Aineen magneettinen luonne ja lämpötilan vaikutus magnetoitumaan

Esitys aiheesta: "Aineen magneettinen luonne ja lämpötilan vaikutus magnetoitumaan"— Esityksen transkriptio:

1 Aineen magneettinen luonne ja lämpötilan vaikutus magnetoitumaan
Jaana Knuuti-Lehtinen

2 Johdanto Magnetoitumisilmiö Magneettiset aineet – jaottelua
Mistä johtuu? Mitä magnetoitumisessa tapahtuu? Magneettiset aineet – jaottelua Lämpötilan vaikutus magnetoitumaan Sovelluksia

3 Magnetoituminen Magnetoitumisilmiön perustana on atomien ja molekyylien magneettinen momentti, jonka aiheuttaa Elektronin spin (suunta ylös/alas) Elektronin rataliike ytimen ympärillä

4 Magnetoituminen Aine magnetoituu ulkoisessa magneetti-kentässä
Magnetoituminen: aineen magneettisten momenttien suuntautumien kentän suuntaisiksi Seurausta energian minimoimisesta

5 Ising-malli Hilapisteissä spin-muuttuja Si, jonka arvo ± 1 (‘spin ylös/spin alas’) Ulkoisessa magneettikentässä B spinin energia on -µBSi, (kun B ↑↑ spin ylös) Vuorovaikutusenergia lähinaapurin kanssa –JSiSJ, (J = ferromagneettinen kytkentä) Systeemin energiaksi saadaan: N E = - J  SiSJ - B  Si i,j i=1                 ja magnetoitumaksi (paramagn.) : N  B M =   tanh ( ) V kT

6 Magneettiset aineet Jaottelu:
Ferromagneettiset (sekä ferri- ja antiferromagneettiset) Paramagneettiset Diamagneettiset

7 Ferromagneetit Pysyvät dipolimomentit
Spin-spin vuorovaikutus (J > 0) Magneettikenttään tuotuna voimistavat magneettivuon tiheyttä Jäävät pysyvästi magneettiseksi kentän hävittyä ympäriltä Esim. rauta, koboltti ja nikkeli sekä useat näistä koostuvat yhdisteet

8 Ferromagneetit Pysyvät dipolimomentit järjestäytyneet ns. Weissin alueisiin (alkeisalueet) Alueen sisällä magneettiset momentit samansuuntaisia Magneettikentässä alueiden koko ja muoto alkaa muuttua

9 Ferromagneetit Saturaatiomagnetoituma:
Saavutetaan, kun kaikki magneettiset momentit kääntyneet magneettikentän suuntaisiksi. Suurin mahdollinen magnetoituma Magneettikentän voimakkuuden lisääminen ei enää lisää aineen magneettisuutta

10 Paramagneetit Myös pysyvät dipolimomentit
Järjestäytyvät magneettikentässä kentän suuntaisiksi. Magnetoituminen heikompaa kuin ferromagneeteilla (J=0) Magneettisuus häviää, kun kappale viedään pois magneettikentästä Esim. alumiini, magnesium, natrium, platina

11 Diamagneetit Elektronirakenteesta johtuen ei pysyviä dipoleja
Magneettikentässä atomeihin indusoituu kuitenkin magneettisia dipoleja Magneettinen momentti vastakkaissuuntainen kentän kanssa Diamagneetit heikentävät magneettivuon tiheyttä Esim. kulta, elohopea, vesi

12 Ferri- ja antiferromagneetit
Ferromagneetin kaltaisia; pysyvät dipolimomentit Ferromagneettinen kytkentä J < 0 Ero: vierekkäiset magneettiset momentit suuntautuvat eri suuntiin Antiferromagneeteilla vierekkäiset momentit kumoavat toisensa => ulospäin ei magneettisuutta, esim. MnO Ferrimagneeteilla spinit eivät täysin kumoudu, esim. Fe3O4

