Az anyagok mgneses tulajdonsgai

Mai ismereteink szerint az anyagok mgneses tulajdonsgaik alapjn hrom f tpusba sorolhatak: dia-, para-, ferromgneses tpusba, de ezen fell lteznek antiferromgneses anyagok s ferritek is, emellett a szupravezetket is kln kategriba soroljk.

Az atomok mgneses tulajdonsgairt fleg az elektronok felelsek (a mag mgneses momentuma ezrelknl kisebb jrulkot eredmnyez) s az atom mgneses momentuma az elektronok plya- s spin-momentumbl tevdik ssze. Specilis esetekben ha az atom pros szm elektront tartalmaz, amelyek spin s plyamomentumai egymst kompenzljk az atom mgneses momentuma zrus is lehet, de legtbbszr az anyagok atomjai spontn mgneses momentummal rendelkeznek.

Kls mgneses tr hatsra kt folyamat zajlik le: 1. A spontn momentummal rendelkez atomok rendezdni igyekeznek, a mgneses tr konkurl a hmozgssal s ezt nevezik paramgneses folyamatnak. 2. Jrulkos mgneses momentum indukldik az atomokban fggetlenl attl, hogy a mgneses tr bekapcsolsa eltt rendelkeztek-e mgneses momentummal. Az gy induklt momentum a Lenz-trvny rtelmben az t ltrehoz mgneses tr ellen dolgozik, azaz M

ellenkez irny lesz, mint a mgneses teret jellemz H

. Mind a para-, mind a diamgneses folyamat sorn a keletkez mgnesezettsget a kls mgneses tr hozza ltre s az M H fggvny a krdses anyagra jellemz. Nem tl nagy mgneses terek esetn j kzeltsknt felttelezhetjk, hogy a mgnesezettsg linerisan fgg a mgneses trtl, azaz M H

, ahol a mgneses szuszceptibilits (ahogy korbban

bevezettk) s 0 esetn diamgneses, 0 esetn paramgneses anyagrl beszlnk. Teht a diamgneses folyamat minden atomnl szerepet jtszik, mg a paramgneses csak abban az esetben, ha az atom spontn mgneses momentummal rendelkezik. Ha ez utbbi a helyzet, akkor rendszerint a paramgneses folyamat fellmlja a diamgnesest s eredknt

0 lesz, ezrt beszlnk ilyen esetben paramgneses anyagrl.

Diamgnessg A nemesgzok, a bizmut, rz, ezst, arany, higany, lom, vz olyan anyagok, amelyek kls mgneses mez nlkl nem mutatnak mgneses tulajdonsgokat. Inhomogn mgneses mezbe helyezve a kis bizmut-darabot, taszt hatst szlelhetnk. A bizmut polarizldott s a mgnesez tr indukcija ellenttes irny a mgnesezettsg vektorval, ezrt, amint korbban lttuk, taszt erhats lp fel. Ezeknl az anyagoknl teht 0 , abszolt rtke ltalban nem tbb mint 10-4, de ennl nhny nagysgrenddel kisebb is lehet. A relatv permeabilits ennek megfelelen csak egy kicsit kisebb egynl 1 0,9999 .

Mivel negatv, a kzegbeli B

indukci lecskken a vkuumbeli 0 0B H

indukcihoz kpest. Ez a cskkens nagyon kicsiny mrtk. Az ilyen anyagok atomjai kls mgneses mez nlkl nem rendelkeznek mgneses diplnyomatkkal. Az elektronok plya- s sajt- mgneses momentumaik lerontjk egymst. Kls mez hatsra ez a helyzet felborul, a klasszikus fizika szemllete szerint az egyik elektron felgyorsul, a msik lelassul, s ezltal az atomnak ered mgneses diplnyomatka keletkezik. A jelensg a hmrsklettl fggetlen.

