Upload
others
View
8
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
MAGNETNA SVOJSTVA
• Opšte o magnetnim svojstvima
• Dijamagnetizam
• Paramagnetizam
• Fero, feri i antiferomagnetizam
• PoreĎenje električnih i magnetnih svojstava
MAGNETIZAM – ISTORIJAT
Reč magnetizam potiče od grčke
reči za izvestan tip minerala koji
sadrži oksid gvožĎa Fe3O4,
magnetit, koji je pronaĎen u
Magneziji (Grčka) pre više od 2000
godina.
Svojstva ovog minerala: deluje silom
na slične materijale i može preneti to
svojstvo na komad gvožĎa dodirom.
MAGNETIZAM – ISTORIJAT
• Prva naučna studija magnetizma potiče od Vilijema Gilberta, koji je
1600. publikovao knjigu “O magnetu.”
• 1820. Hans Kristian Ersted zapazio da električna struja proizvodi
magnetno polje.
• 1825. napravljen prvi elektromagnet.
• 1831. Majkl Faradej i Džozef Henric su nezavisno pokazali da
promenljivo magnetno polje proizvodi električnu struju u žici koja se
nalazi u tom polju (otkriće elektromagnetne indukcije).
IZVOR MAGNETNOG POLJA
Izvor magnetnog polja je naelektrisanje u kretanju!
Razumevanje izvora polja koje stvara šipka magneta leži u
razumevanju struja na atomskom nivou.
MAGNETNA SVOJSTVA
Analogija izmeĎu magnetnih i električnih svojstava.
Magnetna svojstva izazvana naelektrisanjem u kretanju, a
električna deformacijom naelektrisanja.
Tri vrste ponašanja:
• dijamagnetizam
• paramagnetizam
• feromagnetizam, ferimagnetizam, antiferomagnetizam
MAGNETNI MOMENTI
Magnetni moment atoma (m)
m = I·A [Am2]
B – Borov magneton
(najmanja vrednost intenziteta magnetnog momenta)
B = eh/(4 me) = 9,274·10-24 Am2
m
MAGNETNI MOMENTI
Tri izvora magnetnih momenata atoma:
• elektronski spinski momenat (paramagnetizam)
• elektronski orbitni momenat (paramagnetizam)
• promena magnetnog momenta, indukovana primenjenim
magnetnim poljem (dijamagnetizam)
MAGNETNA PERMEABILNOST
Relativna magnetna propustljivost (permeabilnost)
pokazuje težnju magnetnih linija sile da proĎu kroz datu
sredinu u odnosu na vakuum: r = / 0.
permeabilnost vakuuma:
0 = 4·10-7 Vs/Am = 1,2566·10-6 N/A2
dijamagnetici: r < 1
paramagnetici: r > 1
MAGNETNA SILA
2
21
0
2
21
4
1
4
1
r
mm
r
mmF
r
m 1, m 2 – magnetni momenti (dipoli)
r – rastojanje izmeĎu magnetnih momenata
MAGNETIZACIJA I SUSCEPTIBILNOST
Magnetizacija i susceptibilnost se takoĎe koriste za
kvantitativno izražavanje magnetnih svojstava.
Magnetizacija datog uzorka zavisi od susceptibilnosti i
spoljašnjeg polja :
= μr-1 analogno e = r-1
m
A
m
Am
V
m
M i
i
3
2
HM
MAGNETNA SUSCEPTIBILNOST
Postoje tri tipa susceptibilnosti:
• zapreminska susceptibilnost, = / [bezdim.]
• masena susceptibilnost, mas= / [cm3/g]
• molarna susceptibilnost, m=·Vm [cm3/mol]
m = Vm· = (M / ) = M· mas
Najčešće se koristi molarna susceptibilnost.
Često je = f ( ) komplikacija!
MAGNETNA SUSCEPTIBILNOST (298K)
Supstancija / (106) m / (104 cm3 mol1)
H2O
C6H6
NaCl(č)
Cu(č)
Hg(t)
CuSO4H2O(č)
Al(č)
Pt(č)
Na(č)
90,0
7,2
13,9
96,0
28,5
+176,0
+22,0
+262,0
+7,3
16,0
6,4
3,8
6,8
4,2
+192,0
+2,2
+22,8
+1,7
EKSPERIMENTALNO ODREĐIVANJE
MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (1)
• Gujova vaga
• SQUID (Superconucting Quantum Interference Device)
OSNOVE MAGNETIZMA
Magnetna idnukcija – gustina magnetnog fluksa
U vakuumu = 0. H je uzrok, a je posledica u sredini.
