Σιδηρομαγνητισμός

.

Ο σιδηρομαγνητισμός (Ferromagnetism) είναι ο βασικός μηχανισμός με τον οποίον συγκεκριμένα υλικά (όπως ο σίδηρος) σχηματίζουν μόνιμους μαγνήτες, ή έλκονται από μαγνήτες. Στη φυσική, διακρίνονται πολλοί διαφορετικοί τύποι μαγνητισμού. Ο σιδηρομαγνητισμός (περιλαμβανομένου του σιδηριμαγνητισμού)[1] είναι ο πιο ισχυρός τύπος: είναι ο μόνος τύπος που συνήθως δημιουργεί δυνάμεις που να είναι αρκετά ισχυρές για να γίνουν αισθητές και είναι υπεύθυνος για τα συνηθισμένα φαινόμενα του μαγνητισμού που εμφανίζονται στην καθημερινή ζωή. Οι ουσίες αποκρίνονται ασθενώς σε μαγνητικά πεδία με τρεις άλλους τύπους μαγνητισμού, παραμαγνητισμό, διαμαγνητισμό και αντισιδηρομαγνητισμό, αλλά οι δυνάμεις είναι συνήθως τόσο ασθενείς που μπορούν να ανιχνευθούν μόνο από ευαίσθητα όργανα σε ένα εργαστήριο. Ένα καθημερινό παράδειγμα σιδηρομαγνητισμού είναι ένας μαγνήτης ψυγείου (refrigerator magnet) που χρησιμοποιείται για να κρατά σημειώσεις στη θύρα ενός ψυγείου. Η έλξη μεταξύ ενός μαγνήτη και ενός σιδηρομαγνητικού υλικού είναι "η ιδιότητα του μαγνητισμού που πρωτοεμφανίστηκε στον αρχαίο κόσμο και σε μας σήμερα".[2]

Ένας μαγνήτης κατασκευασμένος από alnico, ένα κράμα του σιδήρου, με τον οπλισμό του (keeper). Ο σιδηρομαγνητισμός είναι η θεωρία που εξηγεί πώς τα υλικά γίνονται μαγνήτες.

Οι μόνιμοι μαγνήτες (υλικά που μπορούν να μαγνητιστούν από ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και να παραμείνουν μαγνητισμένα αφού αφαιρεθεί το εξωτερικό πεδίο) είναι είτε σιδηρομαγνητικά είτε σιδηριμαγνητικά, όπως είναι άλλα υλικά που έλκονται σημαντικά προς αυτά. Μόνο λίγες ουσίες είναι σιδηρομαγνητικές. Οι συνηθισμένες είναι σίδηρος, νικέλιο, κοβάλτιο και τα περισσότερα από τα κράματά τους, μερικές ενώσεις των σπανίων γαιών και κάποια φυσικώς απαντώμενα ορυκτά όπως ο μαγνητίτης (lodestone).

Ο σιδηρομαγνητισμός είναι πολύ σημαντικός στη βιομηχανία και τη σύγχρονη τεχνολογία και είναι η βάση για πολλές ηλεκτρικές και ηλεκτρομαγνητικές συσκευές όπως οι ηλεκτρομαγνήτες (electromagnets), οι ηλεκτρικοί κινητήρες, οι γεννήτριες, οι μετασχηματιστές και η μαγνητική αποθήκευση (magnetic storage) όπως στα κασετόφωνα (tape recorders) και τους σκληρούς δίσκους.

Ιστορικό και διάκριση από τον σιδηριμαγνητισμό

Ιστορικά, ο όρος σιδηρομαγνητισμός χρησιμοποιήθηκε για οποιοδήποτε υλικό που μπορούσε να επιδείξει αυθόρμητο μαγνητισμό: μια καθαρή μαγνητική ροπή απουσία εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Αυτός ο γενικός ορισμός είναι ακόμα σε συνήθη χρήση. Πιο πρόσφατα, όμως, διαφορετικές τάξεις από αυθόρμητη μαγνήτιση έχουν αναγνωριστεί, όταν υπάρχουν περισσότερα από ένα μαγνητικό ιόν ανά πρωτογενή κυψελίδα (primitive cell) του υλικού, που οδήγησε σε έναν πιο αυστηρό ορισμό του "σιδηρομαγνητισμού" που χρησιμοποιείται συχνά για τη διάκρισή του από τον σιδηριμαγνητισμό. Ειδικά,

ένα υλικό είναι "σιδηρομαγνητικό" σε αυτήν την πιο στενή έννοια μόνο αν όλα τα μαγνητικά του ιόντα προσθέτουν μια θετική συνεισφορά στην καθαρή μαγνήτιση.

