Ferromagnetismi on spontaanin magnetisoitumisen ilmaantumista Curie -lämpötilan alapuolella [1] , mikä johtuu magneettisten momenttien järjestyksestä, jossa suurin osa niistä on yhdensuuntaisia toistensa kanssa. Tämä on päämekanismi, jolla tietyt materiaalit (kuten rauta ) muodostavat kestomagneetteja tai vetäytyvät magneeteihin . Aineita, joissa tapahtuu magneettisten momenttien ferromagneettista järjestystä, kutsutaan ferromagneeteiksi [2] .
Fysiikassa on tapana erottaa useita magnetismin tyyppejä . Ferromagnetismi (yhdessä samanlaisen ferrimagnetismin vaikutuksen kanssa ) on vahvin magnetismin tyyppi ja se on vastuussa jokapäiväisessä elämässä esiintyvistä magneettien magnetismin fysikaalisesta ilmiöstä . [3] Aineet, joilla on kolme muuta magnetismityyppiä – paramagnetismi , diamagnetismi ja antiferromagnetismi – reagoivat heikommin magneettikenttiin – mutta voimat ovat yleensä niin heikkoja, että ne voidaan havaita vain herkillä instrumenteilla laboratoriossa.
Jokapäiväinen esimerkki ferromagnetismista on jääkaappimagneetti , jota käytetään jääkaapin oveen muistiinpanojen tekemiseen. Magneetin ja ferromagneettisen materiaalin välinen vetovoima on magnetismin ominaisuus, jota on havaittu muinaisista ajoista lähtien. [neljä]
Kestomagneetit, jotka on luotu materiaaleista, jotka voidaan magnetoida ulkoisella magneettikentällä ja jotka pysyvät magnetoituina ulkoisen kentän poistamisen jälkeen, on valmistettu ferromagneettisista tai ferrimagneettisista aineista, samoin kuin niihin vetämät materiaalit. Vain harvoilla kemiallisesti puhtailla aineilla on ferromagneettisia ominaisuuksia. Yleisimmät niistä ovat rauta , koboltti , nikkeli ja gadolinium . Suurin osa niiden seoksista, samoin kuin jotkut harvinaisten maametallien yhdisteet, osoittavat ferromagnetismia. Ferromagnetismi on erittäin tärkeä teollisuudessa ja nykytekniikassa, ja se on perusta monille sähköisille ja sähkömekaanisille laitteille, kuten sähkömagneeteille , sähkömoottoreille , generaattoreille , muuntajille ja magneettisille tallennuslaitteille, nauhureille ja kiintolevyille , sekä rautametallien ainetta rikkomattomalle testaukselle. metallit.
Ferromagneettiset materiaalit voidaan jakaa pehmeisiin magneettisiin materiaaleihin , kuten hehkutettuun rautaan , joka voidaan magnetoida, mutta joka ei yleensä pysy magnetisoituna, ja koviin magneettisiin materiaaleihin , jotka säilyttävät remanenssin. Kestomagneetit on valmistettu "kovista" ferromagneettisista materiaaleista, kuten alnico , ja ferrimagneettisista materiaaleista, kuten ferriitistä , joille valmistuksen aikana tehdään erityistä korkean magneettikentän käsittelyä niiden sisäisen mikrokiteisen rakenteensa kohdistamiseksi, mikä tekee niistä vaikean demagnetisoida. "Kyllästetyn magneetin" demagnetisoimiseksi on tarpeen käyttää tiettyä magneettikenttää, joka riippuu materiaalin koersitiivista . "Kovilla" materiaaleilla on suuri pakkovoima, kun taas "pehmeillä" materiaaleilla on pieni pakkovoima. Magneetin kokonaisvoimakkuus mitataan sen magneettisella momentilla tai vaihtoehtoisesti sen tuottamalla kokonaismagneettivuolla. Materiaalin magnetismin paikalliselle voimakkuudelle on tunnusomaista sen magnetoituminen .
