MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
Opte o magnetnim osobinama
Dijamagnetizam
Paramagnetizam
Fero, feri i antiferomagnetizam
Poreenje elektrinih i magnetnih osobina
MAGNETIZAM MAGNETIZAM ISTORIJATISTORIJAT
Re magnetizam potie od grke rei za izvestan tip minerala koji sadri oksid gvoa (Fe3O4, magnetit), koji je pronaen u Magneziji (Grka) pre vie od 2000 godina.
Osobine ovog minerala: deluje silom
na sline materijale i moe preneti tu osobinu na komad gvoa dodirom.
MAGNETIZAM MAGNETIZAM ISTORIJATISTORIJAT
Prva nauna studija magnetizma potie od Wilijema Gilberta, koji je 1600. publikovao knjigu O magnetu.
1820. Hans Kristian Ersted zapazio da elektrina struja proizvodi magnetno polje.
1825. napravljen prvi elektromagnet.
1831. Majkl Faradej i Dozef Henric su nezavisno pokazali da promenljivo magnetno polje proizvodi elektrinu struju u ici koja se nalazi u tom polju (otkrie elektromagnetne indukcije).
IZVOR MAGNETNOG POLJAIZVOR MAGNETNOG POLJA
Izvor magnetnog polja je naelektrisanje u kretanju!
Razumevanje izvora polja koje stvara ipka magneta lei u
razumevanju struja na atomskom nivou.
MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
Analogija izmeu magnetnih i elektrinih osobina.
Magnetne osobine izazvane naelektrisanjem u kretanju, a
elektrine deformacijom naelektrisanja.
Tri vrste ponaanja:
dijamagnetizam
paramagnetizam
feromagnetizam, ferimagnetizam, antiferomagnetizam
MAGNETMAGNETNI MOMENTINI MOMENTI
Magnetni momenat atoma (mp)
mp = IA [Am2]
B Bohr-ov magneton
(najmanja koliina magnetnog momenta)
B = eh/4 me = 0,927410-27 Am2
mp
MAGNETNI MOMENTIMAGNETNI MOMENTI
Tri izvora magnetnih momenata atoma:
elektronski spinski momenat (paramagnetizam)
elektronski orbitalni momenat (paramagnetizam)
promena orbitalnog momenta, indukovana primenjenim magnetnim poljem (dijamagnetizam)
MAGNETNA PERMEABILNOSTMAGNETNA PERMEABILNOST
Relativna magnetna propustljivost (permeabilnost)
pokazuje tenju magnetnih linija sile da prou kroz datu
sredinu u odnosu na vakuum: r = / 0.
permeabilnost vakuuma:
0 = 410-7 Vs/Am = 1,256610-6 N/A2
dijamagnetici: r < 1
paramagnetici: r > 1
MAGNETNA SILAMAGNETNA SILA
2
21
04
1
r
mmF
r
m1, m2 magnetni momenti (dipoli) r rastojanje izmeu magnetnih momenata
MAGNETIZACIJA I SUSCEPTIBILNOSTMAGNETIZACIJA I SUSCEPTIBILNOST
Magnetizacija i susceptibilnost se takoe koriste za
kvantitativno izraavanje magnetnih osobina.
Magnetizacija datog uzorka se sastoji od unutranjih
magnetizacija (susceptibilnosti ) i spoljanjeg polja :
= r-1 analogno e = r-1
m
A
m
Am
V
m
M ii
3
2
HM
MAGNETNA SUSCEPTIBILNOSTMAGNETNA SUSCEPTIBILNOST
Postoje tri tipa susceptibilnosti:
zapreminska susceptibilnost, = / [bezdim.]
masena susceptibilnost, mas= / [cm3/g]
molarna susceptibilnost, m=Vm [cm3/mol]
m = Vm = (M / ) = M mas
Najee se koristi molarna susceptibilnost.
esto je = f ( ) komplikacija!
MAGNETNT SUSCEPTIBILNOSTI (298K)MAGNETNT SUSCEPTIBILNOSTI (298K)
Supstancija / (106) m / (104 cm3 mol1)
H2O
C6H6
NaCl() Cu() Hg(t)
CuSO4H2O() Al() Pt() Na()
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 ODREIVANJE EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (1)MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (1)
Gujova vaga
SQUID (Superconucting Quantum Interference Device)
EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE EKSPERIMENTALNO ODREIVANJE MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (2)MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (2)
Kvikeov metod
OSNOVE MAGNETIZMAOSNOVE MAGNETIZMA
Magnetna idnukcija gustina magnetnog fluksa
U vakuumu = 0. H je uzrok, a je posledica u sredini.
