Ferrimanyetizma - Ferrimagnetism

Ferrimanyetik sıralama

Bir ferrimanyetik malzeme, antiferromanyetizmada olduğu gibi, zıt manyetik momentlere sahip atom popülasyonlarına sahip bir malzemedir . Ferrimanyetik malzemeler için bu momentler büyüklük olarak eşit değildir, bu nedenle kendiliğinden bir manyetizasyon kalır. Bu, örneğin popülasyonlar farklı atomlardan veya iyonlardan oluştuğunda (Fe 2+ ve Fe 3+ gibi ) olabilir.

Ferrimanyetizma genellikle ferromanyetizma ile karıştırılmaktadır . Bilinen en eski manyetik madde manyetiti (Fe 3 O 4 ), Louis Néel 1948'de ferrimanyetizmayı keşfetmeden önce bir ferromanyet olarak sınıflandırılmıştı . Keşfinden bu yana, sabit disk plakaları ve biyomedikal uygulamalar gibi ferrimanyetik malzemeler için sayısız kullanım bulundu .

Tarih

Yirminci yüzyıla kadar, doğal olarak manyetik olan tüm maddelere ferromıknatıs denirdi. 1936'da Louis Néel , antiferromanyetizma adını verdiği yeni bir kooperatif manyetizma biçiminin varlığını öneren bir makale yayınladı. Fransız fizikçi Charles Guillaud, Mn 2 Sb ile çalışırken mevcut manyetizma teorilerinin malzemenin davranışını açıklamak için yeterli olmadığını keşfetti ve davranışı açıklamak için bir model yaptı. 1948'de Néel, Guillaud'un modelindeki varsayımlara dayanan üçüncü tip bir kooperatif manyetizma hakkında bir makale yayınladı. Buna ferrimanyetizma adını verdi. 1970 yılında Néels, manyetizma alanındaki çalışmaları nedeniyle Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü .

Fiziksel köken

➀ Manyetizasyon kompanzasyon noktasının altında, ferrimanyetik malzeme manyetiktir. ➁ Kompanzasyon noktasında manyetik bileşenler birbirini yok eder ve toplam manyetik moment sıfırdır. ➂ Curie sıcaklığının üzerinde malzeme manyetizmasını kaybeder.

Ferrimanyetizma, ferromanyetizma ve antiferromanyetizma ile aynı fiziksel kökene sahiptir . Ferrimanyetik malzemelerde manyetizasyona ayrıca dipol-dipol etkileşimlerinin ve Pauli dışlama ilkesinden kaynaklanan değişim etkileşimlerinin bir kombinasyonu neden olur . Temel fark, ferrimanyetik malzemelerde, malzemenin birim hücresinde farklı türde atomların bulunmasıdır . Bunun bir örneği sağdaki şekil görülebilir. Burada daha küçük bir manyetik momente sahip atomlar, daha büyük momentlerin zıt yönünü gösterir. Bu düzenleme, antiferromanyetik malzemelerde mevcut olana benzer, ancak ferrimanyetik malzemelerde, karşıt momentlerin büyüklükleri farklı olduğundan net moment sıfır değildir.

Ferrimanyetlerin, tıpkı ferromanyetlerin yaptığı gibi paramanyetik hale geldikleri kritik bir sıcaklığı vardır. Bu sıcaklıkta ( Curie sıcaklığı olarak adlandırılır ) ikinci dereceden bir faz geçişi vardır ve sistem artık kendiliğinden bir manyetizasyonu sürdüremez. Bunun nedeni, daha yüksek sıcaklıklarda termal hareketin, dipollerin hizalanma eğilimini aşacak kadar güçlü olmasıdır.

türetme

En basiti ortalama alan teorisi olan ferrimagnetleri tanımlamanın çeşitli yolları vardır . Ortalama alan teorisinde atomlara etki eden alan şu şekilde yazılabilir:

Burada bir manyetik alan uygulandığında alan ve atomlar arasındaki etkileşimlerin neden olduğu bir alandır. O zaman aşağıdaki varsayım:

İşte kafesin ortalama manyetizasyonu ve moleküler alan katsayısıdır. Konum ve yönelime bağlı olmasına izin verdiğimizde ve buna bağlı olduğumuzda, bunu şu şekilde yazabiliriz:

İşte saha oyunculuk i üzerindedir inci altyapı ve ben arasındaki moleküler alan katsayısı olan inci ve k inci alt yapı. İki atomlu bir kafes için A ve B olmak üzere iki tür bölge belirleyebiliriz . Birim hacim başına manyetik iyonların sayısını , A bölgelerindeki manyetik iyonların payını ve B bölgelerindeki kesri belirleyebiliriz. Bu daha sonra şunları verir:

Yapılar aynı olmadıkça bu ve bu gösterilebilir . paralel bir hizalama yana ve süre, iyilik bir anti-paralel hizalaması. Ferrimagnetler için, , pozitif bir miktar olarak almak ve eksi işaretini açıkça önüne yazmak uygun olacaktır . A ve B'deki toplam alanlar için bu, aşağıdakileri verir:

Ayrıca biz parametreleri tanıtacak ve hangi etkileşimlerin güçlü arasındaki oranı verir. Sonunda azaltılmış manyetizasyonları tanıtacağız:

ile i çevrintisinden inci elemanı. Bu daha sonra alanlar için verir:

Bu denklemlerin çözümleri (burada atlanmıştır) daha sonra şu şekilde verilmektedir:

burada bir Brillouin fonksiyonu . Şimdi çözülmesi en basit durum . beri . Bu daha sonra aşağıdaki denklem çiftini verir:

ile ve . Bu denklemlerin bilinen bir analitik çözümü yoktur, bu nedenle sıcaklık bağımlılığını bulmak için sayısal olarak çözülmeleri gerekir .

