaarset magnetmomenti, seega ferromagnetism esineb ainult materjalides, millel on osaliselt täiedetud elektronkihid. Hundi reeglist lähtuvalt esimesed elektronid elektronkihis omavad samasuunalist spinni suurendades summaarset dipoolmomenti. Paaritud dipoolid (mida tihti kutsutakse "spinnideks", kuigi neil on tavaliselt impulsimoment olemas) joonduvad tavaliselt paraleelselt välise magnetväljaga, seda nähtust kutsutakse paramagnetismiks. Ferromagnetismi puhul on üks nähtus lisaks: dipoolid joonduvad iseeneslikult isegi välise välja puudumisel põhjustades iseeneslikku magneetumist.

Elektronide vahetuse vastasmõju[muuda | redigeeri lähteteksti]

Klassikalise elektromagnetismi järgi kaks lähestikust dipooli joonduvad vastupidistes suundades, selle tõttu magnetväljad on teineteise suhtes vastupidised ja tühistavad teineteist. See efekt on üksikute spinnide puhul väga nõrk, kuna üksikute spinnide tekitatud magnetväljad on nõrgad ja nendest põhjustatud liikumised on kergesti hävitatavad soojusliikumise poolt. Mõnedes materjalides on spinnide vahel olemas palju tugevam jõud, mis tuleneb spinni suuna muutumisel naaberelektronide vahelise elektrostaatilise tõukumise muutusest, mida põhjustab kvantmehaaniline efekt nimega elektronide vahetuse vastasmõju. Vahetuse vastasmõju on palju tugevam kui dipool-dipool magnetiline vastasmõju väikestel vahemaadel. Selle tõttu ferromagneetikutes lähedased spinnid kipuvad joonduma samas suunas. Vahetuse vastasmõju on seotud Pauli printsiibiga, mis ütleb, et kaks sama spinniga elektroni ei saa omada sama asukohta. Seetõttu teatud tingimustes, kui mittepaardunud valentselektronide orbitaalid naaberaatomitel kattuvad, on paraleelsete spinnidega elektronide puhul elektriline laeng rohkem laiali jaotatud, kui vastasuunaliste spinnidega elektronide puhul. See vähendab paraleelsete spinnidega elektronide elektrostaatilist energiat võrreldes mitte-paraleelsete spinnidega elektronidega, tänu sellele paraleelsete spinnidega elektronid on stabiilsemad. Teisisõnu tõukuvad elektronid saavad liikuda teinetesisest "kaugemale" kui nad joondavad spinnid samas suunas, seetõttu nende elektronide spinnid joonduvad ühes suunas. Erinevust energias nimetatakse vahetusenergiaks.

Materjale, kus vahetuse vastasmõju on palju tugevam, kui võistlev dipool-dipool vastasmõju, kutsutakse tihti "magnetmaterjalideks". Näiteks rauas (Fe) on vahetuse vastasmõju umbes 1000 korda tugevam kui dipool-dipool vastasmõju. Seega peaaegu kõik dipoolid ferromagneetikus on joondunud alla Curie temperatuuri. Vahetuse vastasmõju põhjustab iseeneslikke aatomite magnetmomentide korrastumisi ka magneetilistes tahkistes, antiferromagnetismis ja ferrimagnetismis.

On erinevad vahetuse vastasmõju mehhanismid, mis tekitavad magnetismi erinevates ferromagneetilistes, ferrimagneetilistes ja antiferromagneetilistes ainetes. Nende mehhanismide hulka kuuluvad otsene vahetus, RKKY vahetus, topelt vahetus ja supervahetus.

Magneetiline anisotroopsus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Kuigi vahetuse vastasmõju joondab spinnid, siis ta ei joonda neid kindlas suunas. Ilma magneetilise anisotroopsuseta spinnid magnetis muudavad soojusliikumise tõttu suvaliselt suunda ja magnet on superparamagneetiline.

