Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet

Samankaltaiset tiedostot
Kiinteiden'materiaalien'magnee-set'ominaisuudet'

FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT

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

Aineen magneettinen luonne mpötilan vaikutus magnetoitumaan

Fysiikka 7. Sähkömagnetismi

1.1 Magneettinen vuorovaikutus

Magneettikentät. Haarto & Karhunen.

Ch2 Magnetism. Ydinmagnetismin perusominaisuuksia.

34.2 Ulkoisen magneettikentän vaikutus ferromagneettiseen aineeseen

Pehmeä magneettiset materiaalit

ELEC-A4130 Sähkö ja magnetismi (5 op)

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

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

781611S KIINTEÄN OLOMUODON KEMIA (4 op)

Siirtymämetallien erityisominaisuuksia

Ydin- ja hiukkasfysiikka: Harjoitus 1 Ratkaisut 1

vetyteknologia Polttokennon tyhjäkäyntijännite 1 DEE Risto Mikkonen

Vyöteoria. Orbitaalivyöt

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

Magneettikenttä väliaineessa

Magneettikenttä väliaineessa

8. MONIELEKTRONISET ATOMIT

5 Magneettiset materiaalit

Magnetoituvat materiaalit

Elektrodynamiikka 2010 Luennot Elina Keihänen Magneettinen energia

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

Oppikirja (kertauksen vuoksi)

Alikuoret eli orbitaalit

Luku 2: Atomisidokset ja ominaisuudet

Jakso 8. Ampèren laki. B-kentän kenttäviivojen piirtäminen

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

RATKAISUT: 19. Magneettikenttä

Chem-C2400 Luento 2: Kiderakenteet Ville Jokinen

9. JAKSOLLINEN JÄRJESTELMÄ

Luku 14: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

Määräys STUK SY/1/ (34)

a P en.pdf KOKEET;

ULKOELEKTRONIRAKENNE JA METALLILUONNE

Käytetään nykyaikaista kvanttimekaanista atomimallia, Bohrin vetyatomi toimii samoin.

1 Johdanto Mikä tämä kurssi on Hieman taustaa Elektrodynamiikan perusrakenne Kirjallisuutta... 8

Aiheena tänään. Virtasilmukka magneettikentässä Sähkömagneettinen induktio. Vaihtovirtageneraattorin toimintaperiaate Itseinduktio

KEMIAN MIKROMAAILMA, KE2 Kvanttimekaaninen atomimalli

Sähköiset ja magneettiset materiaalit

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Luku 15: Magneettinen resonanssi

SMG-5250 Sähkömagneettinen yhteensopivuus (EMC) Jari Kangas Tampereen teknillinen yliopisto Elektroniikan laitos

CHEM-C2210 Alkuainekemia ja epäorgaanisten materiaalien synteesi ja karakterisointi (5 op), kevät 2017

Magneettikenttä. Liikkuva sähkövaraus saa aikaan ympärilleen sähkökentän lisäksi myös magneettikentän

766334A Ydin- ja hiukkasfysiikka

Vyöteoria. σ = neμ. Orbitaalivyöt

Luku 13: Elektronispektroskopia. 2-atomiset molekyylit moniatomiset molekyylit Fluoresenssi ja fosforesenssi

S Fysiikka III (Est) 2 VK

Säteilyturvakeskuksen määräys turvallisuusluvasta ja valvonnasta vapauttamisesta

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

2 Staattinen sähkökenttä Sähkövaraus ja Coulombin laki... 9

REDOX-AKTIIVISET SILTAAVAT LIGANDIT LANTANOIDIKOMPLEKSEISSA

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

SÄHKÖMAGNEETTISTEN KENTTIEN BIOLOGISET VAIKUTUKSET JA TERVEYSRISKIT

Fysiikka 1. Coulombin laki ja sähkökenttä. Antti Haarto

d) Klooria valmistetaan hapettamalla vetykloridia kaliumpermanganaatilla. (Syntyy Mn 2+ -ioneja)

EPÄORGAANINEN KEMIA HARJOITUKSIA. Jaksollinen järjestelmä

Kvanttifysiikan perusteet 2017

AKKU- JA PARISTOTEKNIIKAT

Luku 9: Atomien rakenne ja spektrit. v=bmivwz-7gmu v=dvrzdcnsiyw

Sähköstatiikka ja magnetismi

S , Fysiikka III (Sf) tentti/välikoeuusinta

SATE2180 Kenttäteorian perusteet Induktanssi ja magneettipiirit Sähkötekniikka/MV

- Kahden suoran johtimen välinen magneettinen vuorovaikutus I 1 I 2 I 1 I 2. F= l (Ampèren laki, MAOL s. 124(119) Ampeerin määritelmä (MAOL s.