MHHHHHHB
Am
NTB
r
0000 1
MAGNETOHEMIJA
Dijamagnetizam (r<1, m<0)
-1·10-4 < m < -1·10-2 cm3/mol
• Spoljašnje polje je oslabljeno
• Atomi/joni/molekuli sa popunjenim ljuskama
Paramagnetizam (r>1, m>0)
+1·10-4 < m < +1·10-1 cm3/mol
• Spoljašnje polje je pojačano
• Atomi/joni/molekuli sa nepopunjenim ljuskama / nesparenim
elektronima
MAGNETOHEMIJA
Feromagnetizam (r>>1, m>>0)
m do +1·10+6 cm3/mol
• Magnetni momenti paralelni
• Fe, Co, Ni, Cd, Dy
Antiferomagnetizam
• Periodično paralelne i antiparalelne raspodele
(susedni magnetni momenti identični po apsolutnoj vrednosti)
• Cr, FeO, MnO
Ferimagnetizam
• Periodično paralelne i antiparalelne raspodele (susedni
magnetni momenti nisu identični po apsolutnoj vrednosti)
• Magnetit Fe3O4, gvožĎe(II,III) oksid
MAGNETNA SVOJSTVA
• Opšte o magnetnim svojstvima
• Dijamagnetizam
• Paramagnetizam
• Fero, feri i antiferomagnetizam
• PoreĎenje električnih i magnetnih svojstava
DIJAMAGNETNE SUPSTANCIJE
popunjene elektronske ljuske magnetni moment nula
• inertni gasovi (He, Ne, Ar)
• poliatomski gasovi (H2, N2)
• jonski kristali (NaCl: Na+, Cl-)
• materijali sa kovalentnom vezom (C-dijamant, Si, Ge)
• skoro sva organska jedinjenja
Susceptibilnost ne zavisi od temperature!
vakuum
dijamagnetik
LENCOVO PRAVILO
Pravilo za odreĎivanje smera indukovane struje:
Strujna kontura reaguje na promenu magnetnog polja
stvaranjem sopstvenog magnetnog polja (indukovane
struje).
Indukovana struja ima takav smer, da teži poništenju svog
nastanka.
Dijamagnetizam!
TEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija
Kada se primeni magnetno polje, magnetni momenti elektrona
precesuju oko pravca polja, usled čega se u atomu indukuje
magnetni moment mi:
Sfernosimetričan atom
I
mi
ri
TEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija
Posmatra se atom koji ima Z elektrona.
HmNV
HVmN
HmVnNHmVNHNmHM
HM
iAmm
miA
iAitoti
/
/
//////
BmN iAm /0
TEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija
e
i
ei
i
m
qLm
vrmLqvr
m
dqvr
dt
lddqr
ldr
dt
dqldrIAIdAIm
2
2
22
22
TEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasična Lanževin-ova teorija
j
j
e
ijjp
e
j
jp
i
j
jp
ej
jp
ej
jpL
e
j
jpLe
e
L
LeLee
e
i
rm
Bemrr
m
rBe
m
rm
Ber
m
Bq
q
r
m
qrm
m
eqm
qB
rmLrmvrmL
m
Lqm
22
22
22
22
22
22
22
63
2
4
2
2
2
2
22
2
2
TEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija
BmN iAm /0
j
j
e
Am r
m
eN 22
0
6
j
j
e
i rm
Bem
22
6
TEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Slaganje izračunatih i
izmerenih vrednosti nije
idealno, ali je u okviru
reda veličine.
Klasična Lanževinova
i kvantna teorija dijama-
gnetizma daju isti rezultat.
