Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT
Harri Kankaanpää
DIAMAGNETISMI
� Vesi, elohopea, kulta, vismutti, ...
� Magneettinen suskeptibiliteetti negatiivinen:
��� � 10-9...10-4 (µr � 1)
� Heikentää/hylkii heikosti ulkoista magneettikenttää
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 2
� Heikentää/hylkii heikosti ulkoista magneettikenttää
� Aiheutuu tyypillisesti yksittäisten elektroniorbitaalien uudelleen suuntautumisesta ulkoisessa magneettikentässä
� Esiintyy vain ulkoisessa magneettikentässä
DIAMAGNEETTINEN LEVITAATIO
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
Kuvat: Department of Physics and Astronomy, UCLA
3
PARAMAGNETISMI
� Alumiini, Magnesium, Natrium, Platina, O2, ...
� Magneettinen suskeptibiliteetti positiivinen:
� � 10-9...10-4 (µr � 1)
� Vahvistaa/vetää puoleensa heikosti ulkoista
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� Vahvistaa/vetää puoleensa heikosti ulkoista magneettikenttää
� Aiheutuu tyypillisesti parittomien elektronien orbitaalien uudelleensuuntautumisesta ulkoisessa magneettikentässä
� Esiintyy vain ulkoisessa magneettikentässä
5
FERROMAGNETISMI
� Rauta, koboltti, nikkeli, ...
� Magneettinen suskeptibiliteetti positiivinen ja suuri
� � 10-2...105 (µr � 1 ja epälineaarinen!)
� Vahvistaa/vetää puoleensa voimakkaasti ulkoista
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� Vahvistaa/vetää puoleensa voimakkaasti ulkoista magneettikenttää
� Aiheutuu aineessa olevista alueista, joissa on paljon samansuuntaisia magneettimomentteja
� Aine jää magneettiseksi vaikka ulkoinen magneettikenttä poistettaisiin
� Demagnetointi lämmittämällä aine nk. Curie-lämpötilan yläpuolelle
7
WEISSIN ALUEET
� Kiderakenteessa olevia alueita, joiden tilavuus tyypillisesti n. 10-12 – 10-18 m3
� Alueet pitävät sisällään useita magneettisia momentteja, jotka ovat kaikki samansuuntaisia
� Alueet muodostuvat aineen jäähtyessä Curie-lämpötilan
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� Alueet muodostuvat aineen jäähtyessä Curie-lämpötilan alapuolelle
� Reagoivat ulkoiseen magneettikentään:
– Magneettisten domainien uudelleenorientoituminen (suuntautuminen)
– Ulkoisen magneettikentän kanssa samansuuntaisten domainien kasvu
8
BLOCHIN SEINÄMÄ
� Eri suuntiin suuntautuneiden Weissin alueiden välissä on yleensä nk. Blochin seinämä
� Seinämä on siirtymäkerros, jossa magneettimomenttien suunta vähitellen muuttu siirryttäessä yhdestä Weissin alueesta toiseen
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
alueesta toiseen
� Paksuus tyypillisesti n. 10 – 100 nm
� Ohuissa kerroksissa Néel:n seinämä on energeettisesti edullisempi
� Néel:n seinämä on paksuudeltaan n. 50 – 1000 nm
11
FERROMAGNETISMI
B
B = µ0H
B = µ0H+J !!!
paramagneettinen
diamagneettinen
Ferromagneettinen
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 13
H
B = µ0H
B vai J?
� Käytännössä mitataan B ja H
� Usein halutaan kuitenkin J
� J=B-µ0H
� B on seurausta J:stä ja H:sta
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� B on seurausta J:stä ja H:sta
14
H
B H
TYÖPISTE – ”vapaa magneetti”
� Kestomagneetti pyrkii demagnetoimaan ”itse itsensä”
� Ellei ole muita magneettikentän lähteitä, niin magneetti on tällöin demagnetointikäyrällä eli nk. hystereesiskäyrän toisella kvadrantilla
� Demagnetointikerroin N riippuu magneetin muodosta
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� Demagnetointikerroin N riippuu magneetin muodosta
20
Bi
Bo
Bm µ0Hm
Jm
TYÖPISTE - ”vapaa magneetti”J
Br
Bm=(1-N)Jmtyöpiste
Load-line: Pc=(1-N)/NJ�µ0H(µr-1)+Br
permeanssi
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 22
HHC Hm=-NJm/µ0
työpiste
Br=Jm(Pc+µr)/(Pc+1)
TYÖPISTE - ”käytännössä”
Magneetti lähes suljetussa piirissä
Magneettikenttä ilmaraossa -> ”työalue”
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 24
piirissä
Itseisdemagnetointi ”poistuu” -> Hm=0
Ulkoinen magneetikenttä jota vastaan magneetti tekee työtä
TYÖPISTE - ”käytännössä”J
BrTyöpiste, kun Hm=0
Työpiste,
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 25
HHC H=Hulk.H=Hulk.+Hm
Työpiste, sillä käytännössä Hm>0
LÄMPÖTILARIIPPUVUUS
� Ferromagneettinen aine on ferromagneettista vain nk. Curie-lämpötilan alapuolella
� Remanenssi ja koersitiivivoima yleensä heikkenee lämpötilan kasvaessa
� Reversiibelit muutokset lineaarisella osuudella ->
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� Reversiibelit muutokset lineaarisella osuudella -> maksimi käyttölämpötila
� Lämpötilakertoimet (reversible temperature coefficient):
– Remanenssille: αBr
– Koersitiivivoimalle:βHc
27
FERRIMAGNETISMI JA ANTI-FERROMAGNETISMI
� Fe3O4(magnetiitti), BaFe2O4(barium-ferriitti, BaFe)
� Kromi, FeMn, NiO, MnO,FeF2
� Kidehilassa olevat vierekkäiset magneettiset momentit suuntautuvat vastakkaisiin suuntiin
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 29
FERROMAGNETISMI, FERRIMAGNETISMI JA ANTI-
FERROMAGNETISMI� Ero aiheutuu vierekkäisten atomien välisestä spin-spin
vuorovaikutuksesta:
– Ess = -2JssS1 � S2
� Jss > 0: Ferromagneettinen kytkentä
MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS
� Jss < 0: Anti-ferromagneettinen kytkentä
� Vierekkäisten momenttien voimakkuudet voivat olla
– erisuuret (ferrimagnetismi)
– yhtäsuuret (anti-ferromagnetismi)
30