Erinevus lehekülje "Ferromagnetism" redaktsioonide vahel

P
resümee puudub
P
P
 
===Magnetismi päritolu===
[[Elektron]]i üks fundamentaalomadustest (peale laengu) on dipoolmomendi omamine, ta käitub kui väike magnet. Dipoolmoment tuleneb kvantmehaanilise spinni omamisest. Spinni kvantmehaaniline iseloom laseb elektronil olla kahes olekus, kus magnetväli saab olla kas "üles" või "alla". Aatomis olevate elektronide spinn on peamine põhjus ferromagnetismiks, lisaks omab mõju [[aatomituum|tuuma]] ümber tiirlevate elektronide [[orbiit|orbitaalide]] [[impulsimoment|impulsimomendid]]. Kui elektronide magnetdipoolid joonduvad samas suunas, siis nende magnetväljad annavad kokku mõõdetava makroskoopilise välja.
Täidetud [[elektronkiht|elektronkihiga]] materjalis elektronide summaarne dipoolmoment on null, sest spinnid on üles/alla paarides. Ainult osaliselt täidetud elektronkihtidega aatomid saavad omada summaarset magnetmomenti, seega ferromagnetism esineb ainult materjalides, millel on osaliselt täiedetud elektronkihid. [[Hundi reegel|Hundi reeglist]] lähtuvalt esimesed elektronid elektronkihis omavad samasuunalist spinni suurendades summaarset dipoolmomenti.
Paaritud dipoolid (mida tihti kutsutakse "spinnideks", kuigi neil on tavaliselt impulsimoment olemas) joonduvad tavaliselt paraleelselt välise magnetväljaga, seda nähtust kutsutakse paramagnetismiks. Ferromagnetismi puhul on üks nähtus lisaks: dipoolid joonduvad iseeneslikult isegi välise välja puudumisel põhjustades iseeneslikku magneetumist.
 
===Elektronide vahetuse vastasmõju===
 
Klassikalise [[elektromagnetism]]i järgi kaks lähestikust dipooli joonduvad vastupidistes suundades, selle tõttu magnetväljad on teineteise suhtes vastupidised ja tühistavad teineteist. See efekt on üksikute spinnide puhul väga nõrk, kuna üksikute spinnide tekitatud magnetväljad on nõrgad ja nendest põhjustatud liikumised on kergesti hävitatavad soojusliikumise poolt. Mõnedes materjalides on spinnide vahel olemas palju tugevam jõud, mis tuleneb spinni suuna muutumisel naaberelektronide vahelise [[Elektrostaatika|elektrostaatilise]] tõukumise muutusest, mida põhjustab [[Kvantmehaanika|kvantmehaaniline]] efekt nimega elektronide vahetuse vastasmõju. Vahetuse vastasmõju on palju tugevam kui dipool-dipool magnetiline vastasmõju väikestel vahemaadel. Selle tõttu ferromagneetikutes lähedased spinnid kipuvad joonduma samas suunas.
Vahetuse vastasmõju on seotud [[Pauli printsiip|Pauli printsiibiga]], mis ütleb, et kaks sama spinniga elektroni ei saa omada sama asukohta. Seetõttu teatud tingimustes, kui mittepaardunud [[valentselektron]]ide [[Aatomorbitaal|orbitaalid]] naaberaatomitel kattuvad, on paraleelsete spinnidega elektronide puhul elektriline laeng rohkem laiali jaotatud, kui vastasuunaliste spinnidega elektronide puhul. See vähendab paraleelsete spinnidega elektronide elektrostaatilist energiat võrreldes mitte-paraleelsete spinnidega elektronidega, tänu sellele paraleelsete spinnidega elektronid on stabiilsemad. Teisisõnu tõukuvad elektronid saavad liikuda teinetesisest "kaugemale" kui nad joondavad spinnid samas suunas, seetõttu nende elektronide spinnid joonduvad ühes suunas. Erinevust energias nimetatakse vahetusenergiaks.
 
Materjale kus vahetuse vastasmõju on palju tugevam, kui võistlev dipool-dipool vastasmõju kutsutakse tihti "magnetmaterjalideks". Näiteks rauas (Fe) vahetuse vastasmõju on umbes 1000 korda tugevam kui dipool-dipool vastasmõju. Seega peaaegu kõik dipoolid ferromagneetikus on joondunud alla Curie temperatuuri.
Materjale, kus vahetuse vastasmõju on palju tugevam, kui võistlev dipool-dipool vastasmõju, kutsutakse tihti "magnetmaterjalideks". Näiteks rauas (Fe) on vahetuse vastasmõju umbes 1000 korda tugevam kui dipool-dipool vastasmõju. Seega peaaegu kõik dipoolid ferromagneetikus on joondunud alla Curie temperatuuri. Vahetuse vastasmõju põhjustab iseeneslikke aatomite magnetmomentide korrastumisi ka magneetilistes tahkistes, [[antiferromagnetism]]is ja ferrimagnetismis.
 