Historiallisesti termiä ferromagnetismi on käytetty kaikista materiaaleista, joissa voi esiintyä spontaania magnetoitumista : eli nettomagneettista momenttia ulkoisen magneettikentän puuttuessa, mistä tahansa materiaalista, josta voi tulla magneetti . Tämä yleinen määritelmä on edelleen laajalti käytössä. [5]
Kuitenkin vuonna 1948 julkaistussa maamerkkipaperissa Louis Néel osoitti, että on olemassa kaksi magneettisen järjestyksen tasoa, jotka johtavat tähän käyttäytymiseen. Yksi niistä on ferromagnetismi sanan varsinaisessa merkityksessä, kun kaikki magneettiset momentit ovat kohdakkain - osoittavat samaan suuntaan. Toinen on ferrimagnetismi , jossa jotkut magneettiset momentit osoittavat vastakkaiseen suuntaan, mutta niillä on pienempi vaikutus, joten spontaani magnetoituminen on edelleen olemassa. [6] [7] :28–29
Erityistapauksessa, jossa vastakkaiset momentit tasapainottavat täysin toisiaan, kohdistus tunnetaan antiferromagnetismina . Näin ollen antiferromagneeteilla ei ole spontaania magnetoitumista.
Materiaali | Curie-lämpötila (K) |
---|---|
co | 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 |
MnSb_ _ | 587 |
MnOFe 2 O 3 * | 573 |
Y 3 Fe 5 O 12 * | 560 |
CrO2_ _ | 386 |
Mn As | 318 |
Gd | 292 |
Tb | 219 |
Dy | 88 |
Eu O | 69 |
* Ferrimagneettinen materiaali |
Ferromagnetismi on epätavallinen ominaisuus, joka esiintyy vain muutamissa aineissa. Yleisimmät siirtymämetallit ovat rauta , nikkeli , koboltti ja niiden seokset sekä harvinaisten maametallien seokset . Tämä ominaisuus ei ole vain materiaalin kemiallinen koostumus, vaan myös sen kiderakenne ja mikrorakenne. On ferromagneettisia metalliseoksia, joiden komponentit eivät itse ole ferromagneettisia. Tällaisia seoksia kutsutaan Geisler-seoksiksi (Fritz Geislerin kunniaksi). Toisaalta on olemassa ei-magneettisia seoksia, kuten ruostumaton teräs , jotka koostuvat lähes yksinomaan ferromagneettisista metalleista.
Amorfisia (ei-kiteisiä) ferromagneettisia metalliseoksia voidaan saada nestemäisen seoksen erittäin nopealla sammutuksella (jäähdytyksellä). Niiden etuna on, että niiden ominaisuudet ovat lähes isotrooppisia (suunnasta riippumattomia); Tämä johtaa alhaiseen pakotusvoimaan , alhaiseen hystereesihäviöön , korkeaan magneettiseen permeabiliteettiin ja korkeaan sähköiseen resistiivisyyteen. Yksi tällainen tyypillinen materiaali on metalliseos, joka koostuu siirtymämetallista ja metalloideista. Esimerkiksi 80 % siirtymämetallia (yleensä Fe, Co tai Ni) ja 20 % metalloidikomponenttia ( B , C , Si , P tai Al ), mikä alentaa sulamispistettä.
Harvinaiset maametallit ovat suhteellisen uusi luokka erittäin vahvoja ferromagneettisia materiaaleja. Ne sisältävät lantanideja , jotka tunnetaan kyvystään kuljettaa suuria magneettisia momentteja erittäin paikallisilla kiertoradoilla.
Taulukossa luetellaan ferromagneettiset ja ferrimagneettiset yhdisteet sekä Curie-lämpötila, jonka yläpuolella ne lakkaavat osoittamasta spontaania magnetoitumista.