Rd mgnes s diamgneses, ill. paramgneses anyag klcsnhatsa

Paramgnessg A nemesgzok azrt diamgneses tulajdonsgak, mert lezrt elektronhjaik vannak. Ha ehhez mg egy elektront hozzvesznk, akkor annak a mgneses momentumt nem kompenzlhatja a tbbi elektron, teht az alklifmek (ntrium, klium...) paramgnesesek. Ezen fell paramgneses anyagok pl. az alumnium, platina, volfrm, oxign. Kls mgneses tr nlkl adott T hmrskleten 0M

, mert a spontn momentummal rendelkez atomok hmozgst

vgeznek s a rendezetlen mozgs kvetkeztben a trfogategysgben a mgneses momentumok kitlagoldnak. Kls mez hjn ezek az anyagok sem mutatnak mgneses tulajdonsgot, maguk krl nem keltenek mgneses teret. A felfggesztett alumnium golyt az lland mgnes vonzza. Ebben az esetben az anyag atomjainak kls mgneses mez nlkl is van ered mgneses diplnyomatkuk, de kls mez hjn ezek rendezetlenl llnak. A mgneses mez az atomi diplusokat a maga irnyba forgatja, mgpedig annl inkbb minl ersebb az alkalmazott mgneses mez, s minl alacsonyabb a hmrsklet. Ezt a jelensget rendezdsi polarizcinak nevezzk. Ilyenkor B M

, a szuszceptibilits

pozitv: 3 610 10 , vagyis a vkuumbeli indukcihoz kpest ilyenkor (kismrtkben) nvekszik az indukci. A hmozgs a momentumok rendezdst gtolni igyekszik, ennek kvetkeztben a szuszceptibilits a nvekv hmrsklettel reciprokosan cskken:

1~T

Ezt az arnyossgot Curie-trvnynek hvjk. A fmekben a vezetsi elektronoknak is lehet jrulkuk a paramgneses viselkedshez. Ez az n. Pauli-paramgnesessg azonban j kzeltssel fggetlen a hmrsklettl, teht nem vonatkozik r a Curie-trvny. Ferromgnessg Egyes anyagok ersen mgnesezhetek, a mgneses mezbl kiemelve tbb-kevsb megrzik a mgnesessgket. Ilyenek pl. a vas, kobalt, nikkel s ezek tvzetei, de olyan anyagok is lehetnek ferromgnesesek, amelyeknek egyik sszetevje sem az, pl. krm-dioxid. A ferromgneses anyagok (s ltalban a mgnesesen rendezett szerkezetek, pl. ferrimgneses, s antiferromgneses anyagok, stb.) mind szilrd anyagok, legfeljebb porszer llapotban folyadkba eloszlatva tnhetnek folykonynak. Ezek az anyagok mgneses szempontbl

tbbnyire anizotropok, a B

, H

s M

vektorok nem esnek egy egyenesbe, de ettl a tovbbiakban az egyszersg kedvrt eltekintnk. A ferromgneses anyagot kls mgneses mezbe helyezve, az M

mgnesezettsg a H

trerssg nvelsvel eleinte igen gyorsan n, de

csak egy bizonyos hatrig, utna teltds kvetkezik be. Az ilyen anyagok esetn teht a lineris anyagegyenlet nem hasznlhat. A B s H kztti sszefggs nemcsak nem lineris, de nem is egyrtk. Ksrletileg meghatrozhat a mgnesezsi vagy hiszterzis-grbe.

Ferromgneses anyag hiszterzis grbje

Az origbl indulunk, ahol a mgneses tr s a mgnesezettsg is nulla, vagyis 0H , 0M , 0 0B H M

. Ha H nvekszik, vele a B is nvekszik, elszr gyorsan, majd a teltshez

kzeledve egyre lassabban. Egy bizonyos H-nl mr az sszes elemi mgneses diplus egy irnyban ll, gy M tovbb nem nvelhet. Ezt teltsi mgnesezettsgnek nevezzk. Ha most a H-t cskkenteni kezdjk, B is cskken, de nem ugyanazon a grbn halad visszafel, vagyis a H H H cskkents kisebb cskkenst eredmnyez B-ben, mint a H H H nvels. Hogy mennyivel kisebbet, az tbbek kztt az anyagi minsgtl fgg. Amikor H mr nullra cskkent, az M s gy a B mg mindig nem nulla, M rtkt remanens mgnesezettsgnek vagy remanencinak nevezik. Az olyan anyagokat, amelyeknek szmottev a remanens, azaz visszamarad mgnessge, permanens mgneseknek nevezzk, ilyen pldul az acl. Ahhoz, hogy M nullra cskkenjen, ellenkez irny H-t kell alkalmazni, ezt koercitv ernek nevezzk. Tovbb nvelve az ellenkez irny H-t, jra telts kvetkezik be, stb.