13 Lämpötilan vaikutus magneettiseen käyttäytymiseen
Lämpö saa magneettiset momentit värähtelemään ja häiritsee niiden suuntautumista ja siten magnetoitumista Pienessä magneettikentässä lämpöliike voi estää magnetoitumisen kokonaan

14 Magnetoituman lämpötilariippuvuus
N  B M =   tanh ( ) V kT Magnetoituma, kun J = 0 (/k = 1)

15 Magnetoituman lämpötilariippuvuus

16 Faasitransitio Kriittinen piste, ns. Curie-piste:
Pisteen yläpuolella Weissin alueet häviävät ja ferromagneettinen aine muuttuu paramagneettiseksi Puhtaalle raudalle Curie-piste on n. 770 oC Vastaavasti paramagneettinen aine muuttuu ferromagneettiseksi Curie-pisteen alapuolella. Esim. Gadoliniumilla piste lähellä huoneenlämpöä, n. 16 oC

17 Sovelluksia Tietokoneet ja tallennusmediat Tietoliikenne
Magneettiset anturit Terveydenhuolto: magneettikuvantamislaitteet Hiukkaskiihdyttimet (suprajohtavat magneetit)

18 Sovelluksia Spintroniikka eli magnetoelektroniikka:
spineihin perustuva komponenttien optisten, sähköisten ja magneettisten ominaisuuksien muuttaminen => entistä pienemmät ja nopeammat tallennusvälineet (MRAM) magneettiset puolijohteet Useampia samanaikaisia toiminnallisuuksia (voivat toimia esim. muistina ja vahvistimena) Haasteena sopivan materiaalin löytyminen Oltava riittävän korkea Curie-piste Ehdokas mangaanilla seostettu galliumnitridi (GaN)

19 Sovelluksia Kehitteillä kylmälaitteita, joiden jäähdytys perustuu magneettijäähdytykseen (magnetokalorinen ilmiö: magneettisuuden poistaminen jäähdyttää magneetin) => pienempi sähkönkulutus (40 % nykyisestä) => ei tarvita vahingollisia hiilivetyjä Magnetokalorinen ilmiö voimakkainta juuri Curie-pisteen alapuolelle (esim. Gadolinium) Magneettisten aineiden johdannaisista (rauta-arsenidijohdannainen) löydetty äskettäin ns. korkean lämpötilan suprajohteita Hylkii magneettikenttää paremmin kuin yksikään tunnetuista suprajohteista => uusia käyttökohteita

20 Yhteenveto Jaottelu: ferro-, para- ja diamagneettiset aineet
Ferro- ja paramagneettisilla aineilla on magneettisia momentteja, jotka järjestäytyvät ulkoisessa kentässä magneettikentän suuntaan Mitä suurempi kenttä, sitä enemmän kappale magnetoituu Ferromagneettinen kappale jää pysyvästi magneettiseksi alkeisalueiden magnetoituman vuoksi, paramagneettinen ei Lämpö heikentää magneettisuutta, Curie-pisteen yläpuolella magneettisuus häviää

21 Lähdeluettelo [1] Kurkisuonio K. ja R., Vuorovaikuttavat kappaleet. Limes ry [2] Aineopintojen laboratoriotyöt, 2005, s. 12 [3] Mansfield M., O’Sullivan C., Understanding Physics. Wiley 1999. [4] Hook J.R., Hall H.E., Solid States Physics. Wiley 1991. [5] Papon P., Leblond J., Meijer P.H.E., The Physics of Phase Transitions. Springer 2002. [6] Callister W.D., Materials Science and Engineering ,An Introduction (7th edition). Wiley 2007. [7] Mouritsen O.G., Computer Studies of Phase Transitions and Critical Phenomena. Springer-Verlag 1984. [8] Davis H. Ted, Statistical mechanics of phases, interfaces and thin films. VCH Publishers [9] Prosessori, marraskuu [10] Tieteen kuvalehti, nro 04/2008, s [11] Tekniikka ja talous,