Erinevus lehekülje "Ferromagnetism" redaktsioonide vahel

Eemaldatud 43 baiti ,  5 aasta eest
P
magneetiline > magnetiline
P (magneetiline > magnetiline)
:''Mitte segamini ajada [[Ferrimagnetism]]iga; ülevaateks vaata [[Magnetism]].''
{{keeletoimeta}}
[[Pilt:MagnetEZ.jpg|pisi|[[Alnico]] raudsulamist tehtud magnet. Ferromagnetism on füüsikaline teooria, mis seletab, kuidas materjalid muutuvad magnetiteks.]]
'''Ferromagnetism''' on baasmehanism, millega teatud [[materjal]]id (näiteks [[raud]]) moodustavad [[püsimagnet]]eid või tõmbuvad [[magnet]]itega. [[Füüsika]]s eristatakse mitut erinevat tüüpi [[magnetism]]i. Ferromagnetism (koos [[ferrimagnetism]]iga) <ref>{{harvnb|Chikazumi|2009|p=118}}</ref> on kõige tugevamat tüüpi ja see on ainuke tüüp, mis tekitab küllalt tugevaid jõudusid, et neid tunda. Muud ained reageerivad nõrgalt [[paramagnetism]]i ja [[diamagnetism]]i poolt tekitatud magnetilistele väljadele. Nende väljade jõud on nii nõrgad, et neid saab kindlaks teha ainult tundliku aparatuuriga laboratooriumis.
 
Igapäevane näide ferromagnetismist on külmkapimagnet, mida kasutatakse märkmete hoidmiseks külmkapi uksel. Magneti ja ferromagnetikuferromagneetiku vaheline tõmme on "magnetismi esimene ilmne omadus antiikmaailmale ja meile tänapäeval".<ref name="bozorth">Richard M. Bozorth, ''Ferromagnetism'', first published 1951, reprinted 1993 by [[IEEE]] Press, New York as a "Classic Reissue." ISBN 0-7803-1032-2.</ref>
 
Püsimagnetid (materjalid, mida saab magnetiseerida välise [[Magnetväli|magnetvälja]] poolt ja mis püsivad magnetiseerunud pärast välise välja eemaldamist), on kas ferromagneetikud või ferrimagneetikud, nagu ka materjalid, mis nähtavalt nende poole tõmbuvad. Üksikud ained on ferromagneetikud. Neist tuntumad on raud, [[nikkel]], [[koobalt]] ja suurem osa nende sulameid, mõned haruldaste [[muldmetallid|muldmetallide]] ühendid ja mõned looduslikult esinevad mineraalid nagu magnetiseerunud [[magnetiit]].
 
==Ajalugu ja eristus ferrimagnetismist==
Ajalooliselt terminnimetati ''ferromagnetferromagnetiks'' omastatiiga igale materjalilematerjali, mismillel omasoli iseeneslikkuomadus magnetiseerumistiseeneslikult magneetuda: summaarne magnetmoment välise magnetvälja puudumisel. See üldine definitsioon on siiamaani tavakasutuses. Viimasel ajal on kindlaks tehtud eri klassi iseeneslikku magnetiseerumist juhul, kui esineb rohkem kui üks magneetilinemagnetiline ioon elementaarraku kohta materjalis. Sellest tuleneb "ferromagnetismi" rangem definitsioon, mida kasutatakse ferrimagnetismist eristamiseks. Materjal on "ferromagneetik" täpsemas mõttes ainult, kui ''kõik'' magneetilisedmagnetilised ioonid annavad positiivse panuse summaarsesse magnetiseerumisse. Kui osad magneetilisedmagnetilised ioonid ''vähendavad'' summarset magnetiseerumist (kui nad on osaliselt ''vastupidiselt'' suunatud), siis on materjal ''ferrimagneetik''.<ref>{{cite journal|last=Herrera|first=J. M.|coauthors=Bachschmidt, A, Villain, F, Bleuzen, A, Marvaud, V, Wernsdorfer, W, Verdaguer, M|title=Mixed valency and magnetism in cyanometallates and Prussian blue analogues|journal=Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences|date=13. jaanuar 2008|volume=366|issue=1862|pages=127–138|doi=10.1098/rsta.2007.2145}}</ref> Kui joondunud ja vastupidiselt joondunud ioonide momendid on täielikus tasakaalus, nii et summaarne magnetiseerumus oleks null olenemata magneetilisestmagnetilisest korrastatusest, siis on aine [[antiferromagnetism|antiferromagneetik]]. Need joondumise efektid toimuvad ainult allpool teatud kriitilist [[temperatuur]]i, mida kutsutakse [[Curie punkt|Curie temperatuuriks]] (ferromagneetikute ja ferrimagneetikute puhul) või [[Neeli temperatuur]]iks (antiferromagneetikute puhul).
 
Ferromagnetismi uuringute aluseks on [[Aleksandr Stoletov]]i mõõtmised ferromagneetikute [[Magnetiline läbitavus|magnetilisest läbitavusest]], tuntud kui [[Stoletovi kõver]].
 
==FerromagneetilisedFerromagnetilised materjalid==
{| class="wikitable" style="float:right;margin:0 0 1em 1em;"
|+ style="font-size: 80%"|Mõnede kristalliliste ferromagneetikutest (*&nbsp;=&nbsp;ferrimagneetik) materjalide Curie temperatuurid <ref>{{cite book|last=Kittel|first=Charles|author-link=Charles Kittel|title=Introduction to Solid State Physics|edition=sixth|publisher=[[John Wiley and Sons]]|year=1986|isbn=0-471-87474-4}}</ref>
|-
|}
Paremal olevas tabelis on valik ferromagneetilisiferromagnetilisi ja ferrimagneetilisiferrimagnetilisi ühendeid koos nende temperatuuridega, millest kõrgemal nad ei magnetiseeru iseeneslikult (vaata [[Ferromagnetism#Curie temperatuur|Curie temperatuur]]).
 
FerromagneetilisedFerromagnetilised omadused ei sõltu ainult keemilisest koostisest, vaid ka kristallstruktuurist ja mikroskoopilisest korrastatusest. FerromagneetilisteFerromagnetiliste omadustega sulamid, mille koostises pole ferromagneetikuid, kutsutakse [[Fritz Heusler]]i järgi [[Heusleri sulam]]iteks. Vastupidiselt on olemas magnetiliste omadusteta sulameid, mis koosnevad ainult ferromagneetilistestferromagnetilistest metallidest, näiteks [[roostevaba teras]].
 
Amorfseid (mitte-kristallilisi) ferromagneetilisiferromagnetilisi metalli sulameid saab teha järsu [[karastamine|karastamisega]] (jahutamine) vedelast sulamist. Nende sulamite omadused on isotroopilised (ei ole määratud kristalli suunaga); tulemuseks on madal koertsitiivsus, madal [[hüsterees]]i kaotus, suur läbilaskvus ja kõrge elektriline takistus. Tüüpiliseks näiteks on ülemineku metall-poolmetall sulam, mis koosneb 80% ülemineku metallidest (tavaliselt Fe, Co või Ni) ja poolmetallist ([[Boor|B]], [[Süsinik|C]], [[Räni|Si]], [[Fosfor|P]] või [[Alumiinium|Al]]), mis alandab sulamistemperatuuri.
 
Suhteliselt uus klass tugevaid ferromagneetikutest materjale on [[haruldased muldmetallid]]. Nad sisaldavad [[lantanoidid|lantanoide]], mis on tuntud oma võime poolest omada suurt magnetilist momenti hästi lokaliseeritud f-orbitaalil.
Teatud [[aktinoidid]]e ühendid on toatemperatuuril ferromagneetikud või muutuvad ferromagneetikuteks allpool Curie temperatuuri (T<sub>C</sub>). [[Plutoonium|Pu]][[Fosfor|P]] on üks selliseid aktinoidi ühendeid, mis on toatemperatuuril paramagneetik ja omab [[Kuubiline süngoonia|kuubilist sümmeetriat]], kuid jahutamisel alla T<sub>c</sub> = 125&nbsp;K muutub kristallvõre [[tetragonaalne süngoonia|tetragonaalseks]]. PuP soositav telg on <100>,<ref name=Lander>{{cite journal |author=Lander GH, Lam DJ |title=Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state |journal=Phys Rev B. |year=1976 |volume=14 |issue=9 |pages=4064–7 |doi=10.1103/PhysRevB.14.4064|bibcode = 1976PhRvB..14.4064L }}</ref> seega
:<math>\frac{c}{a} - 1 = -(31 \pm 1) \times 10^{-4}</math>
5&nbsp;K juures.<ref name=Mueller>{{cite journal |author=Mueller MH, Lander GH, Hoff HA, Knott HW, Reddy JF |title=Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe<sub>2</sub>, and NpNi<sub>2</sub> |journal= J Phys Colloque C4, supplement |month=Apr |year=1979 |volume=40 |issue=4 |pages=C4–68–C4–69 |url=http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/21/88/17/PDF/ajp-jphyscol197940C421.pdf }}</ref> Kristallvõre muutus tuleneb nähtavasti magnetoelastilistest vastasmõjudest põhjustatud pingetest, kui [[magneetilineMagnetiline domeen|magneetilistesmagnetilistes domeenides]] [[MagneetilineMagnetiline moment|magneetilisedmagnetilised momendid]] joonduvad paralleelselt.
 
[[Neptuunium|Np]]Fe<sub>2</sub> soositav telg on <111>.<ref name=Aldred>{{cite journal |author=Aldred AT, Dunlap BD, Lam DJ, Lander GH, Mueller MH, Nowik I |title=Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn<sub>2</sub>, NpFe<sub>2</sub>, NpCo<sub>2</sub>, and NpNi<sub>2</sub> |journal=Phys Rev B. |year=1975 |volume=11 |issue=1 |pages=530–44 |doi=10.1103/PhysRevB.11.530|bibcode = 1975PhRvB..11..530A }}</ref> Kui T<sub>C</sub> on üle ~500 K on NpFe<sub>2</sub> paramagneetilineparamagnetiline ja kuubiline. Jahutades alla Curie temperatuuri omastab rombilise moonutuse, kus nurk muutub 60°-st (kuubilises faasis) 60,53°-ks. Moonutust saab alternatiivselt kirjeldada, kui arvestame kolmnurkse telje pikkust (pärast moonutuse algust) c ja c tasandiga risti olevat kaugust a. Kuubilises faasis taandub <math>\scriptstyle\frac{c}{a}</math> = 1.00. Curie temperatuurist allpool
:<math>\frac{c}{a} - 1 = -(120 \pm 5) \times 10^{-4}</math>
mis on suurim pinge aktinoidide ühendites.<ref name=Mueller/> NpNi<sub>2</sub> läbib samasugust kristallvõre muutust allpool T<sub>C</sub> = 32&nbsp;K, kus pinge on (43&nbsp;±&nbsp;5) × 10<sup>−4</sup>.<ref name=Mueller/> NpCo<sub>2</sub> on ferrimagneetik allpool 15&nbsp;K.
==Seletus==
 
[[Bohr-van Leeuweni teoreem]] näitab, et magnetism ei saa esineda puhtalt klassikalistes tahkistes. Ilma [[kvantmehaanika]]ta poleks diamagnetismi, paramagnetismi ega ferromagnetismi. Ferromagnetismi omadused tulenevad otseselt kahest kvantmehaanika efektist: [[spinn]]ist ja [[Pauli printsiip|Pauli printsiibist]].<ref>{{cite book
|last = Feynman
|first = Richard P.
[[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 paraleelseltparalleelselt 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 paraleelseteparalleelsete spinnidega elektronide puhul elektriline laeng rohkem laiali jaotatud, kui vastasuunaliste spinnidega elektronide puhul. See vähendab paraleelseteparalleelsete spinnidega elektronide elektrostaatilist energiat võrreldes mitte-paraleelsetemitteparalleelsete spinnidega elektronidega, tänu sellele paraleelseteparalleelsete 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) 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 magneetilistesmagnetilistes tahkistes, [[antiferromagnetism]]is ja ferrimagnetismis.
 