MHHHHHHBAm
NTB
r
0000 1
MAGNETOHEMIJAMAGNETOHEMIJA
Dijamagnetizam (r0)
+110-4 < m < +110-1 cm3/mol
Spoljanje polje je pojaano
Atomi/joni/molekuli sa nepopunjenim ljuskama / nesparenim elektronima
dijamagnetizam (unutranji e-) + paramagnetizam (valentni e-)
MAGNETOHEMIJAMAGNETOHEMIJA
Feromagnetizam (r>>1, m>>0)
m do +110+6 cm3/mol
Magnetni momenti paralelni
Fe, Co, Ni, Cd, Dy
Antiferomagnetizam
Periodino paralelne i antiparalelne raspodele (susedni magnetni momenti identini po apsolutnoj vrednosti)
Cr, FeO, MnO
Ferimagnetizam
Periodino paralelne i antiparalelne raspodele (susedni magnetni momenti nisu identini po apsolutnoj vrednosti)
Magnetit Fe3O4, gvoe(II,III) oksid
Molarna susceptibilnost elemenata
MAGNETNA PERMEABILNOSTMAGNETNA PERMEABILNOST
HB )1(0
TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA
U VRSTOM STANJU U VRSTOM STANJU
TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA
U VRSTOM STANJU U VRSTOM STANJU
MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
Opte o magnetnim osobinama
Dijamagnetizam
Paramagnetizam
Fero, feri i antiferomagnetizam
Poreenje elektrinih i magnetnih osobina
DIJAMAGNETNE SUPSTANCIJEDIJAMAGNETNE SUPSTANCIJE
popunjene elektronske ljuske magnetni momenat 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 PRAVILOLENCOVO PRAVILO
Pravilo za odreivanje smera indukovane struje:
Indukovana struja ima takav smer, da tei poniteju svog
nastanka.
Strujna kontura reaguje na promenu magnetnog polja
stvaranjem sopstvenog magnetnog polja (indukovane
struje).
Dijamagnetizam!
PRECESIJAPRECESIJA
TEORIJA DIJAMAGNEIZMATEORIJA DIJAMAGNEIZMA
Klasina Lanevenova teorija
Kada se primeni magnetno polje, magnetni momenti elektrona
precesuju oko pravca polja, usled ega se u atomu indukuje
magnetni momenat mi:
Sfernosimetrian atom
I
mi
ri
TEORIJA DIJAMAGNETIZMATEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija
Posmatra se atom koji ima Z elektrona.
HmNV
HVmN
HmVnNHmVNHNmHM
HM
iAmm
miA
iAitoti
/
/
//////
BmN iAm /0
TEORIJA DIJAMAGNETIZMATEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija
e
i
ei
i
m
eLm
vrmLqvr
m
dqvr
dt
lddqr
ldr
dt
dqldrIAIdAIm
2
2
22
22
TEORIJA DIJAMAGNETIZMATEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasina Lanevin-ova teorija
j
j
e
ijj
e
j
j
i
j
j
ej
jL
e
j
jLe
i
e
L
LeLee
e
i
rm
Bemrr
m
rBe
m
rm
Be
e
r
m
erm
m
m
eB
rmLrmvrmL
m
Lqm
22
22
22
22
22
22
63
2
4
2
2
22
2
2
TEORIJA DIJAMAGNETIZMATEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija
BmN iAm /0
j
j
e
Am r
m
eN 22
0
6
j
j
e
i rm
Bem
22
6
TEORIJA DIJAMAGNETIZMATEORIJA DIJAMAGNETIZMA
Slaganje izraunatih i
izmerenih vrednosti nije
idealno, ali je u okviru
reda veliine.
Klasina Lanevinova
i kvantna teorija dijama-
gnetizma daju isti rezultat.