Jakso 8: Monielektroniset atomit

Jaksollinen järjestelmä ja sidokset

Käsitteitä. Hapetusluku = kuvitteellinen varaus, jonka atomi saa elektronin siirtyessä

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

Ch9 Sisäiset Spinvuorovaikutukset. Molekyylin sisäisten spinvuorovaikutusten tarkempaa pohdiskelua

Kuvan 4 katkoviivalla merkityn alueen sisällä

Tfy Fysiikka IIB Mallivastaukset

Coulombin laki. Sähkökentän E voimakkuus E = F q

Magneettikenttä väliaineessa

FERMIONIJÄRJESTELMÄT (AH 9.1, 9.2) Metallien johtavuuselektronit

Käytännön esimerkkejä on lukuisia.

Sähköstatiikka ja magnetismi Coulombin laki ja sähkökenttä

Syntymäaika: 2. Kirjoita nimesi ja syntymäaikasi kaikkiin sivuille 1 ja 3-11 merkittyihin kohtiin.

Tekniikan valintakokeen laskutehtävät (osio 3): Vastaa kukin tehtävä erilliselle vastauspaperille vastaukselle varattuun kohtaan

TÄSSÄ ON ESIMERKKEJÄ SÄHKÖ- JA MAGNETISMIOPIN KEVÄÄN 2017 MATERIAALISTA

Luento 1 Rauta-hiili tasapainopiirros Austeniitin hajaantuminen perliittimekanismilla

Atomin elektronikonfiguraatiot (1)

17VV VV 01021

Kapasitiivinen ja induktiivinen kytkeytyminen

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

Virrankuljettajat liikkuvat magneettikentässä ja sähkökentässä suoraan, kun F = F eli qv B = qe. Nyt levyn reunojen välinen jännite

Firan vesilaitos. Laitosanalyysit. Lkm keski- maksimi Lkm keski- maksimi

NIMI: Luokka: c) Atomin varaukseton hiukkanen on nimeltään i) protoni ii) neutroni iii) elektroni

vetyteknologia Polttokennon termodynamiikkaa 1 DEE Risto Mikkonen

Ionisidos ja ionihila:

Varatun hiukkasen liike

Hapettuminen ja pelkistyminen: RedOx -reaktiot. CHEM-A1250 Luento

(Huom! Oikeita vastauksia voi olla useita ja oikeasta vastauksesta saa yhden pisteen)

PIENTAAJUISET SÄHKÖ- JA MAGNEETTIKENTÄT HARJOITUSTEHTÄVÄ 1. Pallomaisen solun relaksaatiotaajuus 1 + 1

Kvanttimekaaninen atomimalli. "Voi hyvin sanoa, että kukaan ei ymmärrä kvanttimekaniikkaa. -Richard Feynman

Kiinteiden materiaalien rakenne

PHYS-C0220 TERMODYNAMIIKKA JA STATISTINEN FYSIIKKA

Transkriptio:

Kiinteiden materiaalien magneettiset ominaisuudet Peruskäsite: Yhdisteessä elektronien orbtaaliliike ja spin vaikuttavat magneettisiin ominaisuuksiin (spinin vaikutus on merkittävämpi) Diamagnetismi Kaikki orbitaalit täysin miehitettyjä tai täysin tyhjiä. Ulkoisen kentän suljetuissa kuorissa indusoima magneettinen momentti suuntautuu ulkoista kenttää vastustavasti. Diamagnetismi ei riipulämpötilasta Paramagnetismi materiaalissa parittomia elektroneja ulkoisen kentän indusoima magneettinen momentti on kentän suuntainen lämpöliike häiritsee magneettisten momenttien suuntautumista => paramagneettisuus on lämpötilasta riippuvainen μ < 1 μ > 1 Paramagneettisuus Ferromagneettisuus Antiferromagneettisuus Ferrimagneettisuus

Magneettinen sukeptibiliteetti ulkoisessa magneettikentässä (H) yhdisteessä oleva magneettivuon (B) tiheys voidaan ilmaista seuraavasti: tyhjiön permeabiliteetti B = µ 0 ( H + M ) yhdisteen magnetisaatio B µ 0 H = 1+ M H = 1+ Χ Χ = M H magneettinen suskeptibiliteetti Χ voidaan mitata => Χv ja ΧV m voidaan laskea (v = ominaistilavuus, V m = moolitilavuus) paramagneettiselle yhdisteelle magneettinen momentti Χ = µ 0 m 2 N A 2 3RTvM kaasuvakio lämpötila Avogadron vakio suhteellinen moolimassa Χ m Χ 1 T magneettiset momentit suuntautuvat ulkoisen kentän suuntaisiksi lämpöliike hajottaa orientaatiota Diamagnetismi c -8 x 10-6 (Cu) -1 (suprajohteet) Pauli paramagnetismi Riippuvuus lämpätilasta ei laskeva Riippuvuus ulkoisesta kentästä 8,3 x 10-3 (Mn) ei kyllä Ferromagnetismi 5 x 10 3 (Fe) laskeva kyllä Paramagnetismi 0,001-0,1 (siirtymämetalliyhdisteet) Antiferromagnetismi 0-0,01 nouseva kyllä ei ei