Suurin osa ferromagneettisista materiaaleista on metalleja, koska johtavuuselektronit ovat usein vastuussa ferromagneettisista vuorovaikutuksista. Siksi ferromagneettisten eristeiden, erityisesti moniferroisten materiaalien, joilla on sekä ferromagneettisia että ferrosähköisiä ominaisuuksia, kehittäminen on haastava tehtävä. [kymmenen]
Useat aktinidiyhdisteet ovat ferromagneetteja huoneenlämpötilassa tai osoittavat ferromagnetismia jäähtyessään. PuP on paramagneetti , jossa on kuutioinen kidehila huoneenlämpötilassa , mutta joka käy läpi rakenteellisen siirtymän tetragonaaliseen faasiin , jossa on ferromagneettinen järjestys, kun se jäähtyy alle sen T C = 125 K. Ferromagneettisessa tilassa PuP:n helppo magnetointiakseli on suunnattu <100> suuntaan. [yksitoista]
Np Fe 2 : ssa helppo akseli on <111>. [12] Yli T C ≈ 500 K NpFe 2 on myös paramagneettinen ja sillä on kuutiomainen kiderakenne. Jäähtyminen Curie-lämpötilan alapuolelle johtaa romboedriseen muodonmuutokseen, jossa romboedrikulma muuttuu 60°:sta (kuutiofaasi) 60,53°:een. Toisella kielellä tämä vääristymä voidaan esittää pitämällä pituuksia c yhdellä trigonaaliakselilla (vääristymän alkamisen jälkeen) ja a etäisyydeksi tasossa, joka on kohtisuorassa c :tä vastaan . Kuutiovaiheessa tämä pienenee arvoon c/a=1. Alle Tc:n lämpötiloissa
Tämä on suurin muodonmuutos kaikista aktinidiyhdisteistä . [13] NpNi 2 käy läpi samanlaisen hilavääristymän alle arvon T C = 32 K jännityksellä (43 ± 5) × 10 −4 . NpCo 2 osoittautuu ferrimagneettiseksi alle 15 K:n lämpötilassa.
Vuonna 2009 MIT:n fyysikot osoittivat, että litiumkaasu, joka on jäähtynyt alle yhteen kelviniin, voi osoittaa ferromagnetismia. [14] Tutkijaryhmä jäähdytti fermionisen litium -6:n alle 150 nK:n (150 miljardisosaan kelvinistä) infrapunalaserjäähdytyksellä . Tämä on ensimmäinen osoitus kaasun ferromagnetismista.
Vuonna 2018 Minnesotan yliopiston fyysikkoryhmä osoitti, että kehon keskipisteessä oleva tetragonaalinen rutenium on ferromagneettista huoneenlämmössä. [viisitoista]
Viimeaikaiset tutkimukset ovat osoittaneet, että ferromagnetismi voi indusoitua tietyissä materiaaleissa sähkövirralla tai jännitteellä. Antiferromagneettinen LaMnO3 ja SrCoO kytketään ferromagneettiseen tilaan virralla. Heinäkuussa 2020 tutkijat raportoivat ferromagnetismin syntymisestä laajalle levinneeseen diamagneettiseen materiaaliin, rikkikiisuun , jännitettä käyttämällä. [16] [17] Näissä kokeissa ferromagnetismi rajoittui ohueen pintakerrokseen.
1910 - luvulla todistettu Bohr-Van Leeuwenin teoreema vahvisti, että klassisen fysiikan teoriat eivät pysty selittämään minkäänlaista magnetismia, mukaan lukien ferromagnetismia. Magnetismi nähdään nykyään puhtaasti kvanttimekaanisena ilmiönä . Ferromagnetismi syntyy kahdesta kvanttimekaniikan vaikutuksesta: spinistä ja Paulin poissulkemisperiaatteesta .
Yksi elektronin perusominaisuuksista (paitsi sen, että se kantaa varausta) on, että sillä on magneettinen dipolimomentti , eli se käyttäytyy kuin pieni magneetti luoden magneettikentän . Tämä dipolimomentti johtuu elektronin perustavanlaatuisemmasta ominaisuudesta, sen spinistä . Kvanttiluonteensa vuoksi elektronin spin voi olla toisessa kahdesta tilasta; magneettikentän osoittaessa "ylös" tai "alas" (mikä tahansa ylös- ja alasuunnan valinnassa). Atomissa olevien elektronien spin on ferromagnetismin päälähde, vaikka elektronin kiertoradalla oleva liikemäärä suhteessa atomin ytimeen vaikuttaa siihen . Kun nämä aineen kappaleessa olevat magneettiset dipolit ovat kohdakkain (niiden spinit osoittavat samaan suuntaan), niiden yksittäiset magneettikentät muodostavat paljon suuremman makroskooppisen kentän.
