Magneetikud

Magneetikud on ained, mis on võimelised reageerima neile mõjuvale magnetväljale. Magneetikute liigi määrab nende magnetiline vastuvõtlikkus $\chi$. See ühikuta suurus on võrdeline aine magneetumusega $M$ ja pöördvõrdeline magnetvälja tugevusega $H$:

$\chi =M/H$.

Magnetmoment

 Pikemalt artiklis Magnetmoment

Magnetvälja erinevus aines ja vaakumis on tingitud aatomitel esinevast magnetmomendist. See on seletatav Bohri aatomiteooriaga, mille kohaselt elektronid on aatomi ringorbiidil. Nende suunatud liikumine põhjustab ringvoolu, mis omakorda tekitab selle tsentrisse magnetvälja. Tekkinud magnetmoment on defineeritud kui $\mathbf {p} =I\cdot S$ (ühik A·m^.2, kuʂ $I$ tähistab voolu ja $S$ pindala. Välja rakendamisel ainele orienteeritakse aatomid vastavalt oma momendile välja jõujoonte suunas. Summaarse magnetmomendi kirjeldamiseks kasutatakse terminit magneetumusvektor (M). Selle suuruse väärtus sõltub mõningatest teguritest, näiteks temperatuurist, aatomite vahel olevast jõust ning magnetvälja tugevusest ja suunastː

$\mathbf {M} =\sum _{k=1}^{N}{\frac {\mathbf {p_{k}} }{V}}$.

Valemis kujutatakse summeerimist üle magnetmomentide ning jagamist vastava ruumalaga.

Magneetikute liigid

Sõltuvalt magnetilise vastuvõtlikkuse märgist ja suurusest jaotatakse kõik magneetikud põhirühmadesse:

• Paramagneetikud, χ on positiivne ja absoluutväärtuselt väike, $0<\chi <<1$. Sõltub temperatuurist.
• Diamagneetikud, millel χ on negatiivne ja absoluutväärtuselt väike $0>\chi >>-1$. Ei sõltu temperatuurist.
• Ferromagneetikud, χ on positiivne ja absoluutväärtuselt suur $(10^{2}-10^{6})$.
• Antiferromagneetikuid, mille naaberaatomite magnetmomendid on domeeni piires omavahel antiparalleelsed. Nad ei tugevda neile väljastpoolt mõjuvat magnetvälja. $\chi =0$
• Ferrimagneetikud, mille naaberaatomite magnetmomendid on domeeni piires omavahel antiparalleelsed, kuid erineva suurusega, mistõttu väljastpoolt mõjuv magnetväli neis tugevneb. Magnetiline vastuvõtlikkus on positiivne ja absoluutväärtuselt suur, kuid väiksem kui ferromagneetikud.

Paramagnetism ja paramagneetikud

Paramagneetikuteks nimetatakse aineid, mille aatomite magnetmoment erineb nullist vähe (kuid on positiivne) . Kui me mõjutame neid magneetikuid välise magnetväljaga, siis see püüab aine aatomite magnetmomenti orienteeruda piki H suunda. Samas aga teeb soojusliikumine vastutööd, üritades neid suundi ühtlaselt igale poole laiali paisata. Sellest tulenevalt sõltub magnetväli aines välisest väljast ja temperatuurist. Kui me loobuksime välisväljast H, siis spinnide kindel orientatsioon rikutakse. Seetõttu kaob sisemine magnetväli B. Magnetmomendi sõltuvust temperatuurist kirjeldas Pierre Curie.

Paramagneetikud on näiteks alumiinium, vask, kroom, vasksulfaat, vedel lämmastik, kaalium ja mangaan . Nende ainete aatomid sisaldavad enamasti elektrone, mille spinnid on samasuunalised. See annab aatomitele polaarsuse.

Magneetumuse sõltuvus temperatuurist

Nõrkade magnetväljade puhul kirjeldab magneetumuse $M$ sõltuvust absoluutsest temperatuurist $T$ Curie seadus. See ütleb, et aine magnetiline vastuvõtlikkus $\chi$ on pöördvõrdeline absoluutse temperatuuriga ning võrdeline selle aine Curie konstandiga $C$:

$M=\chi H={\frac {C}{T}}H,$

kus $H$ on magnetvälja tugevus.