On mitut tüüpi magneetilist anisotroopsust, kõige tavalisem on magneetokristalliline anisotroopsus. See on energia sõltuvus magnetisatsiooni suunast kristallvõre suhtes. Teine tavaline anisotroopia põhjus on piesomagnetism, mida põhjustab sisemine pinge. Ühe-domeensetel magnetitel võib kah olla kuju anisotroopia, mida põhjustavad osakese kuju magnetostaatilised efektid. Temperatuuri tõustes magneti anisotroopia väheneb ja tihti esineb üleminekutemperatuur, kus magnet superparamagneetikuks muutub.[10]

Magnetilised domeenid[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tera orienteeritud elektrilise terase dünaamiline magnetiliste domeenide elektromagneetiline liikumine.
Ilma orientatsioonita teralise terase domeenide orientatsioonid pildistatud magnetilis-optilise sensoriga ja polariseeriva mikroskoobiga.
Mitte-orienteeritud elektrilise terase magnetilised domeenid (salvestatud CMOS-MagView-ga).
Metalli pinna Kerr mikrograaf, mis näitab magnetilisi domeene. Rohelised ja punased triibud mikrokristallide terade sees on domeenid. Punaste domeenide magnetväli on vastupidine roheliste domeenide magnetväljast.

Eelneva põhjal võiks öelda, et kõik ferromagneetikud peaksid omama tugevat magnetvälja, kuna kõik spinnid on joondunud, kuid raud ja teised ferromagneetikud on tihti "mittemagneetunud" olekus. Selle põhjuseks on ferromagneetikust materjali jagunemine väikesteks "magnetilisteks domeenideks".[11]

Igas domeenis on spinnid joondunud, kuid kui ainehulk on madalamais energia olekus ehk mittemagneetunud, siis eraldi domeenide spinnid on joondunud eri suundades ja nende magnetilised välja tühistavad teineteist ning esemel ei ole summaarset tugevat magnetvälja.

Ferromagneetikutest materjalid iseeneslikult jagunevad domeenideks kuna vahetuse vastasmõju on väikse mõjualaga jõud, seega üle pikemate, mitme aatomiliste vahemaade, hakkab mõjuma dipool-dipool vastasmõju, mis vähendab energiat joondudes vastupidises suunas. Ferromagneetilise materjali ühes osas paraleelselt joondunud dipoolid tekitavad tugeva magnetvälja, mis ulatub ruumi nende ümber. See väli omab suurt magnetostaatilist energiat. Materjal saab vähendada seda energiat jaotudes paljudeks eri suundadesse joondunud domeenidesse. Tänu sellele tekivad lokaalsed magnetväljad materjalis, mis vähendavad summarset magnetvälja. Domeene eraldavad peenikesed domeeniseinad, mis on mõned molekulid paksud ja kus dipoolide magneetumus pöördub sujuvalt ühe domeeni suunast teisse.

Sellepärast madalaimas energeetilises olekus omab ("mitte-magneetunud") rauatükk väikest magnetvälja või ei oma seda üldse. Küllalt tugevas välises magnetväljas hakkavad domeenide seinad liikuma nii, et järjest rohkem dipoole oleks joondatud välise väljaga. Välise välja eemaldamisel jäävad domeenid joondunuks, tekitades oma magnetvälja materjali ümbrusesse, materjal muutus püsimagnetiks. Domeenid ei lähe algolekusse tagasi välise välja eemaldamisel, kuna domeenide seinad kinnistuvad kristallvõre defektidesse säilitades paraleelse orientatsiooni. Seda näitab Barkhauseni efekt: magnetiseerivat välja muutes magneetumus muutub paljude väikeste hüpetena, domeeni seinad mööduvad järsult defektidest.

Magneetumust funktsioonina välisest väljast kirjeldab hüstereesisilmus. Kuigi üheselt joondunud domeenid ferromagneetikus ei ole minimaalse energiaga olek, on see metastabiilne ja saab püsida pikka aega. Näiteks magnetiit mere põhjas, mis on säilitanud magneetumuse miljoneid aastaid.

Tugevamaite püsimagnetite jaoks kasutatakse sulameid, kus on palju defekte kristallstruktuuris, kuhu domeenide seinad kinnistuvad. Magneetumust saab hävitada kuumutamise ja seejärel jahutamisega (lõõmutamine) ilma välise väljata. Soojusliikumine laseb domeeni seintel liikuda, vabastades nad defektidest ning naasta madala energiaga olekusse.