Tf
MAGNETNA SVOJSTVA
• Opšte o magnetnim svojstvima
• Dijamagnetizam
• Paramagnetizam
• Fero, feri i antiferomagnetizam
• PoreĎenje električnih i magnetnih svojstava
PARAMAGNETNE SUPSTANCIJE
nepopunjene ljuske / nespareni elektroni magnetni
moment ima konačnu vrednost
• soli prelaznih elemenata
• elementi retkih zemalja
• soli i oksidi retkih zemalja
• metali (Al, Cr)
Susceptibilnost opada sa povećanjem temperature!T
C
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija – kao kod polarnih materijala
• nema polja,
=0
• primenjeno polje,
niska temperatura
• primenjeno polje,
visoka temperatura
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija – kao kod električnih osobina
x
akT
Bm
cos
de
demm
kT
U
kT
U
cos
cosBmU
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija – kao kod električnih osobina
Lanževenova funkcija
1
1
1
1
dxe
dxxemm
ax
ax
)(1
aLaee
ee
m
maa
aa
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasična Lanževenova teorija – kao kod električnih osobina
malo a a
veliko a saturacija
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasična teorija:
m – magnetni momenat materijala
Magnetni moment po molu:
A
mA
m
A
mmmm
N
kTm
kT
mN
B
mNV
B
MV
H
MV
kT
Bmm
0
2
0
00
2
3
3
3
00
33
mmAA
RTkTNmNM
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Kvantna teorija
Centralni postulat: energija sistema je diskretna.
klasični slučaj kvantiranost
J=1/2 J=2
TEORIJA PARAMAGNETIZMA
Kvantna teorija
spinski ugaoni moment
orbitni ugaoni moment
ukupni ugaoni moment
2
1;h
SSSS
2
1;h
LLLL
2
1;h
JJJSLJ
kT
NmgJJ
kT
BmgJJm
A
m3
)1(
3)1(
2
02
2
2
MAGNETNA SVOJSTVA
• Opšte o magnetnim svojstvima
• Dijamagnetizam
• Paramagnetizam
• Fero, feri i antiferomagnetizam
• PoreĎenje električnih i magnetnih svojstava
FEROMAGNETIZAM
I u odsustvu primenjenog polja magnetni dipoli teže da se
usmere u malim oblasitma, domenima. Primenom spoljašnjeg
polja domeni se usmeravaju.
magnetni
domeni
• “meki” feromagnetizam – domeni se ponovo haotizuju kada
se polje isključi
• “tvrdi” feromagnetizam
FEROMAGNETIZAM I TEMPERATURA
Povišenje temperature dovodi do transformacije feromagnetnih u
paramagnetne materijale. Ovaj prelaz se odvija na Kirijevoj
temperaturi, TC.
supstanca TC / K
Co 1395
Fe 1033
Ni 627
CrO2 390
Gd 289
Dy 85
EuO 70
Ho 20
MAGNETNO PONAŠANJE MATERIJALA
Magnetno ponašanje slobodnih atoma, jona ili materijala u
celini se mogu razlikovati.
• atomi Ag i Cu imaju rezultujući magnetni moment i
ponašaju se kao paramagnetici, dok se u masi ponašaju
kao dijamagnetici
• Fe2+ i Fe3+ kao i kompleksni joni nisu feromagnetni, a Fe
kao metal jeste
• metalni Cu i Cu+ joni su dijamagnetici, a Cu2+ joni su
paramagnetici
STRUKTURNA ODREĐIVANJA
Paskal je pokazao da je aditivna veličina:
A – atomska susceptibilnost
i – susceptibilnost konstitutivnih komponenti
Ispitivanje strukture molekula.
Primer: H4P2O6, a ne H2PO3.
iAm
MAGNETNA SVOJSTVA
• Opšte o magnetnim svojstvima
• Dijamagnetizam
• Paramagnetizam
• Fero, feri i antiferomagnetizam
• PoreĎenje električnih i magnetnih svojstava
POREĐENJE ELEKTRIČNIH I MAGNETNIH
SVOJSTAVA
Električna svojstva
nepolarne supstancije
• indukovanje električnih dipola
• atomska polarizacija
• ne utiče T
polarne supstancije
• paraelektrična polarizacija za tri
reda veličine veća od paramagnetne
• snižavanjem T paraelektrik očvršćava
i nema orijentacije dipola
feroelektrik
Magnetna svojstva
dijamagnetik
• indukovanje magnetnih momenata
• ---
• ne utiče T
paramagnetik
• za obe važi Lanževenova funkcija
• efekti se pojačavaju snižavanjem T,
pošto se samo orbitni i spinski
momenti orijentišu
feromagnetik