Αν κάποια από τα μαγνητικά ιόντα αφαιρούν από την καθαρή μαγνήτιση (αν είναι μερικώς αντι-ευθυγραμμισμένα), τότε το υλικό είναι "σιδηριμαγνητικό".[3]

Αν οι ροπές των ευθυγραμμισμένων και των αντιευθυγραμμισμένων ιόντων εξισορροπούνται πλήρως έτσι ώστε να έχουν μηδενική καθαρή μαγνήτιση, παρά τη μαγνητική διάταξη (ordering), τότε είναι αντισιδηρομαγνήτης.

Αυτά τα φαινόμενα ευθυγράμμισης συμβαίνουν μόνο σε θερμοκρασίες κάτω από μια συγκεκριμένη κρίσιμη θερμοκρασία, που λέγεται θερμοκρασία Κιρί (για σιδηρομαγνήτες και σιδηριμαγνήτες) ή θερμοκρασία Νεέλ (για αντισιδηρομαγνήτες).

Μεταξύ των πρώτων ερευνών του σιδηρομαγνητισμού είναι οι πρωτοποριακές εργασίες του Αλεξάντρ Στόλετοφ (Aleksandr Stoletov) στη μέτρηση της μαγνητικής διαπερατότητας των σιδηρομαγνητικών, γνωστή ως καμπύλη Στόλετοφ (Stoletov curve).
Σιδηρομαγνητικά υλικά
Θερμοκρασίες Κιρί για μερικά κρυσταλλικά σιδηρομαγνητικά (* = σιδηριμαγνητικά) υλικά[4]

Υλικό	Θερμοκρασία Κυρί (K)
Co	1388
Fe	1043
Fe2O3*	948
FeOFe2O3*	858
NiOFe2O3*	858
CuOFe2O3*	728
MgOFe2O3*	713
MnBi	630
Ni	627
MnSb	587
MnOFe2O3*	573
Y3Fe5O12*	560
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Dy	88
EuO	69

Ο πίνακας στα δεξιά αναφέρει μια επιλογή από σιδηρομαγνητικές και σιδηριμαγνητικές ενώσεις, μαζί με τη θερμοκρασία πάνω από την οποία σταματούν να επιδεικνύουν αυθόρμητη μαγνήτιση (δείτε Θερμοκρασία Κιρί).

Ο σιδηρομαγνητισμός είναι μια ιδιότητα όχι μόνο των χημικών συστατικών ενός υλικού, αλλά της κρυσταλλικής του δομής και μικροσκοπικών οργανισμών. Υπάρχουν σιδηρομαγνητικά μεταλλικά κράματα, των οποίων τα συστατικά δεν είναι τα ίδια σιδηρομαγνητικά, που λέγονται κράματα Χόισλερ (Heusler alloys), από το όνομα του Fritz Heusler. Αντίθετα δεν υπάρχουν μη μαγνητικά κράματα, όπως τύπων του ανοξείδωτου χάλυβα, που να αποτελούνται σχεδόν αποκλειστικά από σιδηρομαγνητικά μέταλλα.

Μπορούν επίσης να παρασκευαστούν άμορφα (μη κρυσταλλικά) σιδηρομαγνητικά μαγνητικά κράματα με πολύ γρήγορη βαφή (ψύξη) ενός υγρού κράματος. Αυτά έχουν το πλεονέκτημα ότι οι ιδιότητές τους είναι σχεδόν ισοτροπικές (δεν ευθυγραμμίζονται κατά μήκος ενός κρυσταλλικού άξονα)· αυτό καταλήγει σε χαμηλή απομαγνητότητα (coercivity), χαμηλή απώλεια υστέρησης, υψηλή διαπερατότητα και υψηλή ηλεκτρική ειδική αντίσταση. Ένα τέτοιο συνηθισμένο υλικό είναι η μετάπτωση κράματος μετάλλου-μεταλλοειδούς, παρασκευασμένου από περίπου 80% μέταλλο μετάπτωσης (συνήθως Fe, Co, ή Ni) και ενός μεταλλοειδούς συστατικού (B, C, Si, P, ή Al) που χαμηλώνει το σημείο τήξης.