Curien ja Curie-Weissin laki C Χ = T +T N Χ = C T Χ = C T T C Esimerkki Para-, ferro- ja antiferromagnetismi Voimakas suuntautuminen elektronien spinien vuorovaikutusten johdosta - Χ:n nopea pieneneminen T:n funktiona 1 T Spinien antiparalleelinen suuntautuminen - Χ kasvaa T:n funktiona Lämpöliike pienentää magneettisten momenttien suuntautumista ulkoisen kentän suuntaan

Magneettinen momentti elektronin magneettiseen momenttiin vaikuttaa sekä ratakulmamomentti L että spinkulmamomentti S. 1 BM (Bohrin magnetoni) = => magneettinen momentti m: m = m B 4S ( S +1) + L( L +1) Spinkulmamomentin vaikutus suurempi kuin ratakulmamomentin m = gm B S ( S +1) elektronin varaus Planckin vakio eh 4πmc = m B valon nopeus elektronin massa Esimerkki 1. vaakajakson siirtymämetalleja Ioni d n m S (lask) m S+L (lask) m(hav) V 4+ 1 1,73 3,00 1,8 V 3+ 2 2,83 4,47 2,8 Cr 3+ 3 3,87 5,20 3,8 Mn 2+ 5 (HS) 5,92 5,92 5,9 Fe 3+ 5 (HS) 5,92 5,92 5,9 Fe 2+ 4 (HS) 4,90 5,48 5,1-5,5 Co 3+ 4 (HS) 4,90 5,48 5,4 Co 2+ 3 (HS) 3,87 5,20 4,1-5,2 Ni 2+ 2 2,83 4,47 2,8-4,0 Cu 2+ 1 1,73 3,00 1,7-2,2 gyromagneettinen tekijä = 2,0023 Jos g 2, orbitaaliliikkeellä on merkitystä => m S (lask) on useissa tapauksissa hyvä arvio Kiinteässä olomuodossa sähkökenttä rajoittaa orbitaaliliikettä Ferromagneettiset alueet Ferromagneettisilla materiaaleilla alueita, joissa elektronien spinit samansuuntaisia Eri alueilla eri orientaatioita (analogia ferroelektrisiteetti) M M r Kaikkien alueiden spinit ovat samansuuntaisia = saturaatio H C A H Yhden hystereesisyklin aikana tapahtunut energiahäviö A Pehmeät magneetit: pieni H c Kovat magneetit: suuri H c

Eräitä magneettisia metalleja Cr, Mn, Fe, Co, Ni, lantanoidit Esimerkki Fe, Co, Ni α-fe: T c = 1043 K Ni: T c = 631 K Co: T c = 1404 K a a c bcc [100] fcc [111] hcp [001] Magneettinen anisotropia Energia, joka tarvitaan kääntämään magneettinen momentti pois luonnollisesta suunnasta Toisen kertaluvun faasimuutos ferromagnetismi è paramagnetismi (T c ) M s C p Χ -1 T c T c T T c = 1043 K T T

Ferromagnetismi ja metallin elektronikonfiguraatio Tarkastellaan esimerkkinä rautaa: 1. Elektronikonfiguraatio [1s 2 2s 2 2p 6 3s 2 3p 6 ]4s 2 3d 2 HS: 4 paritonta elektronia 2. Energiavyölaskut 4s- ja 3d-vyöt menevät päällekkäin Þ 7,4 d-elektronia (4,8 e - spin +; 2,6 e - spin -) metalli elektronikonfiguraatio parittomien elektronien lkm Fe d 6 s 2 2,2 d 7,4 s 0,6 Co d 7 s 2 1,7 Ni d 8 s 2 0,6 konfiguraatio Perusongelma: 2,4 paritonta elektronia antaa maksimikontribuution ferromagnetismiin Esimerkki Havainnot Fe Fe 0,8 Co 0,2 Ni 0,4 Cu 0,6 2,2 e - 2,4 e - 0 e - E 4s, 4p spin E spin 3d E F E F parittomat spinit N(E) N(E)

Metallioksidit TiO, VO, CrO (d-elektronit delokalisoituja) diamagneettisia sähkönjohtajia MnO, FeO, CoO, NiO (d-elektronit lokalisoituja) antiferromagneettisia (T matala) paramagneettisia (T korkea) T N : -153 o C MnO -75 o C FeO -2 o C CoO +250 o C NiO Perusongelma: 2,4 paritonta elektronia antaa maksimikontribuution Ferro- ja antiferromagnetismin mekanismi Paramagnetismi: magneettisten momenttien suuntautuminen vain ulkoisessa magneettikentässä Ferro- ja antiferromagnetismi: magneettisten momenttien suuntautuminen spontaania Esimerkki NiO: elektroninen magneettinen kytkentä - Ni 2+ d 8 è oktaedrinen kenttä e g ( d 1 1 ) - O 2-2p 6 z 2d x 2 y 2 d z 2 p z d z 2 Ni 2+ O 2- Ni 2+ z

T > 250 o C, NaCl-rakenne [100], [101], [001]: Ni 2+ -O 2 Ni 2+ [111]: Ni 2+ -Ni 2+ Ni 2+ romboedrinen vääristymä [111] Ni 2+ -ionien antiferromagneettinen orientoituminen C 3 Esimerkki MnO:n neutronidiffraktiodiagrammi Ylirakenteesta johtuen todellinen symmetria on romboedrinen, mutta voidaan approksimoida kuutiollisena a = 2a.

Spinellit Perusspinelli: MgAl 2 O 4 Muita spinellejä: Mg 2 TiO 4 LiAlTiO 4 Li 0,5 Al 2,5 O 4 LiNiVO 4 Na 2 WO 4 Normaali spinelli: AB 2 O 4 [A] TET [B] OKT O 4 Käänteisspinelli: [B] TET [A] OKT O 4 50 % B tetraedrisessä paikassa A + 50 % B oktaedrisessä paikassa epäjärjestynyt rakenne MgFe 2 O 4 Mg 2 TiO 4 Esimerkki Ferriitit MFe 2 O 4 (M = Fe 2+. Ni 2+, Cu 2+, Zn 2+, jne. Kaikki ferriitit ovat joko osittain tai kokonaan käänteisspinellejä Spin oktaedrisessä asemassa eri suuntaan kuin tetraedrisessä asemassa Tetraedrinen paikka: 8a Oktaedrinen paikka: 16d [Fe 3+ ] TET [Zn 2+,Fe 3+ ] OKT O 4 [Fe 3+ ] TET, [Fe 3+ ] OKT [Zn 2+ ] OKT m = 0 => m = 0

Esimerkki M 1-x Zn x Fe 2 O 4 Antiferromagneettinen kytkentä tuhoutuu Arvio käänteisspinelleille m = 5 m = 4 m = 3 m = 2 m = 0 BM 8 Mn 6 Co Fe 4 Ni 2 Mg 0 0 0,5 1 ZnFe 2 O 4 normaali spinelli paramagneettinen => Rakenteen muutos normaaliksi spinelliksi Sovellutuksia 1. Muuntajat magneettisesti pehmeitä pienet hystereesihäviöt suuri tehokapasiteetti 1. Informaation varastointi magneettisesti pehmeitä suorakulmainen hystereesikuvaaja 2. Muistikupla Granaattiohutkalvo, joka on päällystetty ei-magneettisella materiaalille (korkea T) 3. Pysyvät magneetit Co-, Ni-pohjaiset materiaalit

Lantanoidien magneettiset omnaisuudet - La 3+, Lu 3+, Sc 3+, Y 3+ ovat diamagneettisia (f 0, f 14 ) - Muilla Ln 3+ -ioneilla on parittomia f-elektroneja - paramagneettisuus - Lantanoidien käyttäytyminen poikkeaa d-siirtymämetalleista: - d 5 -konfiguraatiolla on maksimi pysyvässä magneettisessa momentissa (μ) tai magneettisessa suskeptibiliteetissä Χ M - Gd 3+ ei ole paramagneettisin lantanoidi Perustelu: - d-siirtymäalkuaineissa parittomat elektronit ovat valenssikuorella => kidekenttävaikutusten seurauksena magneettinen momenttiriippuu vain ionin spin-tilasta: µ = 2 [ S( S + 1)] - f-elektronit suojattuja Þ L vaikuttaa magneettiseen momenttiin Þ μ ~ J C C M = T

- Magneettinen momentti riippumaton kemiallisesta ympäristöstä => f-orbitaalien osuus sidoksissa lähes olematon - Fosforesenssi - Magneettisen momentin lämpötilariippuvuus (1,3-20 K): - Yhdisteet [Ln(CH 3 COCH=COCH 3 ) 3. H 2 O - Na[Ln(EDTA)]. 8H 2 O => Tila on sekoitus useasta J-tilasta - Ln 2+ -ionien magneettiset momentit ovat lähes identtisiä isoelektronisten Ln 3+ -ionien momenttien kanssa - Esim. Eu 2+ Gd 3+ Pr 4+ Ce 3+ Ce 4+ ja Yb 2+ ovat lähes diamagneettisia