Diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism

Ferro-, para- ja diamagnetismi eristamise diagramm

Kas materjal on ferromagnetiline, paramagnetiline või diamagnetiline, saab kiiresti kindlaks teha järgmise diagrammi abil.

Diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism: magnetiseerituse avaldumisvormid

Kui materjal puutub kokku välise magnetväljaga, toimub materjali magnetiseerimine. Selle magnetiseerituse suund ja tugevus põhinevad materjali sisemistel omadustel ning neid iseloomustatakse mõistetega diamagnetism, paramagnetism ja ferromagnetism. On teada ka muid magnetismi liike (nt ferrimagnetism), millele siin lähemalt ei keskenduta.

Aine magnetiseerimine välises väljas, s.t materjali elementaarmagnetite joondumine, võib olla välisele magnetväljale vastupidine või samasuunaline. Kui magnetiseeritus on välisele väljale vastupidine, räägitakse diamagnetismist. Paramagnetilistes kehades on magnetiseeritus välise magnetväljaga samasuunaline. Ferromagnetilistes materjalides on magnetiseeritus välise magnetväljaga samasuunaline ja elektronspinide erilise vastastikmõju, nn vahetusvastasmõju tõttu eriti tugev. Ferromagnetiliste ainete magnetiseeritus on üldjuhul sama välise magnetvälja korral märgatavalt suurem kui paramagnetiliste ainete magnetiseeritus. Toatemperatuuril on siiski ainult elemendid raud, nikkel ja koobalt ferromagnetilised. Lisaks leidub ferromagnetilisi sulameid ja ühendeid ning elemente, mis muutuvad madalatel temperatuuridel ferromagnetilisteks. Väga kõrgetel temperatuuridel muutuvad kõik ferromagnetilised ained paramagnetilisteks, sest siis on elektronide soojusenergia suurem kui vahetusvastasmõju ning elektronspinide paralleelne joondumine häirub. Selle ülemineku jaoks on iseloomulik temperatuur, nn Curie temperatuur.

Ferromagnetiliste ainete magnetiseeritus säilib osaliselt ka pärast välise magnetvälja väljalülitamist. Seda jääkmagnetiseeritust nimetatakse remanentsiks.

Diamagnetismi, paramagnetismi ja ferromagnetismi vaatlemine

Erinevalt diamagnetismist ja paramagnetismist on ferromagnetismi igapäevaelus lihtne märgata. Ferromagnetilised ained tõmbuvad magnetväljade poole silmanähtavalt tugevasti. Nii püsib magnet ferromagnetilise omadusega rauast seinal, kuid mitte plastist seinal, mis on enamasti diamagnetiline.

Magnetväljade ning paramagnetiliste ja diamagnetiliste ainete vastastikmõju on väga nõrk, mistõttu seda ei ole igapäevaelus otseselt märgata.

Paramagnet (nt hapnik) tõmbub sarnaselt ferromagnetile (nt raud) magnetvälja poole. Ainult et tõmbejõud on mitu miljonit korda nõrgem. Diamagnet (nt vesi) seevastu tõrjutakse magnetväljast eemale, kui ta magnetvälja viiakse, kuid samuti peaaegu tajumatult nõrgalt. tõrjuv jõud magnetväljade ja diamagnetiliste ainete vahel on tugev ainult ülijuhtide korral. Seetõttu nimetatakse ülijuhtisid ka "täiuslikeks diamagnetiteks". Need näitavad magnetiseeritust, mis tõrjub ülijuhis oleva siseruumi magnetilise vootiheduse täielikult välja. Üliujuht hõljub isegi magneti kohal tänu diamagnetilisele tõrjuvale toimele.

Magnetiline permeaablus magnetiseerituse tugevuse kirjeldamiseks

Magnetiseerituse tugevuse kirjeldamiseks tuuakse sisse magnetiline permeaablus μ. Lihtsustatult võib ette kujutada, et permeaablus μ näitab tegurit, millega materjali mõju tõttu magnetiline vootihedus suureneb või väheneb. Nii on magnetiline vootihedus B aine juuresolekul permeaablusega μ võrreldes vaakumi magnetilise vootihedusega B₀:

B = μ • B₀

Magnetväli omakorda on välise langeva magnetvälja H₀ (mis esineks samuti vaakumis) ja magnetiseerituse M summa: H = H₀ + M

Selle magnetvälja aine juuresolekul saadakse samuti vaakumvälja korrutamisel permeaablusega μ: H = μ • H₀

Seega kehtib magnetiseerituse jaoks:

M = H - H₀ = μ • H₀ - H₀ = (μ - 1) • H₀

Aine magnetiseeritus M langeva (vaakumi) magnetvälja H₀ korral on seega:

M = (μ - 1) • H₀

Tegurit (μ - 1) nimetatakse ka magnetiliseks vastuvõtlikkuseks χ ja sellest järeldub: M = χ • H₀

Vaakumi permeaablus on μ = 1. Seega vaakum ei reageeri üldse magnetväljale. Vaakumi magnetiseeritus M on null. Samuti on null selle magnetiline vastuvõtlikkus χ. Paramagnetilistel ainetel on permeaablus, mis on veidi suurem kui 1. Paramagnetide magnetiline vastuvõtlikkus on veidi suurem kui null. Diamagnetiliste ainete permeaablus on veidi väiksem kui 1, vastuvõtlikkus vastavalt väiksem kui null. Ülijuhis on magnetiline permeaablus μ = 0 ja vastuvõtlikkus χ = -1. Seega magnetvoog ei tungi enam üldse ülijuhisse. Võib ka ette kujutada, et ülijuhites on magnetiseeritus võrdne välise langeva väljaga, kuid vastassuunaline. Seepärast kompenseeritakse väline väli ülijuhis. Ferromagnetitel võivad permeaabluse arvväärtused olla väga suured. Raual võib μ ulatuda kuni 10 000-ni, erilised ferromagnetilised metallid, mille aatomite paigutus on eriliselt tekitatud, saavutavad väärtusi kuni μ = 150 000.

