ferromagneettiset materiaalit - prizz.fi · ferromagnetismi rauta, koboltti, nikkeli, ......

FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT

MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS

FERROMAGNEETTISET MATERIAALIT

Harri Kankaanpää

DIAMAGNETISMI

� Vesi, elohopea, kulta, vismutti, ...

� Magneettinen suskeptibiliteetti negatiivinen:

�� 10-9...10-4 (µr � 1)

� Heikentää/hylkii heikosti ulkoista magneettikenttää

MAGNEETTITEKNOLOGIAKESKUS 2

� Heikentää/hylkii heikosti ulkoista magneettikenttää

� Aiheutuu tyypillisesti yksittäisten elektroniorbitaalien uudelleen suuntautumisesta ulkoisessa magneettikentässä

� Esiintyy vain ulkoisessa magneettikentässä

DIAMAGNEETTINEN LEVITAATIO


Kuvat: Department of Physics and Astronomy, UCLA

3

DIAMAGNETISMI

B B = µ0H

B = µ0µrH


H

PARAMAGNETISMI

� Alumiini, Magnesium, Natrium, Platina, O2, ...

� Magneettinen suskeptibiliteetti positiivinen:

� � 10-9...10-4 (µr � 1)

� Vahvistaa/vetää puoleensa heikosti ulkoista


� Vahvistaa/vetää puoleensa heikosti ulkoista magneettikenttää

� Aiheutuu tyypillisesti parittomien elektronien orbitaalien uudelleensuuntautumisesta ulkoisessa magneettikentässä

� Esiintyy vain ulkoisessa magneettikentässä

5

PARAMAGNETISMI

B

B = µ0H

B = µ0µrH


H

B = µ0H

FERROMAGNETISMI

� Rauta, koboltti, nikkeli, ...

� Magneettinen suskeptibiliteetti positiivinen ja suuri

� � 10-2...105 (µr � 1 ja epälineaarinen!)

� Vahvistaa/vetää puoleensa voimakkaasti ulkoista


� Vahvistaa/vetää puoleensa voimakkaasti ulkoista magneettikenttää

� Aiheutuu aineessa olevista alueista, joissa on paljon samansuuntaisia magneettimomentteja

� Aine jää magneettiseksi vaikka ulkoinen magneettikenttä poistettaisiin

� Demagnetointi lämmittämällä aine nk. Curie-lämpötilan yläpuolelle

7

WEISSIN ALUEET

� Kiderakenteessa olevia alueita, joiden tilavuus tyypillisesti n. 10-12 – 10-18 m3

� Alueet pitävät sisällään useita magneettisia momentteja, jotka ovat kaikki samansuuntaisia

� Alueet muodostuvat aineen jäähtyessä Curie-lämpötilan


� Alueet muodostuvat aineen jäähtyessä Curie-lämpötilan alapuolelle

� Reagoivat ulkoiseen magneettikentään:

– Magneettisten domainien uudelleenorientoituminen (suuntautuminen)

– Ulkoisen magneettikentän kanssa samansuuntaisten domainien kasvu

8

MAGNEETTISET DOMAINIT


WEISSIN ALUEETH=0 H=


H= H=

BLOCHIN SEINÄMÄ

� Eri suuntiin suuntautuneiden Weissin alueiden välissä on yleensä nk. Blochin seinämä

� Seinämä on siirtymäkerros, jossa magneettimomenttien suunta vähitellen muuttu siirryttäessä yhdestä Weissin alueesta toiseen


alueesta toiseen

� Paksuus tyypillisesti n. 10 – 100 nm

� Ohuissa kerroksissa Néel:n seinämä on energeettisesti edullisempi

� Néel:n seinämä on paksuudeltaan n. 50 – 1000 nm

11

Blochin ja Néelin seinämät


FERROMAGNETISMI

B

B = µ0H

B = µ0H+J !!!

paramagneettinen

diamagneettinen

Ferromagneettinen


H

B = µ0H

B vai J?