sıcaklığın etkileri

Ferromanyetizmanın aksine, ferrimanyetizmanın manyetizasyon eğrilerinin şekilleri, etkileşimlerin gücüne ve atomların göreli bolluğuna bağlı olarak birçok farklı şekil alabilir. Bu özelliğin en dikkate değer örnekleri, bir ferrimanyetik malzemeyi mutlak sıfırdan kritik sıcaklığına ısıtırken manyetizasyon yönünün tersine dönebilmesi ve bir ferrimanyetik malzemeyi kritik sıcaklığa ısıtırken manyetizasyon kuvvetinin artabilmesidir, her ikisi de gerçekleşemez. ferromanyetik malzemeler için Bu sıcaklık bağımlılıkları, NiFe 2/5 Cr 8/5 O 4 ve Li 1/2 Fe 5/4 Ce 5/4 O 4'te deneysel olarak da gözlemlenmiştir .

Curie sıcaklığından daha düşük , ancak karşıt manyetik momentlerin eşit olduğu (net manyetik momentin sıfır olmasıyla sonuçlanan) bir sıcaklığa manyetizasyon kompanzasyon noktası denir. Bu telafi noktası, granatlarda ve nadir toprak-geçiş metali alaşımlarında (RE-TM) kolayca gözlenir. Ayrıca, ferrimagnetler , net açısal momentumun kaybolduğu bir açısal momentum telafi noktasına da sahip olabilir . Bu kompanzasyon noktası, manyetik bellek cihazlarında yüksek hızlı manyetizasyonun tersine çevrilmesi için çok önemli bir noktadır.

Dış alanların etkisi

Teorik modeli ve mıknatıslanma m karşı manyetik alan h . Orijinden başlayarak yukarı doğru olan eğri, ilk manyetizasyon eğrisidir . Doygunluktan sonraki aşağı doğru eğri, alt getiri eğrisi ile birlikte ana döngüyü oluşturur . Kesişir s c ve m, rs olan koersivite ve doygunluk mıknatıslı .

Ferrimanyetler harici bir manyetik alana maruz kaldıklarında , manyetik davranışın mıknatısın geçmişine bağlı olduğu manyetik histerezis denilen şeyi gösterirler . Ayrıca doygunluk manyetizasyonu sergilerler ; bu manyetizasyona, dış alan, tüm momentlerin aynı yönde hizalanmasını sağlayacak kadar güçlü olduğunda ulaşılır. Bu noktaya ulaşıldığında, hizalanacak daha fazla moment olmadığından manyetizasyon artamaz. Dış alan kaldırıldığında, ferrimagnetin manyetizasyonu kaybolmaz, ancak sıfırdan farklı bir manyetizasyon kalır. Bu etki genellikle mıknatıs uygulamalarında kullanılır. Daha sonra ters yönde bir dış alan uygulanırsa, mıknatıs, sonunda bir manyetizasyona ulaşana kadar daha fazla demanyetize olacaktır . Bu davranış, histerezis döngüsü denen şeyle sonuçlanır .

Özellikler ve kullanımlar

Ferrimanyetik malzemeler yüksek dirençliliğe ve anizotropik özelliklere sahiptir. Anizotropi aslında bir dış uygulanan alan tarafından indüklenir. Uygulanan bu alan manyetik dipollerle hizalandığında, net bir manyetik dipol momentine neden olur ve manyetik dipollerin , Larmor veya presesyon frekansı olarak adlandırılan, uygulanan alan tarafından kontrol edilen bir frekansta ilerlemesine neden olur . Özel bir örnek olarak, bu presesyonla aynı yönde dairesel olarak polarize edilmiş bir mikrodalga sinyali , manyetik dipol momentleri ile kuvvetli bir şekilde etkileşime girer ; ters yönde polarize olduğunda etkileşim çok düşüktür. Etkileşim güçlü olduğunda mikrodalga sinyali materyalden geçebilir. Bu yön özelliği, izolatörler , sirkülatörler ve jiratörler gibi mikrodalga cihazlarının yapımında kullanılır . Ferrimanyetik malzemeler ayrıca optik izolatörler ve sirkülatörler üretmek için kullanılır . Çeşitli kaya türlerindeki ferrimanyetik mineraller, Dünya'nın ve diğer gezegenlerin eski jeomanyetik özelliklerini incelemek için kullanılır. Bu çalışma alanı paleomanyetizma olarak bilinir . Ayrıca manyetit gibi ferrimanyetlerin termal enerji depolaması için kullanılabileceği gösterilmiştir .

Örnekler

Bilinen en eski manyetik malzeme olan manyetit , ferrimanyetik bir maddedir. Tetrahedral ve oktahedral kristal yapısı sergi karşısındaki spin siteleri. Bilinen diğer ferrimanyetik malzemeler arasında itriyum demir granat (YIG); alüminyum , kobalt , nikel , manganez ve çinko gibi diğer elementlerle birlikte demir oksitlerden oluşan kübik ferritler ; ve PbFe olarak altıgen ferritler 12 O 19 ve BaFe 12 O 19 ve pirotit , Fe 1-x S.

Ferrimanyetizma, tek moleküllü mıknatıslarda da meydana gelebilir . Klasik bir örnek, Mn(IV) metal merkezleri ile Mn(III) ve Mn(II) metal merkezleri üzerindeki antiferromanyetik etkileşimden türetilen etkili bir spin S = 10'a sahip bir dodekanükleer manganez molekülüdür .

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar