MAGNETNE OSOBINEnepopunjene ljuske / nespareni elektroni magnetni moment ima konačnu vrednost • soli prelaznih elemenata • elementi retkih zemalja • soli i oksidi retkih zemalja

MAGNETNE OSOBINE

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)

EKSPERIMENTALNO ODREĐIVANJE

MAGNETNE SUSCEPTIBILNOSTI (2)

• Kvinkeov metod

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

TIPOVI KOLEKTIVNOG MAGNETIZMA

U ČVRSTOM STANJU

Molarna susceptibilnost elemenata

MAGNETNA PERMEABILNOST

HB )1(0

MAGNETNA SVOJSTVA


• Dijamagnetizam

• Paramagnetizam



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!

PRECESIJA

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



Posmatra se atom koji ima Z elektrona.

HmNV

HVmN

HmVnNHmVNHNmHM

HM

iAmm

miA

iAitoti

/

/

//////

BmN iAm /0



e

i

ei

i

m

qLm

vrmLqvr

m

dqvr

dt

lddqr

ldr

dt

dqldrIAIdAIm

2

2

22

22


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

rjp

rj

x

y

z

2222

2222

3

2jjjjp

jjjj

ryxr

zyxr

rjp

rj

e

j

j

e

j

jp

i

jjjjp

jjjj

m

rBe

m

rBe

m

ryxr

zyxr

64

3

2

2222

2222

2222

x

y

z



BmN iAm /0

j

j

e

Am r

m

eN 22

0

6

j

j

e

i rm

Bem

22

6


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


• Dijamagnetizam

• Paramagnetizam



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

Klasična Lanževenova teorija – kao kod električnih osobina


cosBmBmU



x

akT

Bm

cos

de

demm

kT

U

kT

U

cos

cosBmU



Lanževenova funkcija

1

1

1

1

dxe

dxxemm

ax

ax

)(1

aLaee

ee

m

maa

aa



malo a a

veliko a saturacija


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


Kvantna teorija

Centralni postulat: energija sistema je diskretna.

klasični slučaj kvantiranost

J=1/2 J=2


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

TEMPERATURSKA ZAVISNOST

Opšte:

• dijamagnetizam:

• paramagnetizam: (Kirijev zakon)

Tf

T

C

T

+

-

MAGNETNA SVOJSTVA


• Dijamagnetizam

• Paramagnetizam



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


U ČVRSTOM STANJU


U ČVRSTOM STANJU

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


• Dijamagnetizam

• Paramagnetizam



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

Documents

MAGNETNE OSOBINEnepopunjene ljuske / nespareni elektroni magnetni moment ima konačnu vrednost • soli prelaznih elemenata • elementi retkih zemalja • soli i oksidi retkih zemalja