FERROMAGNETYKI PARAMAGNETYKI DIAMAGNETYKI Opracowała dla klas II: mgr inż. Gabriela Chruścińska

FERROMAGNETYKI

Ferromagnetyk to substancja o bardzo silnych własnościach magnetycznych. Własności te biorą się stąd, że każdy atom ferromagnetyka wytwarza własne pole magnetyczne. Co więcej atomy te mają tendencję do ustawiania się w ten sposób, aby ich pole magnetyczne miało ten sam kierunek, co pole magnetyczne atomów sąsiednich. W rezultacie tworzą się duże obszary (w porównaniu z rozmiarami pojedynczego atomu), w których pole magnetyczne ma stały kierunek. Te obszary nazywamy domenami magnetycznymi. Ale pole magnetyczne każdej z domen może być ustawione w zupełnie dowolnym kierunku. Dlatego ferromagnetyk może nie wytwarzać zewnętrznego pola magnetycznego, czyli może nie być magnesem. Gdy jednak umieścimy ferromagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym (np. pochodzącym od magnesu), wówczas domeny zaczynają ustawiać się zgodnie z tym zewnętrznym polem magnetycznym i ferromagnetyk sam staje się magnesem.       Co więcej, pole magnetyczne ferromagnetyka może być dużo większe od zewnętrznego pola magnetycznego, które uporządkowało domeny w naszym ferromagnetyku.

Ferromagnetyzm jest zjawiskiem, w którym materia przy niezbyt wysokich temperaturach wykazuje własne, spontaniczne namagnesowanie. Jest jedną z najsilniejszych postaci magnetyzmu i jest odpowiedzialny za większość magnetycznych zachowań spotykanych w życiu codziennym. Jest podstawą istnienia wszystkich magnesów trwałych (jak i zauważalnego przyciągania innych metali przez nie).

Przykłady materiałów ferromagnetycznych Ferromagnetyzm nie jest powszechną własnością materiałów w przyrodzie. Ferromagnetykami są: żelazo, kobalt, nikiel, gadolin, ale tylko w postaci ciała stałego. W stanie ciekłym metale te nie wykazują właściwości porządkowania domen. Najczęściej mamy do czynienia z ferromagnetykami w postaci stali (duża zawartość żelaza). Własności ferromagnetyczne stali zależą od składu chemicznego stali i sposobu jej obróbki.

Proces magnesowania możemy podzielić na trzy fazy: brak zewnętrznego pola magnetycznego - domeny ustawione są chaotycznie FAZA A pojawia się zewnętrzne pole magnetyczne, które w miarę zwiększania się jego natężenia powoduje ustawianie pól magnetycznych domen w jednym kierunku FAZA B pola magnetyczne wszystkich domen ustawione są w jednym kierunku, zgodnym z zewnętrznym polem magnetycznym. Zewnętrzne pole rośnie nadal a pole magnetyczne ferromagnetyka pozostaje stałe FAZA C

Wnętrze ferromagnetyka FAZA A

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka S N FAZA B

Wnętrze ferromagnetyka FAZA C

Na wykresie widzimy krzywą namagnesowania. Zewnętrzne pole magnet. pole magnet. – ferromagnetyka Zależność między polem zewnętrznym a polem wypadkowym ferromagnetyka ilustruje wykres umieszczony z prawej strony. Na wykresie widzimy krzywą namagnesowania.

Czy namagnesowanie ferromagnetyka również zniknie? Pętla histerezy      Powstaje teraz pytanie, co się stanie, gdy zewnętrzne pole zacznie zanikać, może faza D? Czy namagnesowanie ferromagnetyka również zniknie? Otóż nie do końca. Domeny raz uporządkowane niechętnie wracają do pierwotnego chaosu. Skutek jest taki, że nawet, gdy zewnętrzne pole magnetyczne zmniejszy się do zera, część domen nadal jest uporządkowana, zatem ferromagnetyk nadal wytwarza pole magnetyczne. Stał się więc magnesem.