Eeldus, et permeaablus on iga aine jaoks lihtsalt konstant, on siiski vaid ligikaudistus. Seda on näha hüstereesikõveral. Tegelikult ei järgi materjali magneetumine lineaarselt langevat magnetvälja (või langevat vootihedust). Seos on keerukam ja sõltub lisaks veel aine „eelloost“. Kui aine on juba magnetiseeritud, käitub see välises väljas teisiti kui sama, kuid magnetiseerimata materjal. Lineaarne valem M = χ • H₀ on seetõttu ligikaudne.

Füüsikaline käsitlus

Di-, para- ja ferromagnetismi füüsikalise põhjuse mõistmiseks võib ette kujutada, et iga aine koosneb aatomitest, milles on aatomituumad ja elektronid.

Kui nüüd rakendatakse välist magnetvälja, indutseeritakse selle magnetvälja mõjul elektronide liikumised, s.t voolud. Lenzi reegli kohaselt on need voolud suunatud nii, et nad mõjuvad oma põhjusele vastu. Seetõttu on indutseeritud magnetilised momendid, räägitakse ka indutseeritud magnetilisest polarisatsioonist, suunatud nii, et aine tervikuna tõrjutakse nõrgalt välisest magnetväljast välja, s.t ilmnevad diamagnetilised omadused.

Iga aine on pisut diamagnetiline. Siiski võib juhtuda, et lisanduvad paramagnetilised või koguni ferromagnetilised omadused katavad aine diamagnetismi. Para- või ferromagnetism tekib täpselt siis, kui aine iga aatomi kogu elektronkatte elektronidel on resultantne koguspinn. Üksikud elektronid omavad alati niinimetatud "spinni", mis kannab magnetmomenti. Paljudes materjalides kompenseeruvad elektronide spinnid paarikaupa. Need materjalid on siis diamagnetilised. Kui aga igal aatomil on paaritu arv elektrone, ei saa elektronide spinnid igas üksikus aatomis paarikaupa teineteist kompenseerida. Siis on igal aatomil koos oma elektronidega resultantne koguspinn viimase "paaritu" elektroni tõttu. Need materjalid on para- või ferromagnetilised.

Resultantsete spinnide aatomilised magnetmomendid on aatomite liikumise tõttu ühtlaselt jaotunud kõikidesse ruumisuundadesse, nii et kõigi elementaarmagnetite magnetväljad kompenseerivad üksteist ning aine näib väliselt mittemagnetiline.

Kõigi aatomite resultantseid koguspinne joondab aga väline magnetväli. Kõigi elementaarmagnetite põhjanabal suundub siis välise välja lõunanaba poole ja vastupidi. Sel juhul käitub proov ise nagu magnet ja teda tõmbab väline magnetväli. Samaaegselt indutseeritud ringvoolud, mis on Lenzi reegli kohaselt oma põhjusele (välisele magnetväljale) vastassuunalised, on paramagnetilistes ja ferromagnetilistes ainetes nõrgemad kui joondunud elementaarmagnetite efekt, nii et indutseeritud ringvoolude tõukav toime jääb joondunud elementaarmagnetite tõmbejõule alla. See on para- ja ferromagnetismi põhjus.

Ferromagnetis toimub elektronspinnide stabiliseerumine vahetusvahetoime kaudu. Vahetusvahetoime on ferromagnetites eriti tugev. Iga elementaarmagneti suunastus stabiliseerub lisaks. See toob sageli kaasa mitmekümneid kordi kuni miljoneid kordi tugevama tõmbejõu. Seetõttu jääb materjal märgatavalt magnetiliseks ka siis, kui väline magnetväli välja lülitatakse (remanents). Paramagnetides on vahetusvahetoime väiksem kui aatomspinnide soojusenergia.

Demagnetiseerimine kuumusega

Kui magnetiseeritud ferromagnetit tugevalt kuumutada (üle Curie temperatuuri), kaob ferromagnetism, sest temperatuuri tõus viib tugevama aatomite liikumiseni koos elektronkatte üksikute resultantsete koguspinnidega. See liikumine hävitab elektronspinnide vastastikuse sidestuse vahetusvahetoime kaudu, kuna juurdelisatud soojusenergia ületab elektronspinnide sidemeenergia. Keha muutub siis Curie temperatuuri kohal paramagnetiks. Ka tugevad põrutused või vastassuunaline väline väli võivad ferromagneti remanentsi kõrvaldada, st viia demagnetiseerimiseni. Aine jääb seejärel siiski ferromagnetiliseks ja seda saab uuesti magnetiseerida. Ka kuumutatud aine muutub taas ferromagnetiliseks, kui see jahtub alla Curie temperatuuri.