Μια σχετικά νέα τάξη εξαιρετικά ισχυρών σιδηρομαγνητικών υλικών είναι οι μαγνήτες των σπανίων γαιών. Περιέχουν στοιχεία των λανθανιδών που είναι γνωστά για την ικανότητα τους να φέρουν μεγάλες μαγνητικές ροπές σε καλά εντοπισμένα f-τροχιακά.

Σιδηρομαγνήτες ακτινιδών

Κάποιες ενώσεις των ακτινιδών είναι σιδηρομαγνήτες σε θερμοκρασία δωματίου ή παρουσιάζουν σιδηρομαγνητισμό με ψύξη. Το PuP είναι ένας παραμαγνήτης με κυβική συμμετρία σε θερμοκρασία δωματίου, αλλά υφίσταται μια δομική μετάπτωση σε τετραγωνική κατάσταση με σιδηρομαγνητική διάταξη, όταν ψυχθεί κάτω από τη TC = 125 K του. Στη σιδηρομαγνητική κατάσταση, ο προτιμητέος άξονας (easy axis) του PuP είναι στην κατεύθυνση <100>.[5]

Στο NpFe2 ο προτιμητέος άξονας είναι <111>.[6] Πάνω από τη TC ~500 K ο NpFe2 είναι επίσης παραμαγνητικός και κυβικός. Η ψύξη κάτω από τη θερμοκρασία Κιρί (Curie temperature) παράγει μια ρομβοεδρική παραμόρφωση, όπου η ρομβοεδρική γωνία αλλάζει από 60° (κυβική φάση) σε 60,53°. Μια εναλλακτική περιγραφή αυτής της παραμόρφωσης είναι να θεωρηθεί το μήκος c κατά μήκος του μοναδικού τριγωνικού άξονα (αφού η παραμόρφωση έχει ξεκινήσει) και a ως την απόσταση στο κάθετο επίπεδο ως προς το c. Στην κυβική φάση αυτό μειώνεται σε c a {\displaystyle \scriptstyle {\frac {c}{a}}} = 1,00. Κάτω από τη θερμοκρασία Κιρί

\( {\displaystyle {\frac {c}{a}}-1=-(120\pm 5)\times 10^{-4}} \)

που είναι η μέγιστη τάση σε οποιαδήποτε ένωση ακτινιδών .[7] Το NpNi2 υφίσταται μια παρόμοια παραμόρφωση πλέγματος κάτω από την TC = 32 K, με μια τάση (43 ± 5) × 10⁻⁴.[7] Το NpCo2 είναι σιδηριμαγνήτης κάτω από τους 15 K.
Αέριο λίθιο

Το 2009, μια ομάδα φυσικών του MIT έδειξε ότι το αέριο λίθιο όταν ψύχεται σε λιγότερο από 1Κ μπορεί να εμφανίσει σιδηρομαγνητισμό.[8] Η ομάδα έψυξε το φερμιονικό λίθιο-6 σε λιγότερο από 150 δισεκατομμυριοστά του ενός Κέλβιν πάνω από το απόλυτο μηδέν χρησιμοποιώντας υπέρυθρη ψύξη λέιζερ (laser cooling). Αυτή η επίδειξη είναι η πρώτη φορά που εμφανίζεται σιδηρομαγνητισμός σε ένα αέριο.

Εξήγηση

Το θεώρημα Μπορ-Βαν Λούεν (Bohr–van Leeuwen theorem), την δεκαετία του 1910, έδειξε ότι οι θεωρίες της κλασικής φυσικής δεν μπορούσαν να εξηγήσουν καμιά μορφή μαγνητισμού, συμπεριλαμβανόμενου του σιδηρομαγνητισμού. Ο μαγνητισμός θεωρείται σήμερα ως ένα καθαρά φαινόμενο κβαντικής μηχανικής. Ο σιδηρομαγνητισμός προκύπτει λόγω δύο φαινομένων της κβαντικής μηχανικής: του σπιν και της απαγορευτικής αρχής του Πάουλι.[9]

Προέλευση του μαγνητισμού

Μια από τις θεμελιακές ιδιότητες ενός ηλεκτρονίου (πέρα από το ότι φέρει φορτίο) είναι ότι έχει μαγνητική διπολική ροπή (magnetic dipole moment), δηλαδή, συμπεριφέρεται ως ένας μικροσκοπικός μαγνήτης. Αυτή η διπολική ροπή προέρχεται από την πιο βασική ιδιότητα του ηλεκτρονίου, δηλαδή ότι έχει ένα κβαντομηχανικό σπιν. Λόγω της κβαντικής του φύσης, το σπιν του ηλεκτρονίου μπορεί να είναι σε μία μόνο από δύο καταστάσεις· με το μαγνητικό πεδίο να δείχνει είτε προς τα "πάνω" είτε προς τα "κάτω" (για οποιαδήποτε επιλογή του πάνω και του κάτω). Το σπιν των ηλεκτρονίων στα άτομα είναι η κύρια πηγή του σιδηρομαγνητισμού, αν και υπάρχει επίσης μια συνεισφορά από την τροχιακή στροφορμή του ηλεκτρονίου γύρω από τον ατομικό πυρήνα. Όταν αυτά τα μαγνητικά δίπολα σε ένα κομμάτι υλικού ευθυγραμμίζονται, (δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση) τα ατομικά μικροσκοπικά μαγνητικά πεδία τους προστίθενται μαζί για να δημιουργήσουν ένα πολύ μεγαλύτερο μακροσκοπικό πεδίο.

Όμως, υλικά που αποτελούνται από άτομα με συμπληρωμένες ηλεκτρονικές στιβάδες έχουν μηδενική ολική διπολική ροπή, επειδή η μαγνητική ροπή κάθε ηλεκτρονίου αναιρείται από την αντίθετη ροπή του δεύτερου δεύτερου ηλεκτρονίου στο ζεύγος. Μόνο τα άτομα με μερικώς συμπληρωμένες στιβάδες (δηλαδή, ασύζευκτα σπιν) μπορούν να έχουν μια καθαρή μαγνητική ροπή, έτσι ο σιδηρομαγνητισμός συμβαίνει μόνο σε υλικά με μερικώς συμπληρωμένες στιβάδες. Λόγω των κανόνων του Χουντ, τα πρώτα λίγα ηλεκτρόνια σε μία στιβάδα τείνουν να έχουν το ίδιο σπιν, αυξάνοντας συνεπώς την ολική μαγνητική ροπή.

Αυτά τα ασύζευκτα δίπολα (που συχνά καλούνται απλώς "σπιν" αν και περιλαμβάνουν γενικά και στροφορμή) τείνουν να ευθυγραμμίζονται παράλληλα σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο, ένα φαινόμενο που λέγεται παραμαγνητισμός. Όμως, ο σιδηρομαγνητισμός εμπεριέχει και ένα πρόσθετο φαινόμενο: Τα δίπολα τείνουν να ευθυγραμμίζονται αυθόρμητα, προκαλώντας μία αυθόρμητη μαγνήτιση (spontaneous magnetization), ακόμα κι όταν δεν υπάρχει εφαρμοσμένο πεδίο.

Αλληλεπίδραση ανταλλαγής

Όταν δύο γειτονικά άτομα έχουν ασύζευκτα ηλεκτρόνια, αν τα σπιν των ηλεκτρονίων είναι παράλληλα ή αντιπαράλληλα επηρεάζει το αν τα ηλεκτρόνια μπορούν να μοιραστούν την ίδια στιβάδα ως αποτέλεσμα του φαινομένου της κβαντικής μηχανικής που λέγεται αλληλεπίδραση ανταλλαγής (exchange interaction). Αυτό με τη σειρά του επηρεάζει τη θέση των ηλεκτρονίων και την (ηλεκτροστατική) αλληλεπίδραση Κουλόμπ (Coulomb) και συνεπώς τη διαφορά ενέργειας μεταξύ αυτών των καταστάσεων. Αυτή η διαφορά ενέργειας μπορεί να είναι τάξεις μεγέθους μεγαλύτερη από τις διαφορές ενέργειας που σχετίζονται με την μαγνητική αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου (magnetic dipole-dipole interaction) λόγω του προσανατολισμού του διπόλου.[10] Ως αποτέλεσμα, σε σιδηρομαγνητικά υλικά, γειτονικά σπιν τείνουν να ευθυγραμμιστούν στην ίδια κατεύθυνση. Σε κάποια οξείδια ημιαγωγών πρόσμιξης η αλληλεπίδραση RKKY (RKKY interaction) έχει επιδείξει ότι προκαλεί περιοδικές μαγνητικές αλληλεπιδράσεις μεγαλύτερης εμβέλειας, ένα σημαντικό φαινόμενο στη μελέτη μαγνητοηλεκτρονικά υλικά.[11]