Az sszetartoz B s H rtkek hnyadosbl kiszmthat r vagy mr nem lland (azaz nem csak a minta sszetteltl fgg), hanem fgg a H-tl s a minta ellettl. A vasnl r s gy tipikusan tbb szz, de egyes specilis tvzeteknl r akr egymilli fltt is lehet. Ha a ferromgneses anyag hmrsklett nveljk, akkor egy bizonyos CT hmrsklet, az gynevezett Curie-hmrsklet fltt a ferromgneses anyagok paramgneses anyagokk vlnak. A vas Curie-hmrsklete 769C, a kobalt 1075C, a nikkel 360C. Ha az anyagot a paramgneses tartomnybl kiindulva htjk, a szuszceptibilits nvekszik, ezt lthatjuk az albbi grafikonon.

A Curie-Weiss trvny elmleti ton is levezethet s a ksrleti eredmnyekkel is egyezik:

1~CT T

A CT Curie-hmrskleten (ms szavakkal a ferromgneses Curie-pontban) egy msodrend paramgneses - ferromgneses fzistalakuls jtszdik le. Nincs latens h s trfogatugrs, a szuszceptibilits viszont ahogy az a kpletbl is kiolvashat divergl (a gyakorlatban ez akr 10 nagysgrendbeli vltozst is jelenhet). A ferromgnessg rtelmezse Mindezek magyarzata az, hogy a Curie-hmrsklet alatt a ferromgneses anyagokban nagy tartomnyon ugyanabban az irnyban llnak a mgneses momentumok. Ha a mgneses momentumok kztt csak mgneses klcsnhats lenne (mint a paramgneseknl), akkor ez csak 1K alatt kvetkezhetne be. Van teht mg egy, kvantummechanikai eredet klcsnhats, melynek energija:

i jE J m m Ezt Heisenberg-klcsnhatsnak vagy kicserldsi klcsnhatsnak nevezik, az sszegzst ltalban az sszes olyan mi s mj atomi momentumra veszik, amelyek egymssal szomszdosak. Ha 0J , akkor a momentumok prhuzamos bellsa a legkedvezbb energetikailag. Ha trtnetesen 0J , akkor a szomszdos momentumok ellenttesen llnak be (pl. mint a sakktbla sznei), ekkor az anyag antiferromgneses. Ilyen pl. nem tl magas hmrskleten a krm s a mangn. A helyzetet bonyoltja, hogy sok anyagban (pl. a vasban is) tlnyomrszt olyan mgneses momentumok felelsek a ferromgneses viselkedsrt, amelyek a vezetsi elektronok spinjbl addnak s gy nehezen kthetk egy atomhoz. A ferromgneses anyagokban vannak olyan tartomnyok, amelyben a mgnesezettsg egyirny, ezek neve domn (domain). A domnek 10-9-10-12 cm3 trfogat tartomnyok ~1015 szm atommal. Egy-egy domn teltsig mgnesezett, de kls tr hjn a domnek

mgnesezettsge rendezetlen, a szomszdos domnek gyakran ellenttesen mgnesezettek, gy a makroszkopikus minta ssz-mgnesezettsge lnyegben zrus. Ha elkezdjk nvelni a kls mgneses teret, akkor azon domnek trfogata kezd nni, amelyek mgnesezettsgnek irnya kis szget zr be a kls mgnesez tr irnyval. Ezt a jelensget nevezzk faleltoldsnak. A faleltoldsokat a klnfle rcshibk, pl. szennyez atomok fkezik. Nagy mgnesez tr esetn egy msik, irreverzibilis effektus is fellp, egy-egy domn mgnesezettsge ugrsszeren befordulhat a kls mez irnyba. A domnek mgnesezettsgnek ugrsszer vltozsait Barkhausen-ugrsoknak nevezzk. Mivel ekkor elektromos feszltsg is indukldik, ezt ki lehet vezetni egy hangszrra, gy az ugrsok sisterg, serceg zajknt hallhatak, ezt Barkhausen-zajnak nevezzk. Az jabb kutatsok szerint ilyenkor egy domn hirtelen tfordulsa lavinaszer tfordulsokat indt meg a krnyez domnekben s valjban ezek sszestett hatsbl szrmaz zajt halljuk. A teltettsget akkor ri el az anyag, ha mr minden elemi momentum a tr irnyban ll, az egsz anyagdarab egyetlen domnnek tekinthet. Amikor a H vltozsa kvetkeztben M v