Rakendused

• Meditsiin: paramagnetilised ained suunatakse uuritavaisse organitesse, et parandada kudedest tehtud magnetresonantspiltide kontrasti.

Diamagnetism ja diamagneetikud

Väli, mis tekib diamagneetikutes, on vastupidine nendele mõjuvale magnetväljale. Erinevalt ferromagneetikutest, pole diamagneetikud püsimagneetikud. Diamagnetism on võimalik kvantmehaanika tõttu ja see ilmneb, kui väline väli muudab orbitaalidel olevate elektronide kiirust ümber tuuma ning see mõjutab magnetilist dipoolmomenti. Lähtuvalt Lenzi seadusest, on elektronide tekitatud magnetväli vastupidi talle mõjunud välja suhtes. Magnetiline vastuvõtlikkus µ₀ diamagneetikutel on alla 1. Suurema osa materjalide diamagnetismi efekt on nõrk. Kuid eksisteerib ka ülijuhte, kus on tugev kvantefekt, nendest ainetest tõrjutakse magnetväli täielikult.

Ajalugu

Diamagneetikud avastas Sebald Justinus Brugmans aastal 1778. Ta pani tähele, et vismut ja antimon tõrjusid magnetvälja. Nimetuse diamagnetism mõtles välja Michael Faraday aastal 1845.

Diamagnetite levitatsioon

Parempoolsest kerast jõujooni läbi ei lähe, sest ta on jahutatud allapoole kriitilist temperatuuri. Vasakpoolne kujutab tavalist magnetvälja läbiminekut aines

Diamagneetikud suudavad leviteerida (hõljuda) magnetvälja tasakaalulises seisundis, ilma jõu kuludeta. Earnshaw' teoreem välistab staatilise magnetilise levitatsiooni. Kuid see teoreem rakendub ainult materjalidele, mis omavad positiivset momenti. Üks tuntuim leviteerimise viis kaasneb Meissneri efektiga. See ei toimu harilike diamagneetikutega, mille vastuvõtlikkus läheneb miinus ühele, kui külmutame teda väga madalale temperatuurile. Neid materjale kutsutakse ülijuhtideks ning need ained saavad leviteerida magnetite kohal. Selle põhjus seisneb selles, et ülijuht ei lase magnetväljal ennast läbida. Iseloomulikku leviteerimist kutsutakse Meissneri efektiks.

Ferromagnetism ja ferromagneetikud

Ferromagneetikud moodustavad erilise klassi magneetikute hulgas. Nad on võimelised magneetuma isegi välise magnetvälja puudumisel. Ferromagneetikud on saanud nimetuse selle kõige levinuma esindaja, raua järgi. Samas kuuluvad selle rühma hulka veel: nikkel, koobalt, gadoliinium, nende sulamid ja ühendid, samuti mõningad mangaani ja kroomi sulamid ning ühendid mitteferromagnetiliste elementidega (näiteks MnAlCu, CrTe jne). Nende erivastuvõtlikkus on väga suur – kuni 10⁶, ületades dia- ja paramagneetikute vastuvõtlikkuse tohutu arv kordi.

Ferromagneetikute magneetumine ei allu lineaarsele kasvule ja kahanemisele. Nimelt esineb küllastusmagneetuvus $M_{s}$, millest kõrgemale magnetväli aines ei saa kasvada. Vastav magnetinduksioon on $B_{m}=\mu _{0}(M_{m}+H_{m})$. Niisugust mittelineaarse kasvu ja kahanemise nähtust nimetatakse magnetiliseks hüstereesiks ja selle kirjeldamiseks kasutatakse hüstereesisilmust.

Ajalugu

Ajalooliselt on nimetatud ferromagnetiteks aineid, mis suutsid ilma välise välja puudumiseta tekitada magnetvälja, see tähendab, et neil olid magnetilised omadused. Ühe olulisema uuringu ferromagneetikute kohta on teinud Aleksandr Stoletov, nimelt vaatles ta nende magnetilist läbilaskvust. Vastavat funktsiooni kutsutakse Stoletovi kurviks.

