Aineen magneettinen luonne mpötilan vaikutus magnetoitumaan



Samankaltaiset tiedostot
1.1 Magneettinen vuorovaikutus

FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet

Magneettikenttä väliaineessa

Magneettikenttä väliaineessa

FYSA241/K1. Juha Merikoski ja Sami Kähkönen (1999,2005) Janne Juntunen (2006) ja Vesa Apaja (2006-)

34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen

tyhjönkaltaisessa väliaineessa. Aineen mikroskooppinen rakenne aiheuttaa todellisuudessa kullekin atomille ominaisen magneettisen dipolimomentin

tyhjiönkaltaisessa väliaineessa. Aineen mikroskooppinen rakenne aiheuttaa todellisuudessa kullekin atomille ominaisen magneettisen dipolimomentin

Mikrotila Makrotila Statistinen paino Ω(n) 3 Ω(3) = 4 2 Ω(2) = 6 4 Ω(4) = 1

Laboratoriotyö 1 FYSA240 (FYS242) Juha Merikoski (työohjeet) ja Sami Kähkönen (tietokoneohjelma) 1999,2005

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Luku 27. Tavoiteet Määrittää magneettikentän aiheuttama voima o varattuun hiukkaseen o virtajohtimeen o virtasilmukkaan

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

5 Magneettiset materiaalit

Suprajohteet. 19. syyskuuta Syventävien opintojen seminaari Suprajohteet. Juho Arjoranta

Sähköiset ja magneettiset materiaalit

Magnetoituvat materiaalit

Ch2 Magnetism. Ydinmagnetismin perusominaisuuksia.

8a. Kestomagneetti, magneettikenttä

Saska Saarinen MAGNEETTIEROTUS

Kuva 8.1 Suoran virrallisen johtimen magneettikenttä (A on tarkastelupiste). /1/

Sisältö. Magnetismin fysikaaliset perusteet. Diamagnetismi. Paramagnetismi. Magnetismin lajit Yksiköt. Petriina Paturi. Vapaat ionit Atomijoukot

Fysp240/1 Ising-malli (lyhyt raportti)

Pehmeä magneettiset materiaalit

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Sähköstatiikka ja magnetismi

Experiment Finnish (Finland) Hyppivät helmet - Faasimuutosten ja epätasapainotilojen mekaaninen malli (10 pistettä)

1. YLEISTÄ MAGNETISMISTA

Magneettikenttä väliaineessa

Jakso 8: Monielektroniset atomit

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

FYSIIKAN LABORATORIOTYÖT 2 MAGNEETTIKENTTÄTYÖ

KESTOMAGNEETTI VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jani Vitikka p87434 Hannu Tiitinen p Dynaaminen kenttäteoria SATE2010

782630S Pintakemia I, 3 op

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

1. YLEISTÄ MAGNETISMISTA

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

Harjoitustehtäviä kokeeseen: Sähköoppi ja magnetismi

Magneettiset materiaalit

Teollinen kaivostoiminta

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

Luku 15: Magneettinen resonanssi

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

Yleistä sähkömagnetismista SÄHKÖMAGNETISMI KÄSITEKARTTANA: Varaus. Coulombin voima Gaussin laki. Dipoli. Sähkökenttä. Poissonin yhtälö.

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Magneettikentät ja niiden määrittäminen

SANNI PERE MAGNEETTITEKNOLOGIAN HYÖDYNTÄMINEN ENERGIA- JA LIIKENNESOVELLUTUKSISSA. Kandidaatintyö

11.1. Kuva 11.1 Weissin alueita erottava Blochin seinämä. Raudalla Blochin siirtymäalue on noin kolmesataa hilavakiota leveä (n. 0.

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Jouko Esko n85748 Juho Jaakkola n Dynaaminen Kenttäteoria GENERAATTORI.

D-Wave kvanttitietokone; mitä se tekee?

1. Johdanto. FYSA241, kevät Tuomas Lappi kl Huone: FL249. Ei kiinteitä vastaanottoaikoja.

Demo: Kahden elektronin spintilojen muodostaminen

ENY-C2001 Termodynamiikka ja lämmönsiirto TERVETULOA!

Tuomo Saloheimo SYVENTÄVÄÄ MAGNEETTIKUVAUKSEN FYSIIKKAA JA LAITEOPPIA

MAGNETIITISTA JA MAGNEETTISISTA OMINAISWRSISTA KESKI-LAPIN VIHRE#KIVISSA

MAGNEETTINEN MAAPALLOMME OPETUSMATERIAALI

Chem-C2400 Luento 3: Faasidiagrammit Ville Jokinen

Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli

SOLENOIDIN MAGNEETTIKENTTÄ

3. Statistista mekaniikkaa

S Fysiikka III (EST) Tentti ja välikoeuusinta

Ch9 Sisäiset Spinvuorovaikutukset. Molekyylin sisäisten spinvuorovaikutusten tarkempaa pohdiskelua

Nyt n = 1. Tästä ratkaistaan kuopan leveys L ja saadaan sijoittamalla elektronin massa ja vakiot

Leptonit. - elektroni - myoni - tauhiukkanen - kolme erilaista neutriinoa. - neutriinojen varaus on 0 ja muiden leptonien varaus on -1

FYSA220/1 (FYS222/1) HALLIN ILMIÖ

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

Magneettikenttä. Magneettikenttä on magneettisen vuorovaikutuksen vaikutusalue. Kenttäviivat: Kenttäviivojen tiheys kuvaa magneettikentän voimakkuutta

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

DEE Sähkötekniikan perusteet

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka vastus on R. Liitetään virtapiiriin jännitelähde V.