Kuitenkin materiaaleilla, jotka koostuvat atomeista, joissa on täytetyt elektronikuoret , kokonaismagneettinen dipolimomentti on nolla: koska kaikki elektronit ovat pareittain vastakkaisilla spineillä. Sitten kunkin elektronin magneettinen momentti kompensoidaan parin toisen elektronin vastakkaisella momentilla. Vain atomeilla, joilla on osittain täytetty kuori (eli parittomia spinejä), voi olla nettomagneettinen momentti, joten ferromagnetismia esiintyy vain materiaaleissa, joissa on osittain täytetyt kuoret. Hundin sääntöjen mukaan kuoren ensimmäisillä elektroneilla on pääosin samat spinit, mikä lisää magneettista dipolimomenttia.
Nämä parittomat elektronit (kutsutaan usein yksinkertaisesti "spineiksi", vaikka ne yleensä sisältävät myös kiertoradan kulmamomentin) pyrkivät asettumaan rinnakkain ulkoisen magneettikentän kanssa, jota kutsutaan paramagnetismiksi . Ferromagnetismiin liittyy kuitenkin lisäilmiö: joissakin aineissa magneettiset dipolit pyrkivät asettumaan spontaanisti ulkoisen magneettikentän suunnan kanssa, mikä aiheuttaa spontaanin magnetisoitumisen ilmiön, vaikka magneettikenttää ei olisikaan.
Kun kahdella vierekkäisellä atomilla on parittomia elektroneja, niiden spinien suuntaus (rinnakkais tai antirinnakkais) vaikuttaa siihen, voivatko nämä elektronit olla samalla kiertoradalla vaihtovuorovaikutuksen seurauksena . Tämä puolestaan vaikuttaa elektronien järjestykseen ja Coulombin vuorovaikutukseen ja siten näiden tilojen väliseen energiaeroon.
Vaihtovuorovaikutus liittyy Paulin poissulkemisperiaatteeseen, jonka mukaan kaksi elektronia, joilla on sama spin, eivät voi olla samassa kvanttitilassa. Tämä on seurausta spin-tilastolauseesta ja siitä, että elektronit ovat fermioneja . Siksi tietyissä olosuhteissa, kun naapuriatomien parittomien ulompien valenssielektronien kiertoradat menevät päällekkäin, sähkövaraukset avaruudessa ovat kauempana toisistaan, kun elektroneilla on yhdensuuntaiset spinit, kuin silloin, kun niillä on vastakkaiseen suuntaan suunnatut spinit. Tämä vähentää elektronien sähköstaattista energiaa spinien ollessa yhdensuuntaisia verrattuna niiden energiaan, kun spinit ovat antirinnakkaiset, joten rinnakkainen spin-tila on vakaampi. Tätä energiaeroa kutsutaan vaihtoenergiaksi .
Vaihtoenergia voi olla useita suuruusluokkia suurempi kuin magneettisen dipolin ja dipolin väliseen vuorovaikutukseen liittyvä energiaero dipolin suuntauksesta [18] , minkä vuoksi magneettiset dipolit asettuvat vastakkain. On osoitettu, että joissakin seostetuissa puolijohdeoksideissa RKKY -vaihtovuorovaikutus indusoi pitkän kantaman jaksollisia magneettisia vuorovaikutuksia, mikä on tärkeää spintroniikan materiaalien tutkimuksessa . [19]
Materiaaleja, joissa vaihtovuorovaikutus on paljon vahvempi kuin kilpaileva magneettinen dipoli-dipoli -vuorovaikutus, kutsutaan usein magneettisiksi materiaaleiksi . Esimerkiksi raudassa (Fe) vaihtovuorovaikutuksen voimakkuus on noin 1000 kertaa suurempi kuin magneettisen dipolin vuorovaikutus. Siksi Curie-lämpötilan alapuolella käytännössä kaikki ferromagneettisen materiaalin magneettiset dipolit asettuvat kohdakkain. Vaihtovuorovaikutus on ferromagnetismin lisäksi vastuussa muun tyyppisistä atomien magneettisten momenttien spontaanista järjestymisestä, joita esiintyy kiinteissä aineissa, joilla on magneettisia ominaisuuksia: antiferromagnetismi ja ferrimagnetismi . On olemassa erilaisia vaihtovuorovaikutusmekanismeja, jotka luovat magnetismia erilaisissa ferromagneeteissa, ferrimagneeteissa ja antiferromagneeteissa. Näitä mekanismeja ovat vaihtovuorovaikutus , RKKY-vuorovaikutus , kaksoisvaihto ja supervaihtovuorovaikutus .