Hüstereesisilmus

Hüstereesisilmus

 Pikemalt artiklis Magnetiline hüsterees

Ferromagneetiku magneetumust annab väga hästi kirjeldada hüstereesisilmusega. Horisontaalsel koordinaadil on rakendatav magnetväli H ja vertikaalsel koordinaadil on aine magnetväli B. Graafikul olevat teekonda $0\rightarrow B_{m}$ nimetatakse magneetumuse algkõveraks. Välise (magneetiva) magnetvälja suurendamisel magnetvälja tiheduse kasv aines aeglustub, kuni magneetumus jõuab küllastusväärtuseni. Samas, kui hakata välist magnetvälja vähendama, saavutatakse punkt, mida nimetatakse jääkmagneetumuseks $M_{r}$. $B_{r}=\mu _{0}M_{r}$. Selles kohas puudub väline magnetväli, kuid esineb aine magnetväli $B_{r}$. Selle efekti olemasoluga on seletatav püsimagneti omadus tekitada magnetvälja, ilma et ta asuks magnetväljas. Jääkmagneetumuse punktist edasi minnes ehk rakendades negatiivse suunaga magneetuvat välja, saavutatakse koertsitiivsupunkt $H_{c}$. Selles punktis varasem magneetumus nullistub välise välja toimel. Suurendades veel negatiivset välja, saavutame negatiivse küllastusmagneetumuse. Vähendades nüüd negatiivse välismagnetvälja absoluutväärtust, käitub hüstereesisilmus analoogselt. Hüstereesisilmuse pindala võrdub tööga, mis kulub ümbermagneetimiseks.

Hüstereesisilmuse alusel jaotatakse ferromagneetikud kaheks.

• Pehmed magnetmaterjalid: neil on suur magnetiline läbitavus $(10^{2}-10^{6})$, väike koertsitiivsus, suur jääkmagneetumus ja halb elektrijuhtivus. Samas on pehmetel magnetmaterjalidel väiksed energiakaod ümbermagneetumisel.
• Kõvad magnetmaterjalid: neil on suur jääkmagneetumus, samuti suur koertsitiivsus ja nende Curie punkt on kõrge. Kõva magnetmaterjal vajab rohkem energiat ümberlaadumisel (suur salvestunud magneetumusenergia).

Domeenid

Võib mõelda, et iga ferromagneetiku tükk omab magnetvälja oma samasuunaliste spinnide (magnetmomentide) tõttu. Samas on aga paljud ferromagneetikud magneetumata. Põhjus seisneb selles, et enamus ferromagneetiku materjalist on jaotunud väikesteks magnetilisteks domeenideks, mida nimetatakse ka spontaanse magneetumuse piirkondadeks. Nende mõõtmed jäävad suurusjärku $10^{-6}-10^{-5}$ m. Igal domeenil on ferromagneetik spontaanselt küllastuseni magneetunud ja omab teatud magnetmomenti M. Välise välja puudumisel omavad naaberdomeenid üksteist kustutavat magnetmomenti, sellest tulenev summaarne moment on 0. Põhjus, miks tekivad sellised struktuurid, on selles, et eksisteerib naaberaatomite d- või f-elektronide vahetusmõju. Seepärast tekib side samasuunaliste spinnidega elektrone sisaldavate orbitaalide vahel.

Domeenide struktuur

Rakendused

• Mikrolaine seaded
• Salvestusseadmed. Nendeks on näiteks: kassettide lindid, flopiketas arvutitel ja magnetriba krediitkaardi taga. Oma informatsiooni võtavad nad põhiliselt elektrilistelt signaalidelt ja töötlevad selle magnetkoodi. Materjalina nendes seadmetes kasutatakse põhiliselt polüetüleentereftalaati (lavsaani). Magnetkiht koosneb põhiliselt peenikese kuubilise struktuuriga osakestest, mis käituvad omaette domeenidena. Vastavalt domeenide magnetmomentide suunale on võimalik salvestada sinna infot. Seepärast ei ole soovitatav hoida magnetmäluga seadmeid tugevate magnetite juures.
• Magnetiline mõju ferromagnetilisele pooljuhile.
• Püsimagnetid. Selleks kasutatakse enamasti kõvasid magnetmaterjale, mis nõuavad palju energiat, et ümber magneetida. Püsimagnetite kasutusala on väga lai. Näiteks kodus kasutatakse neid kruvikeeraja otsas, külmkapile kleebiste kinnitamiseks, mikromootorites jne.

Vaata ka

• Magnetism
• Ferromagnetism