On erinevad vahetuse vastasmõju mehhanismid, mis tekitavad magnetismi erinevates ferromagneetilistes, ferrimagneetilistes ja antiferromagneetilistes ainetes. Nende mehhanismide hulka kuuluvad otsene vahetus, RKKY vahetus, topelt vahetus ja supervahetus.
 
===Magneetiline anisotroopsus===
 
Kuigi vahetuse vastasmõju joondab spinnid, siis ta ei joonda neid kindlas suunas. Ilma magneetilise [[Anisotroopia|anisotroopsuseta]] spinnid magnetis muudavad soojusliikumise tõttu suvaliselt suunda ja magnet on superparamagneetiline. On mitut tüüpi magneetilist anisotroopsust, kõige tavalisem on magneetokristalliline anisotroopsus. See on energia sõltuvus magnetisatsiooni suunast [[Kristallstruktuur|kristallvõre suhtes]]. Teine tavaline anisotroopia põhjus on piesomagnetism, mida põhjustab sisemine [[Deformatsioon|pinge]]. Ühe-domeensetel magnetitel võib kah olla ''kuju anisotroopia'' mida põhjustavad osakese kuju magnetostaatilised efektid. Temperatuuri tõustes magneti anisotroopia väheneb ja tihti esineb üleminekutemperatuur, kus magnet superparamagneetikuks muutub.<ref name=Aharoni>{{cite book|last = Aharoni|first = Amikam|author-link=Amikam Aharoni|title=Introduction to the Theory of Ferromagnetism|publisher=[[Clarendon Press]]|year = 1996|isbn=0-19-851791-2|url=http://www.oup.com/us/catalog/general/subject/Physics/ElectricityMagnetism/?view=usa&ci=9780198508090}}</ref>
 
On mitut tüüpi magneetilist anisotroopsust, kõige tavalisem on magneetokristalliline anisotroopsus. See on energia sõltuvus magnetisatsiooni suunast [[Kristallstruktuur|kristallvõre suhtes]]. Teine tavaline anisotroopia põhjus on piesomagnetism, mida põhjustab sisemine [[Deformatsioon|pinge]]. Ühe-domeensetel magnetitel võib kah olla ''kuju anisotroopia'', mida põhjustavad osakese kuju magnetostaatilised efektid. Temperatuuri tõustes magneti anisotroopia väheneb ja tihti esineb üleminekutemperatuur, kus magnet superparamagneetikuks muutub.<ref name=Aharoni>{{cite book|last = Aharoni|first = Amikam|author-link=Amikam Aharoni|title=Introduction to the Theory of Ferromagnetism|publisher=[[Clarendon Press]]|year = 1996|isbn=0-19-851791-2|url=http://www.oup.com/us/catalog/general/subject/Physics/ElectricityMagnetism/?view=usa&ci=9780198508090}}</ref>
 
===Magnetilised domeenid===
[[FilePilt:Electromagnetic dynamic magnetic domain motion of grain oriented electrical silicon steel.gif|thumb|Tera orienteeritud elektrilise terase dünaamiline magnetiliste domeenide elektromagneetiline liikumine.]]
[[FilePilt:Non Oriented Electrical Silicon Steel.png|thumb|Ilma orientatsioonita teralise terase domeenide orientatsioonid pildistatud magnetilis-optilise sensoriga ja polariseeriva mikroskoobiga.]]
[[FilePilt:Magnetic domains of non oriented silicon or electrical steel.png|thumb|Mitte-orienteeritud elektrilise terase magnetilised domeenid (salvestatud CMOS-MagView-ga).]]
[[ImagePilt:Weiss-Bezirke1.png|thumb|Metalli pinna [[Kerr mikrograaf]], mis näitab magnetilisi domeene. Rohelised ja punased triibud mikrokristallide terade sees on domeenid. Punaste domeenide magnetväli on vastupidine roheliste domeenide magnetväljast.]]
Eelneva põhjal võiks öelda, et kõik ferromagneetikud peaksid omama tugevadtugevat magnetvälja, kuna kõik spinnid on joondunud, kuid raud ja teised ferromagneetikud on tihti "mittemagneetunud" olekus. Selle põhjuseks on ferromagneetikust materjali jagunemine väikesteks "magnetilisteks domeenideks".<ref name="Feynman">{{cite book
| last = Feynman
| first = Richard P.
| doi =
| id =
| isbn = 0-201-02117-XP}}</ref>
| isbn = 0-201-02117-XP}}</ref> Igas domeenis spinnid on joondunud, kuid kui ainehulk on madalamais energia olekus ehk ''mittemagneetunud'', siis eraldi domeenide spinnid on joondunud eri suundades ja nende magnetilised välja tühistavad teineteist ning esemel ei ole summaarset tugevat magnetvälja.
 