Vaikka vaihtovuorovaikutus pitää spinit kohdakkain, se ei kohdista niitä tiettyyn suuntaan. Ilman magneettista anisotropiaa (kuten magneettisista nanohiukkasista koostuvaa materiaalia) magneetin pyöritykset muuttavat suuntaa satunnaisesti lämpövaihteluiden vuoksi, ja magneetista tulee superparamagneettinen . Magneettista anisotropiaa on useita tyyppejä, joista yleisin liittyy magneettiseen kiderakenteeseen. Mikä ilmenee energian riippuvuutena magnetisaatiosuunnasta suhteessa kristallografisen hilan pääakseleihin . Toinen yleinen anisotropian lähde on käänteinen magnetostriktio , jonka aiheuttavat sisäiset jännitykset . Yksidomeeniset magneetit voivat myös osoittaa muodon anisotropiaa magnetostaattisten vaikutusten vuoksi, jotka riippuvat hiukkasten muodosta. Kun magneetin lämpötila nousee, anisotropialla on taipumus laskea, ja usein esiintyy estolämpötila , jossa tapahtuu siirtymä superparamagnetismiin. [kaksikymmentä]
Yllä oleva näyttäisi viittaavan siihen, että jokaisella ferromagneettisen materiaalin tilavuudella on oltava vahva magneettikenttä, koska kaikki spinit ovat kohdakkain, mutta rauta ja muut ferromagneetit ovat usein "ei-magneettisessa" tilassa. Syynä tähän on se, että massiivinen pala ferromagneettista materiaalia on jaettu pieniksi alueiksi, joita kutsutaan magneettisiksi alueiksi [21] (tunnetaan myös nimellä Weiss-alueet ). Jokaisella tällaisella alueella spinit ovat yhteissuuntaisia, mutta (jos bulkkimateriaali on alimmassa energiakonfiguraatiossa, eli ei magnetoitu ), yksittäisten domeenien spinit osoittavat eri suuntiin ja niiden magneettikentät kumoavat toisensa. , joten keholla ei ole suurta magneettikenttää.
Ferromagneettiset materiaalit hajoavat spontaanisti magneettisiksi alueiksi, koska vaihtovuorovaikutus on lyhyen kantaman voima, joten suurilla etäisyyksillä monet atomit yrittävät vähentää energiaansa suuntautumalla vastakkaisiin suuntiin. Jos kaikki ferromagneettisen materiaalin kappaleen dipolit ovat rinnakkain, tämä luo suuren magneettikentän, joka etenee sitä ympäröivään tilaan. Se sisältää paljon magnetostaattista energiaa. Materiaali voi vähentää tätä energiaa jakautumalla moniin eri suuntiin osoittaviin alueisiin, jolloin magneettikenttä rajoittuu materiaalin pieniin paikallisiin kenttiin, mikä vähentää kentän tilaa. Domeenit erotetaan toisistaan ohuilla , muutaman atomin paksuisilla domeenseinillä , joissa dipolimagnetisaatiosuunta pyörii tasaisesti yhden domeenin suunnasta toisen suuntaan.
