Aineen magneettinen luonne mpötilan vaikutus magnetoitumaan

Transkriptio

1 Aineen magneettinen luonne ja lämpl mpötilan vaikutus magnetoitumaan Jaana Knuuti-Lehtinen

2 Johdanto Magnetoitumisilmiö Mistä johtuu? Mitä magnetoitumisessa tapahtuu? Magneettiset aineet jaottelua Lämpötilan vaikutus magnetoitumaan Sovelluksia

3 Magnetoituminen Magnetoitumisilmiön n perustana on atomien ja molekyylien magneettinen momentti, jonka aiheuttaa Elektronin spin (suunta ylös/alas alas) Elektronin rataliike ytimen ympärill rillä

4 Magnetoituminen Aine magnetoituu ulkoisessa magneetti- kentäss ssä Magnetoituminen: aineen magneettisten momenttien suuntautumien kentän n suuntaisiksi Seurausta energian minimoimisesta

5 Ising-malli Hilapisteissä spin-muuttuja S i, jonka arvo 1 ( spin ylös/spin spin alas ) Ulkoisessa magneettikentäss ssä B spinin energia on -µbs i, (kun B spin ylös) Vuorovaikutusenergia lähinaapurin l kanssa JS i S J, (J = ferromagneettinen kytkentä) Systeemin energiaksi saadaan: ja magnetoitumaksi (paramagn.) : N E = - J S i S J - µb S i i,j i=1 N µ B M = µ tanh ( ) V kt

6 Magneettiset aineet Jaottelu: Ferromagneettiset (sekä ferri- ja antiferromagneettiset) Paramagneettiset Diamagneettiset

7 Ferromagneetit Pysyvät dipolimomentit Spin-spin vuorovaikutus (J > 0) Magneettikenttää ään n tuotuna voimistavat magneettivuon tiheyttä Jäävät t pysyvästi sti magneettiseksi kentän n hävittyh vittyä ympärilt riltä Esim. rauta, koboltti ja nikkeli sekä useat näistn istä koostuvat yhdisteet

8 Ferromagneetit Pysyvät dipolimomentit järjestäytyneet ns. Weissin alueisiin (alkeisalueet) Alueen sisäll llä magneettiset momentit samansuuntaisia Magneettikentäss ssä alueiden koko ja muoto alkaa muuttua

9 Ferromagneetit Saturaatiomagnetoituma: Saavutetaan, kun kaikki magneettiset momentit kääk ääntyneet magneettikentän n suuntaisiksi. Suurin mahdollinen magnetoituma Magneettikentän n voimakkuuden lisää ääminen ei enää lisää aineen magneettisuutta

10 Paramagneetit Myös s pysyvät dipolimomentit Järjestäytyvät t magneettikentäss ssä kentän suuntaisiksi. Magnetoituminen heikompaa kuin ferromagneeteilla (J=0) Magneettisuus hävih viää, kun kappale viedää ään pois magneettikentäst stä Esim. alumiini, magnesium, natrium, platina

11 Diamagneetit Elektronirakenteesta johtuen ei pysyviä dipoleja Magneettikentäss ssä atomeihin indusoituu kuitenkin magneettisia dipoleja Magneettinen momentti vastakkaissuuntainen kentän n kanssa Diamagneetit heikentävät magneettivuon tiheyttä Esim. kulta, elohopea, vesi

12 Ferri- ja antiferromagneetit Ferromagneetin kaltaisia; pysyvät dipolimomentit Ferromagneettinen kytkentä J < 0 Ero: vierekkäiset iset magneettiset momentit suuntautuvat eri suuntiin Antiferromagneeteilla vierekkäiset iset momentit kumoavat toisensa => ulospäin ei magneettisuutta, esim. MnO Ferrimagneeteilla spinit eivät täysin kumoudu, esim. Fe 3 O

13 Lämpötilan vaikutus magneettiseen käyttäytymiseenytymiseen Lämpö saa magneettiset momentit värähtelemään n ja häiritsee h niiden suuntautumista ja siten magnetoitumista Pienessä magneettikentäss ssä lämpöliike voi estää magnetoitumisen kokonaan

