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