Namagnesowanie ferromagnetyka po usunięciu zewnętrznego pola magnetycznego nazywamy namagnesowaniem trwałym lub pozostałością magnetyczną.      Jeżeli teraz pojawi się zewnętrzne pole magnetyczne, ale skierowane przeciwnie do pola magnetycznego ferromagnetyka, wówczas będziemy obserwować stopniowe rozmagnesowanie naszej próbki (Faza E). Dla pewnej wartości zewnętrznego pola magnetycznego namagnesowanie próbki znika całkowicie. Tę wartość zewnętrznego pola magnetycznego nazywamy polem rozmagnesowującym lub koercją.      Jeżeli zewnętrzne pole magnetyczne rośnie dalej w tym kierunku próbka ferromagnetyka znów się magnesuje (Faza F). Po osiągnięciu nasycenia cały proces powtarza się.

Pozostałość magnetyczna

Koercja – pole rozmagnesowujące

W efekcie otrzymaliśmy wykres nazywany pętlą histerezy. W przypadku różnych materiałów pętla histerezy może wyglądać różnie. Na wykresach widzimy dwa przykłady histerezy dla różnych materiałów. Wykres 1 reprezentuje substancję, która łatwo się namagnesowuje (wystarczy małe zewnętrzne pole magnetyczne, aby osiągnąć nasycenie), ale równie łatwo się rozmagnesowuje (mała koercja). Taki ferromagnetyk jest nazywany miękkim.

Drugi ferrromagnetyk, jest tzw. twardym ferromagnetykiem. Pętla histerezy dla tego ferromagnetyka jest wyraźnie szersza, co oznacza że pole rozmagnesowujące w tym przypadku jest stosunkowo duże.

Temperatura Curie Namagnesowany ferromagnetyk wytwarza własne pole magnetyczne. Jego namagnesowanie nazywamy namagnesowaniem trwałym. Jednak trwałość tego namagnesowania nie jest absolutna. Wiemy już, że można rozmagnesować ferromagnetyk umieszczając go w zewnętrznym polu magnetycznym skierowanym przeciwnie do kierunku pola naszego ferromagnetyka o odpowiedniej wartości (koercja). Jest jeszcze inny, bardziej drastyczny sposób zniszczenia namagnesowania ferromagnetyka. Tym sposobem jest zwiększanie temperatury.

Nasza substancja przestała W miarę wzrostu temperatury atomy ferromagnetyka zaczynają coraz silniej drgać. Gdy temperatura osiąga pewną wartość zwaną punktem lub temperaturą Curie, wówczas siły utrzymujące uporządkowanie atomów w domenach są zbyt małe, aby domeny mogły dalej istnieć. Następuje całkowity rozpad domen magnetycznych a pola magnetyczne poszczególnych atomów są skierowane teraz chaotycznie w różnych kierunkach. Jak więc widać, nie dość że zniknęło namagnesowanie, to jeszcze zniszczona została struktura domenowa. Nasza substancja przestała być ferromagnetykiem.

PARAMAGNETYKI

Substancję, w której poszczególne atomy wytwarzają pole magnetyczne, ale pola te ukierunkowane są chaotycznie nazywamy paramagnetykiem.

Paramagnetyzm zjawisko polegające na porządkowaniu się większości spinów elektronów ciała zgodnie z liniami zewnętrznego pola magnetycznego. Właściwości paramagnetyczne posiadają substancje o niesparowanych elektronach. Substancja taka, tzw. paramagnetyk jest przyciągany przez magnes, jednak znacznie słabiej niż ferromagnetyk. Paramagnetyki mają przenikalność magnetyczną μ niewiele większą od jedności. Dla ferromagnetyków μ jest wielokrotnie większe od 1. Przykłady paramagnetyków: powietrze aluminium platyna

DIAMAGNETYKI

Diamagnetyzm zjawisko polegające na indukowaniu się w ciele, znajdującym się w zewnętrznym polu magnetycznym - pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Diamagnetyzm występuje przeważnie w związkach chemicznych posiadających wiązania wielokrotne lub układ aromatyczny. Zewnętrzne pole indukuje w takim układzie prąd elektryczny, który powoduje powstanie pola magnetycznego, skierowanego przeciwnie do pola zewnętrznego. Diamagnetyk jest odpychany przez magnes. Umieszczenie diamagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje powstanie w tym materiale pola magnetycznego skierowanego przeciwnie. Dla tych ciał względna przenikalność magnetyczna ośrodka jest nieco mniejsza od jedności. Do diamagnetyków zaliczamy: gazy szlachetne; pierwiastki: Si, P, Zn, Mg, Au.