Η αλληλεπίδραση ανταλλαγής σχετίζεται με την απαγορευτική αρχή του Πάουλι, που λέει ότι δύο ηλεκτρόνια με το ίδιο σπιν δεν μπορούν να έχουν επίσης την ίδια "θέση". Συνεπώς, κάτω από συγκεκριμένες συνθήκες, όταν τα τροχιακά των ασύζευκτων εξωτερικών ηλεκτρονίων σθένους από γειτονικά άτομα επικαλύπτονται, οι κατανομές του ηλεκτρικού τους φορτίου στον χώρο είναι πιο μακριά όταν τα ηλεκτρόνια έχουν παράλληλα σπιν παρά όταν έχουν αντίθετα σπιν. Αυτό μειώνει την ηλεκτροστατική ενέργεια των ηλεκτρονίων όταν τα σπιν τους είναι παράλληλα συγκρινόμενα με την ενέργειά τους ότι τα σπιν τους είναι αντιπαράλληλα, έτσι η κατάσταση των παράλληλων σπιν είναι πιο σταθερή. Με απλούς όρους, τα ηλεκτρόνια, που απωθούνται μεταξύ τους, μπορούν να μετακινηθούν "πιο μακριά" με ευθυγράμμιση των σπιν τους, έτσι τα σπιν αυτών των ηλεκτρονίων τείνουν να ευθυγραμμιστούν. Η διαφορά στην ενέργεια λέγεται ενέργεια ανταλλαγής (exchange energy).

Τα υλικά στα οποία η ενέργεια ανταλλαγής είναι πολύ πιο ισχυρή από την ανταγωνιζόμενη αλληλεπίδραση διπόλου-διπόλου λέγονται συχνά μαγνητικά υλικά. Παραδείγματος χάρη, στον σίδηρο (Fe) η δύναμη ανταλλαγής είναι περίπου 1000 φορές πιο ισχυρή από την αλληλεπίδραση διπόλου. Συνεπώς, κάτω από τη θερμοκρασία Κιρί (Curie) σχεδόν όλα τα δίπολα σε ένα σιδηρομαγνητικό υλικό θα ευθυγραμμιστούν. Η αλληλεπίδραση ανταλλαγής είναι επίσης υπεύθυνη για τους άλλους τύπους αυθόρμητης διάταξης των ατομικών μαγνητικών ροπών που λαμβάνουν χώρα σε μαγνητικά στερεά, στον αντισιδηρομαγνητισμό και τον σιδηριμαγνητισμό.

Υπάρχουν διαφορετικοί μηχανισμοί αλληλεπίδρασης ανταλλαγής που δημιουργούν τον μαγνητισμό σε διάφορες σιδηρομαγνητικές, σιδηριμαγνητικές και αντισιδηρομαγνητικές ουσίες. Αυτοί οι μηχανισμοί περιλαμβάνουν άμεση ανταλλαγή, ανταλλαγή RKKY, διπλή ανταλλαγή και υπερανταλλαγή.

Μαγνητική ανισοτροπία

Αν και η αλληλεπίδραση ανταλλαγής κρατά τα σπιν ευθυγραμμισμένα, δεν τα ευθυγραμμίζει σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση. Χωρίς μαγνητική ανισοτροπία (magnetic anisotropy), τα σπιν σε έναν μαγνήτη αλλάζουν τυχαία κατεύθυνση σε απάντηση των θερμικών διακυμάνσεων (thermal fluctuations) και ο μαγνήτης είναι υπερπαραμαγνητικός (superparamagnetic). Υπάρχουν αρκετά είδη μαγνητικής ανισοτροπίας, με πιο συνηθισμένη την μαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία (magnetocrystalline anisotropy). Αυτή είναι μια εξάρτηση της ενέργειας από την κατεύθυνση της μαγνήτισης ως προς το κρυσταλλογραφικό πλέγμα (crystallographic lattice). Μια άλλη συνήθης πηγή ανισοτροπίας, η αντίστροφη μαγνητοσυστολή (inverse magnetostriction), επάγεται από εσωτερικό τάσεις. Οι μαγνήτες μοναδικής περιοχής (Single-domain magnets) μπορούν επίσης να έχουν μια ανισοτροπία σχήματος (shape anisotropy) λόγω των μαγνητοστατικών φαινομένων του σχήματος του σώματος. Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία του μαγνήτη, η ανισοτροπία τείνει να μειωθεί και υπάρχει συχνά μια θερμοκρασία φραγής στην οποία συμβαίνει μετάβαση σε υπερπαραμαγνητισμό.[12]

Μαγνητικές περιοχές

Ηλεκτρομαγνητική δυναμική μαγνητική κίνηση περιοχής προσανατολισμένου κόκκου ηλεκτρικού πυριτιούχου χάλυβα

Μικρογραφία Κερ (Kerr) μεταλλικής επιφάνειας που εμφανίζει μαγνητικές περιοχές, με κόκκινες και πράσινες λουρίδες που υποδηλώνουν αντίθετες κατευθύνσεις.