Tf
MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
Opte o magnetnim osobinama
Dijamagnetizam
Paramagnetizam
Fero, feri i antiferomagnetizam
Poreenje elektrinih i magnetnih osobina
PARAMAGNETNE SUPSTANCIJEPARAMAGNETNE SUPSTANCIJE
nepopunjene ljuske / nespareni elektroni magnetni
momenat ima konanu vrednost
soli prelaznih elemenata
elementi retkih zemalja
soli i oksidi retkih zemalja
metali (Al, Cr)
Susceptibilnost opada sa porastom temperature! T
C
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija kao kod polarnih materijala
nema polja,
=0
primenjeno polje,
niska temperatura
primenjeno polje,
visoka temperatura
Klasina Lanevenova teorija kao kod elektrinih osobina
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
cosBmU
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija kao kod elektrinih osobina
broj momenata u prostornom uglu izmeu i +d je dN
bez polja: dN d
sa poljem: dNB d Boltzmann-ov faktor
dkT
BmA
kT
UdAdNB sin)
cosexp(2)exp(
cos
akT
Bm
0)sin2(cos
cos
dmAem kTmB
B
B
Bi
N
mm
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija kao kod elektrinih osobina
Lanevenova funkcija
1
1
1
1
de
demm
a
a
i
)(1
coth1
aLa
aaee
ee
m
maa
aa
i
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasina Lanevenova teorija kao kod elektrinih osobina
945
2
453)(
53aaa
aL
malo a a
veliko a saturacija
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Klasina teorija:
m magnetni momenat materijala
Momenat po molu:
A
mA
m
iAmmmm
i
N
kTm
kT
mN
B
mNV
B
MV
H
MV
kT
Bmm
0
2
0
00
2
3
3
3
TRTkTN
mNM mmmA
A
83,2
33
00
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Kvantna teorija
Centralni postulat: energija sistema je diskretna.
klasini sluaj kvantiranost
J=1/2 J=2
TEORIJA PARAMAGNETIZMATEORIJA PARAMAGNETIZMA
Kvantna teorija
ukupni angularni momenat spina
ukupni angularni momenat elektrona
ukupni angularni momenat atoma
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
TEMPERATURSKA ZAVISNOST
Opte:
dijamagnetizam:
paramagnetizam: (Kirijev zakon)
Tf
T
C
T
+
-
MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
Opte o magnetnim osobinama
Dijamagnetizam
Paramagnetizam
Fero, feri i antiferomagnetizam
Poreenje elektrinih i magnetnih osobina
FEROMAGNETIZAMFEROMAGNETIZAM
I u odsustvu primenjenog polja magnetni dipoli tee da se
usmere u malim oblasitma, domenima. Primenom spoljanjeg
polja domeni se usmeravaju.
magnetni
domeni
meki feromagnetizam domeni se ponovo haotizuju kada se polje iskljui
tvrdi feromagnetizam
MEKI I TVRDI MAGNETIMEKI I TVRDI MAGNETI
meki magneti: transformatori,
elektromagneti, elektrini kalemovi...
tvrdi magneti: zvune i video
trake, permanentni magneti...
metalni meki magneti:
-Fe, Co, Ni i njihove legure
Fe-Si i Fe-Ni jedinjenja i njihove legure
keramiki meki magneti:
feriti: kubni oksidi spineli ili perovskiti, garneti (Y3Fe5O12)
spineli: magnetni momenti jona na tetraedarskim i oktaedarskim mestima su anti-paralelni
meki tvrdi
FEROMAGNETIZAM I TEMPERATURA
Povienje 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
TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA
U VRSTOM STANJU U VRSTOM STANJU
MAGNETNO PONAANJE MATERIJALAMAGNETNO PONAANJE MATERIJALA
Magnetno ponaanje slobodnih atoma, jona ili materijala u
celini se mogu razlikovati:
atomi Ag i Cu imaju rezultujui magnetni moment i ponaaju se kao paramagnetici, dok se u masi ponaaju 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 ODREIVANJASTRUKTURNA ODREIVANJA
Paskal je pokazao da je aditivna veliina:
A atomska susceptibilnost
i susceptibilnost konstitutivnih komponenti
Ispitivanje strukture molekula.
Primer: hipofosforna kiselina ima formulu H4P2O6, a ne H2PO3.
iAm
MAGNETNE OSOBINEMAGNETNE OSOBINE
Opte o magnetnim osobinama
Dijamagnetizam
Paramagnetizam
Fero, feri i antiferomagnetizam
Poreenje elektrinih i magnetnih osobina
POREENJE ELEKTRINIH I MAGNETNIH POREENJE ELEKTRINIH I MAGNETNIH OSOBINAOSOBINA
Elektrine osobine
dielektrik
indukovanje elektrinih dipola atomska polarizacija ne utie T
paraelektrik
paraelektrina polarizacija za tri reda veliine vea od paramagnetne sniavanjem T paraelektrik ovrava i nema orijentacije dipola
feroelektrik
Magnetne osobine
dijamagnetik
indukovanje magnetnih momenata --- ne utie T
paramagnetik
za obe vai Lanevenova funkcija efekti se pojaavaju sniavanjem T, poto se samo orbitalni i spinski momenti orijentiu
feromagnetik