On erinevad vahetuse vastasmõju mehhanismid, mis tekitavad magnetismi erinevates ferromagneetilistesferromagnetilistes, ferrimagneetilistesferrimagnetilistes ja antiferromagneetilistesantiferromagnetilistes ainetes. Nende mehhanismide hulka kuuluvad otsene vahetus, RKKY vahetus, topelt vahetus ja supervahetus.
 
===MagneetilineMagnetiline anisotroopsus===
 
Kuigi vahetuse vastasmõju joondab spinnid, siis ta ei joonda neid kindlas suunas. Ilma magneetilisemagnetilise [[Anisotroopia|anisotroopsuseta]] spinnid magnetis muudavad soojusliikumise tõttu suvaliselt suunda ja magnet on superparamagneetilinesuperparamagnetiline.
 
On mitut tüüpi magneetilistmagnetilist 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 kahka olla ''kuju anisotroopia'', mida põhjustavad osakese kuju magnetostaatilised efektid. Temperatuuri tõustes magneti anisotroopia väheneb ja tihti esineb üleminekutemperatuur, kus magnet superparamagneetikuks muutub superparamagneetikuks.<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===
[[Pilt:Electromagnetic dynamic magnetic domain motion of grain oriented electrical silicon steel.gif|thumb|Tera orienteeritud elektrilise terase dünaamiline magnetiliste domeenide elektromagneetilineelektromagnetiline liikumine.]]
[[Pilt:Non Oriented Electrical Silicon Steel.png|thumb|Ilma orientatsioonita teralise terase domeenide orientatsioonid pildistatud magnetilis-optilise sensoriga ja polariseeriva mikroskoobiga.]]
[[Pilt:Magnetic domains of non oriented silicon or electrical steel.png|thumb|Mitte-orienteeritud elektrilise terase magnetilised domeenid (salvestatud CMOS-MagView-ga).]]
[[Pilt: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 tugevat 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
Igas domeenis on spinnid 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. FerromagneetiliseFerromagnetilise materjali ühes osas paraleelseltparalleelselt 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 mõnedmõne molekulidmolekuli paksudpaksused ja kus dipoolide magneetumus pöördub sujuvalt ühe domeeni suunast teisseteise.
 
Sellepärast madalaimas energeetilises olekus omab ("mitte-magneetunud") rauatükk väikest magnetvälja või ei oma seda üldse. Küllalt tugevas välises magnetväljas hakkavad domeenide seinad liikuma nii, et järjest rohkem dipoole oleks joondatud välise väljaga. Välise välja eemaldamisel 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 paraleelseparalleelse orientatsioonisuuna. 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.
 
TugevamaiteTugevaimate 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===
{{Vaata|Curie punkt}}
Temperatuuri tõustes hakkab soojusliikumine või [[entroopia]] võistlema dipoolide joondumisega ferromagneetikus. Kui temperatuur tõuseb üle Curie punkti, toimub teisejärguline [[faasisiire]], peale midamisjärel süsteem ei suuda hoida iseeneslikku magneetumust, kuid reageerib paramagneetiliseltparamagnetiliselt 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.
 
== Viited ==
{{Viited|2}}
 
==BibliograafiadKirjandus==
*{{cite book|last=Ashcroft|first=Neil W.|first2=N. David |last2=Mermin |title=Solid state physics|year=1977|publisher=Holt, Rinehart and Winston|location=New York|isbn=978-0-03-083993-1|edition=27. repr.}}
*{{cite book|last=Chikazumi|first=Sōshin|title=Physics of ferromagnetism|year=2009|publisher=Oxford University Press|location=Oxford|isbn=9780199564811|edition=2nd |others= English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr |ref=harv}}
107 704

muudatust