Curie punkt[muuda | redigeeri lähteteksti]

Next.svg Pikemalt artiklis Curie punkt

Temperatuuri tõustes hakkab soojusliikumine või entroopia võistlema dipoolide joondumisega ferromagneetikus. Kui temperatuur tõuseb üle Curie punkti, toimub teisejärguline faasisiire, peale mida süsteem ei suuda hoida iseeneslikku magneetumust, kuid reageerib paramagneetiliselt välisele väljale. Allapoole Curie punkti toimub iseeneslik sümmeetria lagunemine ja magnetmomendid joonduvad naabrite omadega. Curie punkt on kriitiline punkt, kus magnetiline vastuvõtlikkus on teoreetiliselt lõpmatu ja kuigi pole summaarset magneetumust, siis domeeni-sarnased spinnide korrelatsioonid esinevad kõigis suurusjärkudes.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]

  1. Chikazumi 2009, p. 118
  2. Richard M. Bozorth, Ferromagnetism, first published 1951, reprinted 1993 by IEEE Press, New York as a "Classic Reissue." ISBN 0-7803-1032-2.
  3. Herrera, J. M.; Bachschmidt, A, Villain, F, Bleuzen, A, Marvaud, V, Wernsdorfer, W, Verdaguer, M (13. jaanuar 2008). "Mixed valency and magnetism in cyanometallates and Prussian blue analogues". Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 366 (1862): 127–138. doi:10.1098/rsta.2007.2145. 
  4. Kittel, Charles (1986). Introduction to Solid State Physics (väljaanne sixth ). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-87474-4. 
  5. Lander GH, Lam DJ (1976). "Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state". Phys Rev B. 14 (9): 4064–7. Bibcode:1976PhRvB..14.4064L. doi:10.1103/PhysRevB.14.4064. 
  6. 6,0 6,1 6,2 Mueller MH, Lander GH, Hoff HA, Knott HW, Reddy JF (Apr 1979). "Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe2, and NpNi2". J Phys Colloque C4, supplement 40 (4): C4–68–C4–69. 
  7. Aldred AT, Dunlap BD, Lam DJ, Lander GH, Mueller MH, Nowik I (1975). "Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn2, NpFe2, NpCo2, and NpNi2". Phys Rev B. 11 (1): 530–44. Bibcode:1975PhRvB..11..530A. doi:10.1103/PhysRevB.11.530. 
  8. G-B Jo, Y-R Lee, J-H Choi, C. A. Christensen, T. H. Kim, J. H. Thywissen, D. E. Pritchard, and W. Ketterle (2009). "Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms". Science 325 (5947): 1521–1524. Bibcode:2009Sci...325.1521J. doi:10.1126/science.1177112. PMID 19762638. 
  9. Feynman, Richard P.; Robert Leighton, Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.2. USA: Addison-Wesley. pp. Ch. 37. ISBN 0-201-02011-4H . 
  10. Aharoni, Amikam (1996). Introduction to the Theory of Ferromagnetism. Clarendon Press. ISBN 0-19-851791-2. 
  11. Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton, Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol. I. USA: California Inst. of Technology. pp. 37.5–37.6. ISBN 0-201-02117-XP . 

Bibliograafiad[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Ashcroft, Neil W.; Mermin, N. David (1977). Solid state physics (väljaanne 27. repr. ). New York: Holt, Rinehart and Winston. ISBN 978-0-03-083993-1. 
  • Chikazumi, Sōshin (2009). Physics of ferromagnetism. English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr (väljaanne 2nd ). Oxford: Oxford University Press. ISBN 9780199564811. 
  • Jackson, John David (1998). Classical electrodynamics (väljaanne 3rd ). New York: Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1. 
  • E. P. Wohlfarth, ed., Ferromagnetic Materials (North-Holland, 1980).
  • "Heusler alloy," Encyclopædia Britannica Online, retrieved Jan. 23, 2005.
  • F. Heusler, W. Stark, and E. Haupt, Verh. der Phys. Ges. 5, 219 (1903).
  • S. Vonsovsky Magnetism of elementary particles (Mir Publishers, Moscow, 1975).
  • Tyablikov S. V. (1995): Methods in the Quantum Theory of Magnetism. Springer; 1st edition. ISBN 0-306-30263-2.

Välislingid[muuda | redigeeri lähteteksti]

  • Electromagnetism peatükk ingliskeelsest õpikust
  • Ferromagnetism eestikeelne konspekt ferromagnetismist
  • Sandeman, Karl (jaanuar 2008). "Ferromagnetic Materials". DoITPoMS. Dept. of Materials Sci. and Metallurgy, Univ. of Cambridge. Vaadatud 2008-08-27.  Detailed nonmathematical description of ferromagnetic materials with animated illustrations