FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS Harri Kankaanpää
DIAMAGNETISMI Vesi, elohopea, kulta, vismutti,... Magneettinen suskeptibiliteetti negatiivinen: 10-9...10-4 (µ r 1) Heikentää/hylkii heikosti ulkoista magneettikenttää Aiheutuu tyypillisesti yksittäisten elektroniorbitaalien uudelleen suuntautumisesta ulkoisessa magneettikentässä Esiintyy vain ulkoisessa magneettikentässä MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 2
DIAMAGNEETTINEN LEVITAATIO Kuvat: Department of Physics and Astronomy, UCLA MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 3
DIAMAGNETISMI B B = µ 0 H B = µ 0 µ r H H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 4
PARAMAGNETISMI Alumiini, Magnesium, Natrium, Platina, O 2,... Magneettinen suskeptibiliteetti positiivinen: 10-9...10-4 (µ r 1) Vahvistaa/vetää puoleensa heikosti ulkoista magneettikenttää Aiheutuu tyypillisesti parittomien elektronien orbitaalien uudelleensuuntautumisesta ulkoisessa magneettikentässä Esiintyy vain ulkoisessa magneettikentässä MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 5
PARAMAGNETISMI B B = µ 0 µ r H B = µ 0 H H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 6
FERROMAGNETISMI Rauta, koboltti, nikkeli,... Magneettinen suskeptibiliteetti positiivinen ja suuri 10-2...10 5 (µ r 1 ja epälineaarinen!) 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 MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 7
WEISSIN ALUEET Kiderakenteessa olevia alueita, joiden tilavuus tyypillisesti n. 10-12 10-18 m 3 Alueet pitävät sisällään useita magneettisia momentteja, jotka ovat kaikki samansuuntaisia Alueet muodostuvat aineen jäähtyessä Curie-lämpötilan alapuolelle Reagoivat ulkoiseen magneettikentään: Magneettisten domainien uudelleenorientoituminen (suuntautuminen) Ulkoisen magneettikentän kanssa samansuuntaisten domainien kasvu MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 8
MAGNEETTISET DOMAINIT MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 9
WEISSIN ALUEET H=0 H= H= H= MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 10
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 Paksuus tyypillisesti n. 10 100 nm Ohuissa kerroksissa Néel:n seinämä on energeettisesti edullisempi Néel:n seinämä on paksuudeltaan n. 50 1000 nm MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 11
Blochin ja Néelin seinämät MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 12
B FERROMAGNETISMI B = µ 0 H+J!!! Ferromagneettinen paramagneettinen diamagneettinen B = µ 0 H H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 13
B vai J? Käytännössä mitataan B ja H Usein halutaan kuitenkin J J=B-µ 0 H B on seurausta J:stä ja H:sta H B H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 14
HYSTEREESISKÄYRÄN MITTAAMINEN MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 15
MAGNETOINTI J J S H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 16
REMANENSSI B r J B r H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 17
DEMAGNETOINTIKÄYRÄ JA KOERSITIIVIVOIMA H J C B r H C H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 18
-B r J = B-µ 0 H HYSTEREESISKÄYRÄT BH JA JH B r - J H C BH C - B H C J H C MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 19
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 J m B i B m µ 0 H m B o MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 20
J m J B r J m H C Hm =-NJ m /µ0 H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 21
TYÖPISTE - vapaa magneetti J Load-line: P c =(1-N)/N Jµ 0 H(µ r -1)+B r B r permeanssi työpiste B m =(1-N)J m H C Hm =-NJ m /µ0 H B r =J m (P c +µ r )/(P c +1) MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 22
ENERGIATULO (BH) J (BH) max =B r2 /4µ 0 µ r B r H C H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 23
TYÖPISTE - käytännössä Magneetti lähes suljetussa piirissä Magneettikenttä ilmaraossa -> työalue Itseisdemagnetointi poistuu -> H m =0 Ulkoinen magneetikenttä jota vastaan magneetti tekee työtä MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 24
TYÖPISTE - käytännössä J Työpiste, kun H m =0 B r Työpiste, sillä käytännössä H m >0 H C H=H ulk. +H m H=Hulk. H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 25
RECOIL LOOP J H MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 26
LÄMPÖTILARIIPPUVUUS Ferromagneettinen aine on ferromagneettista vain nk. Curie-lämpötilan alapuolella Remanenssi ja koersitiivivoima yleensä heikkenee lämpötilan kasvaessa Reversiibelit muutokset lineaarisella osuudella -> maksimi käyttölämpötila Lämpötilakertoimet (reversible temperature coefficient): Remanenssille: α B r Koersitiivivoimalle:β H c MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 27
Curie-lämpötila Ferromagneettinen Paramagneettinen MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 28
FERRIMAGNETISMI JA ANTI- FERROMAGNETISMI Fe 3 O 4 (magnetiitti), BaFe 2 O 4 (barium-ferriitti, BaFe) Kromi, FeMn, NiO, MnO,FeF 2 Kidehilassa olevat vierekkäiset magneettiset momentit suuntautuvat vastakkaisiin suuntiin MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 29
FERROMAGNETISMI, FERRIMAGNETISMI JA ANTI- FERROMAGNETISMI Ero aiheutuu vierekkäisten atomien välisestä spin-spin vuorovaikutuksesta: E ss = -2J ss S 1 S 2 Jss > 0: Ferromagneettinen kytkentä Jss < 0: Anti-ferromagneettinen kytkentä Vierekkäisten momenttien voimakkuudet voivat olla erisuuret (ferrimagnetismi) yhtäsuuret (anti-ferromagnetismi) MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 30