Κύριο λήμμα: Magnetic domain

Τα παραπάνω φαίνεται να προτείνουν ότι κάθε κομμάτι σιδηρομαγνητικού υλικού θα πρέπει να έχει ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, αφού όλα τα σπιν είναι ευθυγραμμισμένα, παρ'όλα αυτά ο σίδηρος και άλλοι σιδηρομαγνήτες βρίσκονται συχνά σε μια "μη μαγνητισμένη" κατάσταση. Ο λόγος για αυτό είναι ότι ένα κομμάτι σιδηρομαγνητικού υλικού διαιρείται σε μικροσκοπικά τμήματα που λέγονται μαγνητικές περιοχές (magnetic domains)[13] (γνωστές επίσης ως περιοχές Βάις (Weiss domains)). Μέσα σε κάθε τομέα, τα σπιν ευθυγραμμίζονται, αλλά (αν το υλικό είναι στην χαμηλότερη ενεργειακή του διαμόρφωση, δηλαδή αμαγνήτιστο), τα σπιν των ξεχωριστών τομέων δείχνουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις και τα μαγνητικά τους πεδία ακυρώνονται, έτσι το αντικείμενο δεν έχει καθαρό μαγνητικό πεδίο σημαντικής κλίμακας.

Τα σιδηρομαγνητικά υλικά διαιρούνται αυθόρμητα σε μαγνητικές περιοχές, επειδή η αλληλεπίδραση ανταλλαγής είναι μια δύναμη μικρής εμβέλειας, έτσι σε μεγάλες αποστάσεις πολλών ατόμων επικρατεί η τάση των μαγνητικών διπόλων να μειώνουν την ενέργειά τους προσανατολιζόμενα σε αντίθετες κατευθύνσεις. Αν όλα τα δίπολα σε ένα κομμάτι σιδηρομαγνητικού υλικού ευθυγραμμίζονται παράλληλα, δημιουργείται ένα μεγάλο μαγνητικό πεδίο που επεκτείνεται στον χώρο γύρω του. Αυτό περιέχει πολύ μαγνητοστατική ενέργεια. Το υλικό μπορεί να μειώσει αυτήν την ενέργεια διαιρούμενο σε πολλές περιοχές που δείχνουν σε διαφορετικές κατευθύνσεις, έτσι το μαγνητικό πεδίο περιορίζεται σε μικρά τοπικά πεδία στο υλικό, μειώνοντας την ένταση του πεδίου. Οι περιοχές διαχωρίζονται από λεπτά τοιχώματα περιοχής (Domain walls) έναν αριθμό από μεγάλα μόρια, στα οποία η κατεύθυνση της μαγνήτισης των διπόλων εναλλάσσεται ομαλά από μια κατεύθυνση τομέα σε μια άλλη.

Μαγνητισμένα υλικά

Συνεπώς, ένα κομμάτι σιδήρου στην πιο χαμηλή του ενεργειακή κατάσταση ("αμαγνήτιστο") έχει γενικά μικρό ή καθόλου μαγνητικό πεδίο. Όμως, αν τοποθετηθεί σε ένα αρκετά ισχυρό μαγνητικό πεδίο, τα τοιχώματα περιοχής θα μετακινηθούν, αναπροσανατολίζοντας τις περιοχές, έτσι ώστε περισσότερα δίπολα να ευθυγραμμίζονται με το εξωτερικό πεδίο. Οι περιοχές θα παραμείνουν ευθυγραμμισμένες όταν το εξωτερικό πεδίο αφαιρεθεί, δημιουργώντας ένα δικό του μαγνητικό πεδίο που εκτείνεται στον χώρο γύρω από το υλικό, δημιουργώντας συνεπώς έναν "μόνιμο" μαγνήτη. Οι περιοχές δεν επιστρέφουν στην αρχική ελάχιστη ενεργειακή τους διαμόρφωση όταν αφαιρείται το εξωτερικό πεδίο επειδή τα τοιχώματα περιοχής τείνουν να 'πιαστούν' σε ελαττώματα του κρυσταλλικού πλέγματος, διατηρώντας τον παράλληλο προσανατολισμό τους. Αυτό εμφανίζεται στο φαινόμενο Μπαρκχάουζεν (Barkhausen effect): καθώς το μαγνητίζον πεδίο μεταβάλλεται, η μαγνήτιση αλλάζει σε χιλιάδες μικροσκοπικά ασυνεχή άλματα καθώς τα τοιχώματα περιοχής ξαφνικά "πιάνονται" πέρα από τα ελαττώματα.

