Ferromágnesség
A ferromágnesség a gyűjtőneve mindazon jelenségeknek, melyek során bizonyos anyagok (mint például a vas) állandó mágnesként viselkednek, vagy erősen kölcsönhatnak a mágnessel (vonzzák vagy taszítják egymást).
Tartalomjegyzék |
[szerkesztés] A ferromágnesség régi és új meghatározása
Minden olyan anyagot, amely állandó mágnes lesz egy külső mágneses tér hatására, és megtartja a mágnességét akkor is, ha a külső mágnesező teret eltávolítottuk a környezetéből, ma vagy ferromágneses vagy ferrimágneses anyagnak neveznek. Korábban minden olyan anyagot, ami spontán mágneses tulajdonságokat mutatott, ferromágnesnek neveztek. A hétköznapi életben még ma is ez a szóhasználat.
Ma már azonban megkülönböztetünk két esetet a spontán mágneses szerkezet rendezettsége szempontjából. Ha a kristályos anyag elemi cellájában szereplő ionok mágnesessége azonos irányítású, akkor ferromágnesnek, ha viszont az elemi cella kétféle ionjának a mágnesessége két különböző főirányú, akkor ferrimágnesnek nevezik a mágneses anyagot. Ha az elemi cella kétféle ionjának a mágnesessége ellentétes irányú és egyenlő nagyságú, akkor az anyag kifelé nem mutat mágnességet: ezt az anyagot antiferromágnesnek nevezik. Mindezek a mágneses jelenségek egy kritikus hőmérséklet alatti tartományban fordulnak elő. A ferromágneses és ferrimágneses anyagokra ennek neve Curie-hőmérséklet, az antiferromágneses anyagokra ennek neve Néel-hőmérséklet.
[szerkesztés] Anyagok mágnességének eredete
Az anyagokban tapasztalható mágnesség kvantumfizikai jelenségekre vezethető vissza és lényegében a spinekhez, és a Pauli-elvhez kapcsolható. A mágnességet az atomokhoz tartózó elemi dipólmomentumok hozzák létre. Az elemi dipólmomentum a spinnek (egy elektronhoz tartozó kvantumos tulajdonság) és az atomban mozgó elektronok esetén azok „pályamozgásának” megfeleltethető impulzusmomentumnak az eredője.
A legtöbb anyagban az elektronhéjak ki vannak egyenlítve, mert rajtuk egy-egy „fölfelé” és „lefelé” mutató spinű elektron tartózkodik. Külső mágneses tér hiányában csak olyan anyagokban keletkezhet mágnesség, amelyekben kiegyenlítetlen, páratlan spinű elektronok vannak. A ferromágneses anyagok ilyenek. Ha a bennük elhelyezkedő nagyszámú páratlan spinű elektronnal rendelkező atom rendezetten helyezkedik el, akkor ezek együttesen egy mérhető mágneses teret keltenek.
[szerkesztés] Paramágneses és ferromágneses anyagok
Vannak olyan anyagok, amelyekben csak a külső tér hatására rendeződnek a bennük egyébként jelen lévő páratlan spinű atomok. Ezek a paramágneses anyagok. De a ferromágnesség esetében valamilyen újabb jelenség is föllép, s ez a dipólok spontán rendeződése külső tér hiányában is. A klasszikus elektromágnességnél ugyanis a közeli mágneses dipólok ellentétes irányban szeretnek beállni. A ferromágneses anyagokban azonban ez a „hajlam” más, ezekben a spinek azonos irányban szeretnek elhelyezkedni, amit egy kvantummechanikai hatás, a kicserélődési kölcsönhatás okoz. Ez a Pauli-fél kizárási elven alapul. Ez kimondja, hogy két elektron ugyanolyan állású spinnel nem lehet ugyanazon a helyen. Ezért, bizonyos körülmények fönnállása esetén, amikor két szomszédos atom egy-egy külső, vegyérték-elektronja közel kerül egymáshoz, energetikailag stabilabb az az eset, amikor a két spin párhuzamosan áll, mint az az eset, amikor ellentétesek. (A két helyzet különbsége a kicserélési energia.) Ugyanilyen kvantumos hatások magyarázzák a ferrimágneses és az antiferromágneses anyagok tulajdonságainak a kialakulását is. (Csak érdekes példaként említjük, hogy a vas atomok esetén a kicserélési energia a dipólusokból származó energiának 1000-szerese.
[szerkesztés] Mágneses doménszerkezet
A spinekből eredő mágnesség szintje föl azonban egy második hierarchiaszint is emelkedik. Ez a doménszerkezet hierarchiaszintje. Ennek során a ferromágneses anyag föloszlik kisebb cellákra, melyeket mágneses doméneknek nevezünk. A doménen (magyarul tartományon) belül a spinek azonos irányban állnak be, de a különféle cellák a doménszerkezetben különféle irányban álló mágnes-seregeket tartalmaznak. Ezek eredője ki is olthatja egymást.
A ferromágneses anyagok spontán oszlanak föl mágneses doménekre, mert számukra ez az alacsonyabb energiájú elrendeződés. Ezért nincsen észrevehető mágnessége egy közönséges vasdarabnak. Ha azonban külső mágneses térbe helyezzük a vasat, ennek hatására a domének újrarendeződnek, a tér irányával párhuzamosan. és a vas meg is tartja a mágnességét akkor is, ha a mágnesező teret kiiktatjuk. A domének már nem térnek vissza előző, rendezetlen szerkezetükbe.
[szerkesztés] Remanens mágnesség
Mivel a domének külső mágneses tér rendező hatása után már nem térnek vissza előző, rendezetlen szerkezetükbe, ezért ezt a jelenséget fölhasználják a természetben kialakuló mágneses ásványok mérésénél. Ezek a remanens mágnesek a Föld pillanatnyi mágneses erőtere szerint rendeződnek. Ilyen mérésekkel mutatták ki azt is, hogy a középóceáni hátságtól távolodva, váltakozó térirányú mágneses sávok húzódnak a kőzetekben. Ez a váltakozás a Föld mágneses dipólusának polaritás-váltásából adódik. A sávok elhelyezkedése „tükörszimmetrikus” a középóceáni hátság vonalára nézve. Ez arra utalt, hogy a sávok a középóceáni hátságtól mindkét irányban, egy időben keletkeztek és fokozatosan kerültek egyre távolabb tőle.
[szerkesztés] Lásd még
[szerkesztés] Irodalom
- Kittel C. (1966): Bevezetés a szilárdtestfizikába. Műszaki Könyvkiadó, Budapest
- E. P. Wohlfarth, ed., (1980): Ferromagnetic Materials (North-Holland, 1980).
