Metody badań własności magnetycznych metali.rtf

Metody badań własności magnetycznych metali

Wszystkie substancje przejawiają aktywność magnetyczną, ponieważ własności magnetyczne substancji są związane z podstawowymi cząstkami wchodzącymi w skład atomu. Najsilniejsze oddziaływanie magnetyczne pochodzi od elektronów, za których przyczyną w materii powstają elementarne obwody elektryczne związane z orbitalnymi momentami pędu i spinu elektronu. Ponieważ każdy obwód elektryczny, w którym płynie, prąd można uważać za dipol magnetyczny, więc własności magne­tyczne różnych materiałów, w tym i metali, zależą od oddziaływania elementarnych dipoli magnetycznych z zewnętrznym polem magnetycznym. Dlatego moment magne­tyczny jednostki objętości materii M, zwany namagnesowaniem, jest sumą geometrycz­ną momentów magnetycznych elementarnych dipoli magnetycznych.

Moment obrotowy próbki metalowej w polu magnetycznym jest proporcjonalny do całkowitego momentu magnetycznego próbki oraz do natężenia pola magnetycz­nego H lub indukcji B. Między indukcją magnetyczną B i natężeniem pola magnetycz­nego H istnieje zależność

lub

gdzie:  — m0 przenikalność magnetyczna próżni, mr — przenikalność względna mr=m/m0 , J —polaryzacja magnetyczna J= m0M (inaczej magnetyzacja lub natę­żenie namagnesowania).

Stosunek M/H=x nazywa się podatnością magnetyczną. Inaczej

    x= mr-1                                                   

W zależności od wartości podatności magnetycznej wszystkie substancje można podzielić na diamagnetyki x<0, paramagnetyki x>0 i ferromagnetyki x>=0 (rys1.)

1. Diamagnetyzm

Diamagnetyzm, występujący we wszystkich materiałach, jest efektem tak słabym, że jego obecność maskuje w ferromagnetykach i paramagnetykach wypadkowy moment magnetyczny atomów. Własności diamagnetyczne można stwierdzić doswiadczalnie w tych ciałach, w których atomy nie wykazują momentu magnetycznego elektronów. Są to atomy i jony o wypełnionych powłokach elektronowych, a więc atomy gazów szlachetnych, jony jednowartościowe, a także jony i atomy, które poza wypełnionymi powłokami elektronowymi mają dwa elektrony na podpoziomie s o spinach antyrównolegiych, jak: Zn.Be.Ca.Pb'1"1'.

Istota diamagnetyzmu polega na tym, że zewnętrzne pole magnetyczne wywołuje ruch precesyjny orbity elektronowej wokół kierunku wektora H taki, że wektor orbitalnego momentu magnetycznego elektronu opisuje stożek (rys. 2.63). Sytuację tę określa twierdzenie Larmora, według którego jedynym skutkiem działania pola magnetycznego na orbitę elektronową jest precesja tej orbity i wektora orbitalnego momentu magnetycznego elektronu z prędkością kątową wL wokół osi przechodzącej przez środek orbity i równoległej do wektora natężenia pola H. Precesja orbity elektronowej prowadzi do dodatkowego ruchu elektronu w polu magnetycznym, a więc do powstania dodatkowego prądu, a jest to równoznaczne z powstaniem dodatkowego momentu magnetycznego. Jest to obserwowane jako diamagnetyzm, który jak widać jest związany z ruchem elektronu, a więc musi występować we wszystkich ciałach.

2. Paramagnetyzm

Całkowity moment magnetyczny atomu cząsteczki lub jonu paramagnetyków jest różny od zera i dlatego atomy, cząsteczki lub jony są dipolami magnetycznymi. Zachodzi to wtedy, kiedy atom, jon lub cząsteczka mają nieparzystą liczbę elektro­nów — wypadkpwy spin elektronów jest wtedy bowiem różny od zera — oraz gdy atomy o niezapełnionych wewnętrznych powłokach elektronowych mają różny od zera wypadkowy orbitalny moment pę411 i spinu. Stwierdzono, że gaz elektronowy w kryształach metali może również wykazywać słabe własności paramagnetyczne, wynikające ze spinowych momentów magnetycznych.