Αυτή η μαγνήτιση ως λειτουργία του εξωτερικού πεδίου περιγράφεται από μια καμπύλη υστέρησης (hysteresis curve). Αν και αυτή η κατάσταση των ευθυγραμμισμένων περιοχών που βρίσκεται σε ένα κομμάτι μαγνητισμένου σιδηρομαγνητικού υλικού δεν είναι μια διαμόρφωση ελάχιστης ενέργειας, είναι μετασταθής και μπορεί να επιμένει για μεγάλες περιόδους, όπως φαίνεται από παραδείγματα του μαγνητίτη από τον πυθμένα της θάλασσας που έχει διατηρήσει την μαγνήτισή του για εκατομμύρια χρόνια.

Η θέρμανση και κατόπιν ψύξη (ανόπτηση) ενός μαγνητισμένου υλικού, που υποβάλλεται σε σφυρηλάτηση, ή σε εφαρμογή ενός γρήγορα ταλαντευόμενου μαγνητικού πεδίου από ένα απομαγνητίζον πηνίο, τείνει να απελευθερώσει τα τοιχώματα περιοχής από την καρφιτσωμένη τους κατάσταση και τα όρια της περιοχής τείνουν να επιστρέψουν σε μια χαμηλότερη ενεργειακή διαμόρφωση με μικρότερο εξωτερικό μαγνητικό πεδίο και συνεπώς απομαγνητίζουν το υλικό.

Οι εμπορικοί μαγνήτες κατασκευάζονται από "σκληρά" μαγνητικά υλικά με πολύ μεγάλη μαγνητική ανισοτροπία, όπως alnico και σκληρούς φερρίτες, με πολύ ισχυρή τάση κατεύθυνσης της μαγνήτισης κατά μήκος ενός άξονα του κρυστάλλου, τον "προτιμητέο άξονα". Κατά τη διάρκεια της κατασκευής τα υλικά υφίστανται σε διάφορες μεταλλουργικές διεργασίες σε ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, που ευθυγραμμίζει τους κρυσταλλικούς κόκκους, έτσι ώστε όλοι οι "προτιμητέοι" άξονες μαγνήτισης να δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση. Συνεπώς, η μαγνήτιση και το συνιστάμενο μαγνητικό πεδίο, "δομούνται μέσα" στην κρυσταλλική δομή του υλικού, κάνοντας πολύ δύσκολη την απομαγνήτιση.

Θερμοκρασία Κιρί (Curie)

Καθώς αυξάνεται η θερμοκρασία, η θερμική κίνηση, ή εντροπία, ανταγωνίζεται με τη σιδηρομαγνητική τάση ευθυγράμμισης των διπόλων. Όταν η θερμοκρασία αυξάνεται πέρα από μια συγκεκριμένη τιμή, που λέγεται θερμοκρασία Κιρί, υπάρχει μια δεύτερης τάξης μεταβολή φάσης και το σύστημα δεν μπορεί να διατηρήσει αυθόρμητη μαγνήτιση, έτσι η ικανότητά της να μαγνητίζεται ή να έλκεται από έναν μαγνήτη εξαφανίζεται, αν και εξακολουθεί να ανταποκρίνεται παραμαγνητικά σε ένα εξωτερικό πεδίο. Πέρα από αυτή τη θερμοκρασία, υπάρχει μια αυθόρμητη ρήξη της συμμετρίας (spontaneous symmetry breaking) και οι μαγνητικές ροπές ευθυγραμμίζονται με τις γειτονικές. Η ίδια η θερμοκρασία Κιρί είναι ένα κρίσιμο σημείο, όπου η μαγνητική επιδεκτικότητα είναι θεωρητικά άπειρη και αν και δεν υπάρχει καθαρή μαγνήτιση, οι συσχετίσεις των σπιν των περιοχών παρουσιάζουν διακυμάνσεις σε όλο το εύρος των κλιμάκων.