� Käytännössä mitataan B ja H

� Usein halutaan kuitenkin J

� J=B-µ0H

� B on seurausta J:stä ja H:sta


� B on seurausta J:stä ja H:sta

14

H

B H

HYSTEREESISKÄYRÄN MITTAAMINEN


MAGNETOINTIJ


H

JS

REMANENSSI Br

J

Br


H

DEMAGNETOINTIKÄYRÄ JA KOERSITIIVIVOIMA HC

J

Br


HHC

HYSTEREESISKÄYRÄT BH JA JH

-JHC

BHC

Br


-BHC JHC

-Br

J = B-µ0H

TYÖPISTE – ”vapaa magneetti”

� Kestomagneetti pyrkii demagnetoimaan ”itse itsensä”

� Ellei ole muita magneettikentän lähteitä, niin magneetti on tällöin demagnetointikäyrällä eli nk. hystereesiskäyrän toisella kvadrantilla

� Demagnetointikerroin N riippuu magneetin muodosta


� Demagnetointikerroin N riippuu magneetin muodosta

20

Bi

Bo

Bm µ0Hm

Jm

Jm J

Br

Jm


HHC Hm=-NJm/µ0

TYÖPISTE - ”vapaa magneetti”J

Br

Bm=(1-N)Jmtyöpiste

Load-line: Pc=(1-N)/NJ�µ0H(µr-1)+Br

permeanssi


HHC Hm=-NJm/µ0

työpiste

Br=Jm(Pc+µr)/(Pc+1)

ENERGIATULO (BH)J

Br

(BH)max=Br2/4µ0µr


HHC

TYÖPISTE - ”käytännössä”

Magneetti lähes suljetussa piirissä

Magneettikenttä ilmaraossa -> ”työalue”


piirissä

Itseisdemagnetointi ”poistuu” -> Hm=0

Ulkoinen magneetikenttä jota vastaan magneetti tekee työtä

TYÖPISTE - ”käytännössä”J

BrTyöpiste, kun Hm=0

Työpiste,


HHC H=Hulk.H=Hulk.+Hm

Työpiste, sillä käytännössä Hm>0

RECOIL LOOPJ


H

LÄMPÖTILARIIPPUVUUS

� Ferromagneettinen aine on ferromagneettista vain nk. Curie-lämpötilan alapuolella

� Remanenssi ja koersitiivivoima yleensä heikkenee lämpötilan kasvaessa

� Reversiibelit muutokset lineaarisella osuudella ->


� Reversiibelit muutokset lineaarisella osuudella -> maksimi käyttölämpötila

� Lämpötilakertoimet (reversible temperature coefficient):

– Remanenssille: αBr

– Koersitiivivoimalle:βHc

27

Curie-lämpötila

Ferro-magneettinen

Para-magneettinen


FERRIMAGNETISMI JA ANTI-FERROMAGNETISMI

� Fe3O4(magnetiitti), BaFe2O4(barium-ferriitti, BaFe)

� Kromi, FeMn, NiO, MnO,FeF2

� Kidehilassa olevat vierekkäiset magneettiset momentit suuntautuvat vastakkaisiin suuntiin


FERROMAGNETISMI, FERRIMAGNETISMI JA ANTI-

FERROMAGNETISMI� Ero aiheutuu vierekkäisten atomien välisestä spin-spin

vuorovaikutuksesta:

– Ess = -2JssS1 � S2

� Jss > 0: Ferromagneettinen kytkentä


� Jss < 0: Anti-ferromagneettinen kytkentä

� Vierekkäisten momenttien voimakkuudet voivat olla

– erisuuret (ferrimagnetismi)

– yhtäsuuret (anti-ferromagnetismi)

30

ferromagneettiset materiaalit - prizz.fi · ferromagnetismi rauta, koboltti, nikkeli, ......

Documents