Niemagnetyczne pole zewnętrzne przyłożone do substancji paramagnetycznej będzie powodować, porządkowanie się elementarnych (atomowych) momentów magnetycznych w kierunku pola, natomiast ruchy cieplne atomów, będące funkcją temperatury, będą naruszały wytworzone przez to pole uporządkowanie. W wyniku działania tych dwóch przeciwstawnych tendencji ustala się równowaga dynamiczna o określonym stopniu uporządkowania orientacji magnetycznych momentów atomów lub cząsteczek. To uporządkowanie jest przyczyną namagnesowania sub­stancji w kierunku pola zewnętrznego i zwane jest paramagnetyzmem.

Klasyczną teorię paramagnetyzmu opracował Langevin. Teoria ta potwierdziła wcześniej określone empiryczne prawo Curie, według którego podatność magnetycz­na paramagnetyków jest odwrotnie proporcjonalna do temperatury

gdzie C oznacza stałą Curie zależną od materiału.

•LICZBA ATOMOWA

Rys. 1. Molowa podatność magnetyczna pierwiastków —schemat (wg J. Massalskiego)

Rys. 2. Precesja orbity elektronu w polu magnetycznym

3. Ferromagnetyzm

Substancje diamagnetyczne i paramagnetyczne wykazują słabe własności magnetycz­ne, których wykrycie wymaga bardzo czułej aparatury. Ferromagnetyki natomiast są ciałami o silnych własnościach magnetycznych. Istnieje dziewięć pierwiastków, które są ferromagnetykami, tj.: żelazo, nikiel, kobalt, gadolin, erb, dysproz, tul, holm, terb. Ferromagnetyczne własności ostatnich pięciu pierwiastków ziem rzad­kich ujawniają się w bardzo niskich temperaturach, natomiast gadolinu — poniżej +16°C. Praktyczne znaczenie jako ferromagnetyki mają więc tylko: żelazo, nikiel i kobalt. W rzeczywistości istnieje wiele substancji ferromagnetycznych, ponieważ takie własności wykazują stopy pierwiastków ferromagnetycznych, ferromagnetycz­nych z nieferromagnetycznymi, a nawet stopy pierwiastków nieferromagnetycznych. Ferromagnetyzm jest bowiem własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów. Własności ferromagnetyków można scharakteryzować następująco:

l. Magnetyczna przenikalność ferromagnetyków zależy od natężenia zewnętrzne­go pola magnetycznego. Schematycznie charakter tej zależności dla żelaza przedsta­wiono na rys. 3.

O       10       20       30       40       50 H , OQ

Rys. 3. Zależność przenikalności p, ferromagnetyku od natężenia pola magnetycznego H

2. Ferromagnetyki wykazują tzw. magnetyzm szczątkowy, tzn., że mogą zacho­wywać stan namagnesowania po usunięciu pola magnetycznego.

3. W miarę wzrostu temperatury podatność magnetyczna ferromagnetyków maleje. W pewnej temperaturze, zwanej .temperaturą ferromagnetyczną Curie, tracą własności ferromagnetyczne i powyżej temperatury zwanej temperaturą para­magnetyczną Curie zachowują się jak paramagnetyki (rys. 2.65).

Warunkiem koniecznym do powstania ferromagnetyzmu jest istnienie nieskompensowanych spinów elektronów, a więc obecność w atomach ferromagnetyków nieskompensowanych spinowych momentów elektronowych. Ponadto, aby dana substancja mogła być ferromagnetykiem, stosunek parametru sieci krystalicznej do średniej orbity elektronowej, na której znajduje się elektron z nieskompensowanym spinem powinien być większy od 1,5

Rys. 4. Zależność odwrotności podatności magnetycznej ferromagnetyków l/x od temperatury

gdzie; d— stała sieci, R — promień orbity elektronu z niesieompensowanym spinem.