Ferromagneetikutest materjalid iseeneslikult jagunevad domeenideks kuna ''vahetuse vastasmõju'' on väikse mõjualaga jõud, seega üle pikemate, mitme aatomiliste, vahemaade hakkab mõjuma dipool-dipool vastasmõju mis vähendab energiat joondudes vastupidises suunas. Ferromagneetilise materjali ühes osas paraleelselt joondunud dipoolid tekitavad tugeva magnetvälja, mis ulatub ruumi nende ümber. See väli omab suurt magnetostaatilist energiat. Materjal saab vähendada seda energiat jaotudes paljudeks eri suundadesse joondunud domeenidesse. Tänu sellele tekivad lokaalsed magnetväljad materjalis, mis vähendavad summarset magnetvälja. Domeene eraldavad peenikesed domeeniseinad, mis on mõned molekulid paksud ja kus dipoolide magneetumus pöördub sujuvalt ühe domeeni suunast teisse.
| isbn = 0-201-02117-XP}}</ref> Igas domeenis on spinnid on joondunud, kuid kui ainehulk on madalamais energia olekus ehk ''mittemagneetunud'', siis eraldi domeenide spinnid on joondunud eri suundades ja nende magnetilised välja tühistavad teineteist ning esemel ei ole summaarset tugevat magnetvälja.
Sellepärast madalaimas energeetilises olekus rauatükk ("mitte-magneetunud") omab väikest või üldse ei oma magnetvälja. Küllalt tugevas välises magnetväljas domeenide seinad hakkavad liikuma nii et järjest rohkem dipoole oleks joondatud välise väljaga. Välise välja eemaldamisel domeenid jäävad joondunuks tekitades oma magnetvälja materjali ümbrusesse, materjal muutus püsimagnetiks. Domeenid ei lähe algolekusse tagasi välise välja eemaldamisel kuna domeenide seinad kinnistuvad kristallvõre defektidesse säilitades paraleelse orientatsiooni. Seda näitab Barkhauseni efekt: magnetiseerivat välja muutes magneetumus muutub paljude väikeste hüpetena, domeeni seinad mööduvad järsult defektidest.
 
Ferromagneetikutest materjalid iseeneslikult jagunevad domeenideks kuna ''vahetuse vastasmõju'' on väikse mõjualaga jõud, seega üle pikemate, mitme aatomiliste, vahemaade, hakkab mõjuma dipool-dipool vastasmõju, mis vähendab energiat joondudes vastupidises suunas. Ferromagneetilise materjali ühes osas paraleelselt joondunud dipoolid tekitavad tugeva magnetvälja, mis ulatub ruumi nende ümber. See väli omab suurt magnetostaatilist energiat. Materjal saab vähendada seda energiat jaotudes paljudeks eri suundadesse joondunud domeenidesse. Tänu sellele tekivad lokaalsed magnetväljad materjalis, mis vähendavad summarset magnetvälja. Domeene eraldavad peenikesed domeeniseinad, mis on mõned molekulid paksud ja kus dipoolide magneetumus pöördub sujuvalt ühe domeeni suunast teisse.
 
Sellepärast madalaimas energeetilises olekus rauatükkomab ("mitte-magneetunud") omabrauatükk väikest magnetvälja või üldse ei oma magnetväljaseda üldse. Küllalt tugevas välises magnetväljas hakkavad domeenide seinad hakkavad liikuma nii, et järjest rohkem dipoole oleks joondatud välise väljaga. Välise välja eemaldamisel domeenid jäävad domeenid joondunuks, tekitades oma magnetvälja materjali ümbrusesse, materjal muutus püsimagnetiks. Domeenid ei lähe algolekusse tagasi välise välja eemaldamisel, kuna domeenide seinad kinnistuvad kristallvõre defektidesse säilitades paraleelse orientatsiooni. Seda näitab [[Barkhauseni efekt]]: magnetiseerivat välja muutes magneetumus muutub paljude väikeste hüpetena, domeeni seinad mööduvad järsult defektidest.
 
Magneetumust funktsioonina välisest väljast kirjeldab [[Hüsterees|hüstereesisilmus]]. Kuigi üheselt joondunud domeenid ferromagneetikus ei ole minimaalse energiaga olek, on see metastabiilne ja saab püsida pikka aega. Näiteks [[magnetiit]] mere põhjas, mis on säilitanud magneetumuse miljoneid aastaid.
 
Tugevamaite püsimagnetite jaoks kasutatakse sulameid, kus on palju defekte kristallstruktuuris, kuhu domeenide seinad kinnistuvad. Magneetumust saab hävitada kuumutamise ja seejärel jahutamisega ([[lõõmutamine]]) ilma välise väljata. Soojusliikumine laseb domeeni seintel liikuda, vabastades nad defektidest ning naasta madala energiaga olekusse.
 
===Curie punkt===
{{MainVaata|Curie punkt}}
Temperatuuri tõustes hakkab soojusliikumine või [[entroopia]] võistlema dipoolide joondumisega ferromagneetikus. Kui temperatuur tõuseb üle Curie punkti, toimub teisejärguline [[faasisiire]], peale mida süsteem ei suuda hoida iseeneslikku magneetumust, kuid reageerib paramagneetiliselt välisele väljale. Allapoole Curie punkti toimub iseeneslik sümmeetria lagunemine ja magnetmomendid joonduvad naabrite omadega. Curie punkt on [[kriitiline punkt]], kus magnetiline vastuvõtlikkus on teoreetiliselt lõpmatu ja kuigi pole summaarset magneetumust, siis domeeni-sarnased spinnide korrelatsioonid esinevad kõigis suurusjärkudes.