Η μελέτη των σιδηρομαγνητικών μεταβάσεων φάσεων, ειδικά μέσω του απλοποιημένου μοντέλου σπιν του Ίζινγκ (Ising), είχε μια σημαντική επίπτωση στην ανάπτυξη της στατιστικής φυσικής. Εκεί, αποδείχθηκε για πρώτη φορά καθαρά ότι οι προσεγγίσεις της θεωρίας του μέσου πεδίου (mean field theory) απέτυχαν να προβλέψουν τη σωστή συμπεριφορά στο κρίσιμο σημείο (που βρέθηκε να πέφτει κάτω από μια κλάση καθολικότητας που περιλαμβάνει πολλά άλλα συστήματα, όπως μεταπτώσεις υγρού-αερίου) και έπρεπε να αντικατασταθεί από τη θεωρία της ομάδας ανακανονικοποίησης (renormalization group).

Παραπομπές

Chikazumi, Sōshin (2009). Physics of ferromagnetism. English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr (2nd έκδοση). Oxford: Oxford University Press, σελ. 118. ISBN 9780199564811.
Bozorth, Richard M. Ferromagnetism, first published 1951, reprinted 1993 by IEEE Press, New York as a "Classic Reissue." ISBN 0-7803-1032-2.
Herrera, J. M.; Bachschmidt, A; Villain, F; Bleuzen, A; Marvaud, V; Wernsdorfer, W; Verdaguer, M (13 January 2008). «Mixed valency and magnetism in cyanometallates and Prussian blue analogues». Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences 366 (1862): 127–138. doi:10.1098/rsta.2007.2145. Bibcode: 2008RSPTA.366..127H.
Kittel, Charles (1986). Introduction to Solid State Physics (sixth έκδοση). John Wiley and Sons. ISBN 0-471-87474-4.
Lander GH, Lam DJ (1976). «Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state». Phys. Rev. B 14 (9): 4064–7. doi:10.1103/PhysRevB.14.4064. Bibcode: 1976PhRvB..14.4064L.
Aldred AT, Dunlap BD, Lam DJ, Lander GH, Mueller MH, Nowik I (1975). «Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn2, NpFe2, NpCo2, and NpNi2». Phys. Rev. B 11 (1): 530–44. doi:10.1103/PhysRevB.11.530. Bibcode: 1975PhRvB..11..530A.
Mueller MH, Lander GH, Hoff HA, Knott HW, Reddy JF (Apr 1979). «Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe2, and NpNi2». J Phys Colloque C4, supplement 40 (4): C4–68–C4–69.
G-B Jo, Y-R Lee, J-H Choi, C. A. Christensen, T. H. Kim, J. H. Thywissen, D. E. Pritchard, and W. Ketterle (2009). «Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms». Science 325 (5947): 1521–1524. doi:10.1126/science.1177112. PMID 19762638. Bibcode: 2009Sci...325.1521J.
Feynman, Richard P.; Robert Leighton; Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol.2. USA: Addison-Wesley, σελ. Ch. 37.
Chikazumi, Sōshin (2009). Physics of ferromagnetism. English edition prepared with the assistance of C.D. Graham, Jr (2nd έκδοση). Oxford: Oxford University Press, σελ. 129–130. ISBN 9780199564811.
Assadi, M.H.N; Hanaor, D.A.H (2013). «Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO2 polymorphs». Journal of Applied Physics 113 (23): 233913. doi:10.1063/1.4811539. Bibcode: 2013JAP...113w3913A.
Aharoni, Amikam (1996). Introduction to the Theory of Ferromagnetism. Clarendon Press. ISBN 0-19-851791-2.

Feynman, Richard P.; Robert B. Leighton; Matthew Sands (1963). The Feynman Lectures on Physics, Vol. I. USA: California Inst. of Technology, σελ. 37.5–37.6.

Εξωτερικοί σύνδεσμοι

Electromagnetism – a chapter from an online textbook
Sandeman, Karl (January 2008). «Ferromagnetic Materials». DoITPoMS. Dept. of Materials Sci. and Metallurgy, Univ. of Cambridge. Ανακτήθηκε στις 2008-08-27. Detailed nonmathematical description of ferromagnetic materials with animated illustrations

Magnetism: Models and Mechanisms in E. Pavarini, E. Koch, and U. Schollwöck: Emergent Phenomena in Correlated Matter, Jülich 2013, ISBN 978-3-89336-884-6

Εγκυκλοπαίδεια Φυσικής

Κόσμος

Αλφαβητικός κατάλογος

Hellenica World - Scientific Library

Από τη ελληνική Βικιπαίδεια http://el.wikipedia.org . Όλα τα κείμενα είναι διαθέσιμα υπό την GNU Free Documentation License