Zależność ta jest związana z oddziaływaniem sąsiednich elektronów wewnętrz­nych powłok niezapełnionych, które wpływa na poziom energii struktury krystalicz­nej. To oddziaływanie wymienne prowadzi do równoległego ustawienia spinów i momentów magnetycznych większości tych elektronów, a to powoduje zmniejszenie energii układu. Energia układu zależy od energii wymiany, którą w wyrażeniu na energię reprezentuje tzw. całka wymiany A. Gdy całka ta jest dodatnia (A > 0), to zachodzi równoległe ustawienie spinów oddziałujących ze sobą elektronów i pro­wadzi do spontanicznego namagnesowania charakterystycznego dla ferromagnety-

Rys. 5. Całka wymiany jako funkcja stosunku średnicy atomu d do średnicy niezapelnionej powłoki wewnętrznej metali przejściowych

ków. Gdy całka wymiany jest ujemna (A < 0), spiny elektronów ustawiają się anty-równolegle, co jest równoznaczne z .występowaniem własności antyferromagne-tycznych. Znak całki wymiany zależy od stosunku parametru sieci krystalicznej do średnicy niezapełnionej powłoki elektronowej

Spontaniczne magnesowanie się ferromagnetyków zachodzi w małych makro­skopowych obszarach (rzędu 0,01 mm), zwanych domenami. Domena nazywa się zatem obszar kryształu, w którym występuje lokalne nasycenie namagnesowania. Momenty magnetyczne poszczególnych domen są skierowane różnie, wskutek czego przy braku pola zewnętrznego wypadkowy moment magnetyczny ferromagne­tyku jest równy zeru. Gdy zostanie przyłożone zewnętrzne pole magnetyczne, to momenty magnetyczne ulegają uporządkowaniu, co jest równoznaczne z wystąpie­niem silnego efektu magnetycznego.

Istnienie domenowej struktury ferromagnetyków można wyjaśnić wychodząc z założenia, że układ jest stabilny, gdy energia swobodna jest najmniejsza.         

Powstawaniu domen towarzyszy tworzenie się powierzchni rozgraniczających. Tworzenie się tych powierzchni jest związane ze zużyciem pewnej energii. Zatem proces wzrostu liczby domen ustaje przy takich ich rozmiarach, przy których energia konieczna do powstania nowych powierzchni granicznych między domenami staje się większa niż zmniejszenie energii zewnętrznego pola magnetycznego ferromagne-tyku spowodowane wzrostem liczby domen.

Mechanizm magnesowania ferromagnetyku polega na przemieszczaniu granic domen i obrotu kierunku spinów wewnątrz domen pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego. Oba te efekty powodują namagnesowanie ferromagnetyku zwane namagnesowaniem technicznym w odróżnieniu od namagnesowania spontanicznego, które występuje wewnątrz domen.

Szczegółowo mechanizm namagnesowania polikrystąlicznego ferromagnetyku można opisać opierając się na krzywej namagnesowania. Na krzywej

Rys. 6. Krzywa namagnesowania

z zaznaczonymi etapami

magnesowania

(wg B. N. Buszmanowa

i J. A. Chromowa)

tej można wyróżnić cztery odcinki (7—4). Pierwszy odcinek odpowiada bardzo słabym natężeniom pola magnetycznego. Dominujący w tym etapie jest proces od­wracalnego sprężystego przesunięcia granic domen. Polega on na tym, że granice domen, dla których kąt między wektorem namagnesowania M i wektorem natężenia pola magnetycznego H jest niewielki, przemieszczają się w stronę domen, w których kąt między wektorami M i H jest duży. W wyniku tego przemieszczenia zmniejsza się objętość tych domen, a zwiększa objętość domen o korzystniejszej równoległej orientacji wektorów M i H.  Po usunięciu zewnętrznego pola magnetycz...