Näin ollen raudanpalalla sen alimmassa energiatilassa ("ei-magneettinen") on yleensä vähän tai ei ollenkaan magneettikenttää. Materiaalin magneettiset domeenit eivät kuitenkaan ole staattisia; ne ovat yksinkertaisesti alueita, joissa elektronien spinit ovat spontaanisti linjassa niiden magneettikenttien vuoksi ja siten niiden kokoa voidaan muuttaa käyttämällä ulkoista magneettikenttää. Jos materiaaliin kohdistetaan riittävän voimakas ulkoinen magneettikenttä, alueen seinämät liikkuvat. Liikeprosessiin liittyy elektronien spinien pyöriminen alueen seinämissä, jotka kääntyvät ulkoisen kentän vaikutuksen alaisena siten, että naapurialueiden spinit suuntautuvat samaan suuntaan, jolloin alueet suuntautuvat uudelleen niin, että enemmän dipoleja on kohdistettu ulkoisten alueiden kanssa. ala. Domeenit pysyvät kohdakkain, kun ulkoinen kenttä poistetaan, luoden oman magneettikentän, joka etenee materiaalin ympärillä olevaan tilaan muodostaen siten "pysyvän" magneetin. Domeenit eivät palaa alkuperäiseen minimienergiakonfiguraatioonsa, kun kenttä poistetaan, koska alueen seinät pyrkivät "kiinnittymään" tai "kietoutumaan" hilavirheisiin säilyttäen samalla yhdensuuntaisen suuntautumisensa. Tämän osoittaa Barkhausen-ilmiö : kun magneettikenttä muuttuu, magnetointi muuttuu tuhansina pieninä, ajoittaisina hyppyinä, kun alueen seinämät siirtyvät yhtäkkiä vikojen ohi.
Magnetoitumista ulkoisen kentän funktiona kuvataan hystereesikäyrällä . Vaikka magnetoidun ferromagneettisen materiaalin kappaleessa löydettyjen kohdistettujen domeenien tilalla ei ole minimienergiaa, se on metastabiili ja voi säilyä pitkiä aikoja. Kuten osoittavat meren pohjasta otetut magnetiittinäytteet , jotka ovat säilyttäneet magnetisoitumisensa miljoonia vuosia.
Magnetoidun materiaalin kuumentaminen ja sitten jäähdyttäminen ( hehkutus ), takominen vasaran iskuilla tai nopeasti värähtelevän magneettikentän käyttäminen kaasunpoistokelasta vapauttaa alueen seinät kiinnitetystä tilastaan ja alueen rajat pyrkivät siirtymään takaisin konfiguraatioon, jossa on vähemmän energiaa ja vähemmän ulkoista magneettikenttää, mikä demagnetoi materiaalin.
Teolliset magneetit on valmistettu "kovista" ferromagneettisista tai ferrimagneettisista materiaaleista, joilla on erittäin korkea magneettinen anisotropia, kuten alnico ja ferriite , joilla on erittäin voimakas magnetoituminen kiteen yhdellä akselilla, "helppoakselilla". Tuotannon aikana materiaalit altistetaan erilaisille metallurgisille prosesseille voimakkaassa magneettikentässä, joka kohdistaa kiderakeita siten, että niiden "kevyt" magnetointiakselit ovat samassa suunnassa. Siten magnetointi ja tuloksena oleva magneettikenttä on "rakennettu" materiaalin kiderakenteeseen, mikä tekee demagnetoinnin erittäin vaikeaksi.
Lämpötilan noustessa lämpöliike tai entropia kilpailee ferromagneettisen järjestyksen kanssa. Kun lämpötila nousee yli tietyn pisteen, jota kutsutaan Curie-lämpötilaksi , tapahtuu toisen asteen faasimuutos , eikä järjestelmä enää kestä spontaania magnetoitumista, joten sen kyky magnetoitua tai vetää puoleensa magneetin kanssa katoaa, vaikka se silti reagoi kuin paramagneetti ulkoiseen magneettikenttään. Tämän lämpötilan alapuolella tapahtuu spontaani symmetrian rikkoutuminen ja magneettiset momentit ovat linjassa naapuriensa kanssa. Curie-lämpötila on kriittinen piste, jossa magneettinen suskeptibiliteetti poikkeaa, ja vaikka nettomagnetisaatiota ei ole, alueen spin-korrelaatiot vaihtelevat kaikilla spatiaalisilla asteikoilla.
Ferromagneettisten faasimuutosten tutkimuksella, erityisesti yksinkertaistetun Ising-mallin avulla , on ollut merkittävä vaikutus tilastollisen fysiikan kehitykseen. Siellä osoitettiin ensin, että keskimääräiset kenttäteoriat eivät kyenneet ennustamaan oikeaa käyttäytymistä kriittisessä pisteessä (jonka havaittiin kuuluvan universaalisuusluokkaan , mukaan lukien monet muut järjestelmät, kuten neste-kaasu-siirtymät), ja ne piti korvata. renormalisointiryhmäteorian mukaan.
Magneettiset tilat | |
---|---|
|