VAASAN YLIOPISTO TEKNILLINEN TIEDEKUNTA SÄHKÖTEKNIIKKA. Lauri Karppi j SATE.2010 Dynaaminen kenttäteoria DIPOLIRYHMÄANTENNI.

3. Statistista mekaniikkaa

Menetelmäohjeet. Muuttuvan magneettikentän tutkiminen

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

on myös magneettikentän laita, sillä Faradayn lain mukaan magneettikentän muuttaminen aiheuttaa muutosta vastustavan voiman ja siten magneettikentän

Magnetismi Mitä tiedämme magnetismista?

Luku 5: Diffuusio kiinteissä aineissa

Fysiikan ja kemian perusteet ja pedagogiikka Kari Sormunen Kevät 2012

Sähkö ja magnetismi 1

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

Kiinteiden'materiaalien'magnee-set'ominaisuudet'

Sähköoppi. Sähköiset ja magneettiset vuorovaikutukset sekä sähkö energiansiirtokeinona.

RATKAISUT: 18. Sähkökenttä

Hiukkaskiihdyttimet ja -ilmaisimet

Tarkastellaan yksinkertaista virtasilmukkaa, jossa kulkee virta I ja jonka V + E = IR (8.1)

Passiiviset piirikomponentit. 1 DEE Piirianalyysi Risto Mikkonen

Statistinen fysiikka, osa A (FYSA241)

n=5 n=4 M-sarja n=3 L-sarja n=2 Lisäys: K-sarjan hienorakenne K-sarja n=1

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

Transkriptio:

Aineen magneettinen luonne ja lämpl mpötilan vaikutus magnetoitumaan Jaana Knuuti-Lehtinen 3.4.2009 2.4.20092009 1

Johdanto Magnetoitumisilmiö Mistä johtuu? Mitä magnetoitumisessa tapahtuu? Magneettiset aineet jaottelua Lämpötilan vaikutus magnetoitumaan Sovelluksia 2.4.20092009 2

Magnetoituminen Magnetoitumisilmiön n perustana on atomien ja molekyylien magneettinen momentti, jonka aiheuttaa Elektronin spin (suunta ylös/alas alas) Elektronin rataliike ytimen ympärill rillä 2.4.20092009 3

Magnetoituminen Aine magnetoituu ulkoisessa magneetti- kentäss ssä Magnetoituminen: aineen magneettisten momenttien suuntautumien kentän n suuntaisiksi Seurausta energian minimoimisesta 2.4.20092009 4

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 2.4.20092009 5

Magneettiset aineet Jaottelu: Ferromagneettiset (sekä ferri- ja antiferromagneettiset) Paramagneettiset Diamagneettiset 2.4.20092009 6

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 2.4.20092009 7

Ferromagneetit Pysyvät dipolimomentit järjestäytyneet ns. Weissin alueisiin (alkeisalueet) Alueen sisäll llä magneettiset momentit samansuuntaisia Magneettikentäss ssä alueiden koko ja muoto alkaa muuttua 2.4.20092009 8

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 2.4.20092009 9

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 2.4.20092009 10

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 2.4.20092009 11

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 4 2.4.20092009 12

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 2.4.20092009 13

Magnetoituman lämpl mpötilariippuvuus N µ B M = µ tanh ( ) V kt Magnetoituma, kun J = 0 (µ/k = 1) 2.4.20092009 14

Magnetoituman lämpl mpötilariippuvuus 2.4.20092009 15

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 2.4.20092009 16

Sovelluksia Tietokoneet ja tallennusmediat Tietoliikenne Magneettiset anturit Terveydenhuolto: magneettikuvantamislaitteet Hiukkaskiihdyttimet (suprajohtavat magneetit) 2.4.20092009 17

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) 2.4.20092009 18

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 2.4.20092009 19

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 2.4.20092009 20

Lähdeluettelo [1] Kurkisuonio K. ja R., R Vuorovaikuttavat kappaleet. Limes ry. 1999. [2] Aineopintojen laboratoriotyöt, 2005, s. 12 [3] Mansfield M., M O Sullivan C., C Understanding Physics. Wiley 1999. [4] Hook J.R., J Hall H.E., H Solid States Physics. Wiley 1991. [5] Papon P., Leblond J., Meijer P.H.E., The Physics of Phase Transitions. Springer 2002. [6] Callister W.D., Materials Science and Engineering,An Introduction (7th edition). Wiley 2007. [7] Mouritsen O.G., Computer Studies of Phase Transitions and Critical Phenomena. Springer-Verlag 1984. [8] Davis H. H Ted, Statistical mechanics of phases, interfaces and thin films. VCH Publishers 1996. [9] Prosessori, marraskuu 2004. http:// ://www.prosessori.fi/es es04/arkisto/pdf/spintroniikka SPINTRONIIKKA.PDF PDF 27.11.2008 [10] Tieteen kuvalehti, nro 04/2008 2008, s. 64-65 65. http:// ://www.tieteenkuvalehti.com/polopoly polopoly.jsp?d=157&a=4671&id id=1203 17.11.2008 [11] Tekniikka ja talous, 28.10.2008 http:// ://www.tekniikkatalous.fi/tk tk/article150856.ece 27.11 11.2008 2.4.20092009 21