14 Magnetoituman lämpl mpötilariippuvuus N µ B M = µ tanh ( ) V kt Magnetoituma, kun J = 0 (µ/k = 1)

15 Magnetoituman lämpl mpötilariippuvuus

16 Faasitransitio Kriittinen piste, ns. Curie-piste piste: Pisteen yläpuolella Weissin alueet hävih viävät t ja ferromagneettinen aine muuttuu paramagneettiseksi Puhtaalle raudalle Curie-piste on n. n 770 o C Vastaavasti paramagneettinen aine muuttuu ferromagneettiseksi Curie-pisteen alapuolella. Esim. Gadoliniumilla piste lähelll hellä huoneenlämp mpöä, n. 16 o C

17 Sovelluksia Tietokoneet ja tallennusmediat Tietoliikenne Magneettiset anturit Terveydenhuolto: magneettikuvantamislaitteet Hiukkaskiihdyttimet (suprajohtavat magneetit)

18 Sovelluksia Spintroniikka eli magnetoelektroniikka: spineihin perustuva komponenttien optisten, sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien muuttaminen => entistä pienemmät ja nopeammat tallennusvälineet (MRAM) magneettiset puolijohteet Useampia samanaikaisia toiminnallisuuksia (voivat toimia esim. muistina ja vahvistimena) Haasteena sopivan materiaalin löytyminen Oltava riittävän korkea Curie-piste Ehdokas mangaanilla seostettu galliumnitridi (GaN)

19 Sovelluksia Kehitteillä kylmälaitteita, joiden jäähdytys perustuu magneettijäähdytykseen (magnetokalorinen ilmiö: magneettisuuden poistaminen jäähdyttää magneetin) => pienempi sähkönkulutus (40 % nykyisestä) => ei tarvita vahingollisia hiilivetyjä Magnetokalorinen ilmiö voimakkainta juuri Curie-pisteen alapuolelle (esim. Gadolinium) Magneettisten aineiden johdannaisista (rautaarsenidijohdannainen) löydetty äskettäin ns. korkean lämpötilan suprajohteita Hylkii magneettikenttää paremmin kuin yksikään tunnetuista suprajohteista => uusia käyttökohteita

20 Yhteenveto Jaottelu: ferro-, para- ja diamagneettiset aineet Ferro- ja paramagneettisilla aineilla on magneettisia momentteja, jotka järjestj rjestäytyvät t ulkoisessa kentäss ssä magneettikentän n suuntaan Mitä suurempi kenttä, sitä enemmän n kappale magnetoituu Ferromagneettinen kappale jääj pysyvästi sti magneettiseksi alkeisalueiden magnetoituman vuoksi, paramagneettinen ei Lämpö heikentää magneettisuutta, Curie-pisteen yläpuolella magneettisuus hävih viää

21 Lähdeluettelo [1] Kurkisuonio K. ja R., R Vuorovaikuttavat kappaleet. Limes ry [2] Aineopintojen laboratoriotyöt, 2005, s. 12 [3] Mansfield M., M O Sullivan C., C Understanding Physics. Wiley [4] Hook J.R., J Hall H.E., H Solid States Physics. Wiley [5] Papon P., Leblond J., Meijer P.H.E., The Physics of Phase Transitions. Springer [6] Callister W.D., Materials Science and Engineering,An Introduction (7th edition). Wiley [7] Mouritsen O.G., Computer Studies of Phase Transitions and Critical Phenomena. Springer-Verlag [8] Davis H. H Ted, Statistical mechanics of phases, interfaces and thin films. VCH Publishers [9] Prosessori, marraskuu :// es04/arkisto/pdf/spintroniikka SPINTRONIIKKA.PDF PDF [10] Tieteen kuvalehti, nro 04/ , s :// polopoly.jsp?d=157&a=4671&id id= [11] Tekniikka ja talous, :// tk/article ece