Anyagok mágneses tulajdonságai

Az anyagok mágneses tulajdonságai

A minden anyagban jelen lévő diamágnesességtől eltérő mágneses tulajdonságok a párosítatlan elektronok kölcsönhatásából erednek. Ezek a tulajdonságok hagyományosan az átmeneti fémekben, a lantanidákban és vegyületeikben találhatók meg a párosítatlan d és f elektronok miatt. A mágneses viselkedésnek három általános típusa van: a paramágnesesség, amelyben a párosítatlan elektronok véletlenszerűen helyezkednek el, a ferromágnesesség, amelyben a párosítatlan elektronok mind egy vonalban vannak, és az antiferromágnesesség, amelyben a párosítatlan elektronok egymással szemben sorakoznak. A ferromágneses anyagoknak összességében mágneses nyomatéka van, míg az antiferromágneses anyagok mágneses nyomatéka nulla. Egy vegyületet ferrimágnesesnek nevezünk, ha az elektronok spinjei egymással ellentétes irányban helyezkednek el, de az egyes orientációkban lévő spinek számának egyenlőtlensége miatt létezik egy teljes mágneses momentum. Vannak olyan erősen ferromágneses (spin-üvegszerűnek nevezett) anyagok is, amelyekben az antiferromágneses anyagokban a spinek egymáshoz igazított zsebeiben vannak (1. ábra).

1. ábra. A mágnesesség típusai: (A) paramágnesesség (B) ferromágnesesség (C) antiferromágnesesség (D) ferrimágnesesség (E) kényszerített ferromágnesesség

Az anyagok mágneses jellegét jellemzően a mágneses szuszceptibilitás (χ) alapján elemzik. A mágneses szuszceptibilitás a mágnesezettség (M) és a mágneses tér (H) aránya. Egy vegyület mágneses viselkedésének típusát a χ értéke alapján lehet meghatározni (1. táblázat a mágneses viselkedés összehasonlítása a χ értékével, és 2. táblázat néhány gyakori paramágneses anyag szuszceptibilitása).

A mágneses viselkedés típusát a χ értékével lehet meghatározni.

1. táblázat. Mágneses viselkedés a mágneses szuszceptibilitás értékeihez képest

Érték χ
Diamágneses	kicsi és negatív
Paramágneses	kicsi és pozitív
Ferromágneses	nagy és pozitív
Antiferromágneses
Mágneses	kicsi és pozitív

2. táblázat. Néhány gyakori paramágneses anyag tömegérzékenysége [emu = elektromágneses egység (10-3amp-m2), Oe = Oersted 103-4 š-1-amp-m-1)].

Vegyület/elem<<.../a>	Formulák	Tömegérzékenység (χm) (m3/kg)	Tömegérzékenység (χm) (m3/kg)	Tömegérzékenység (χm)) (emu/Oe-g) x 10-3
Cerium	Ce	64.84	5.160
Króm(III)-oxid	Cr2O3	24.63	1.960
Kobalt(II)-oxid	CoO	61.57	4,900
Dysprosium	Dy	1301	103.500
Dysprosium-oxid	Dy2O3	1126	89.600
Erbium	Er	556.7	44,300
Erbium-oxid	Er2O3	928.9	73.920
Europium	Eu	427.3	34.000
Europium-oxid	Eu2O3	126.9	10.100
Gadolinium	Gd	9488	755.000
Gadolinium-oxid	Gd2O3	668.5	53.200
Vas(II)-oxid<	FeO	90.48	7.200
Vas(III)-oxid	Fe2O3	45.06	3,586
Vas(II)-szulfid<	FeS	13.5	1,074
Neodímium	Nd	70.72	5,628
Neodímium-oxid	Nd2O3	128.2	10.200
Kálium-szuperoxid	KO2	40.59	3.230
Praseodímium	Pr	62.96	5.010
Samarium	Sm	28.02	2.230
Samarium-oxid	Sm2O3	24.98	1,988
Terbium	Tb	1822	146.000
Terbium-oxid	Tb2O3	984.4	78.340
Thulium	Tm	320.4	25.500
Thulium-oxid	Tm2O3	646.5	51,444
Vanádium-oxid	V2O3	24.83	1.976

Az antiferromágneses anyagokat abban lehet megkülönböztetni a paramágneses anyagoktól, hogy a χ értéke a hőmérséklettel nő, míg a χ értéke a paramágneses vegyületek esetében nem változik, vagy csökken a hőmérséklet emelkedésével. A ferromágneses és antiferromágneses anyagok elveszítik mágneses jellegüket és paramágnesessé válnak, ha kellően felmelegítik őket. Azt a hőmérsékletet, amelyen ez bekövetkezik, ferromágneses vegyületek esetében Curie-hőmérsékletként (Tc), antiferromágneses vegyületek esetében pedig Néel-hőmérsékletként (TN) határozzák meg. Egyes anyagok, különösen a későbbi lantanidák, a hőmérséklet csökkenésével paramágnesesből antiferromágnesesből ferromágnesessé válnak (3. táblázat).

3. táblázat. Néhány lantanid Curie- és Néel-hőmérséklete.

	Curie hőmérséklet	Néel hőmérséklet	urie hőmérséklet	Néel Temperature
Metal	TC (°C)	TN (°C)	TC (K)	TN (K)
Ce		-260.65		12.5
Pr		-248	25
Nd		-254		19
Sm		-258.35		14.8
Eu		-183		90
Gd	20		293
Tb	-51	-44	222	229
-188	-94	85	179
Ho	-253	-253	-142	20	131
Er	Er	-253	-189	20	84
Tm	-248	-217	25	56

A mágneses anyagoknak számos egyedi tulajdonsága van, amelyeket kihasználnak. A változó mágneses mezők elektromos feszültséget indukálnak, ami a mágneses anyagokat szinte minden elektromos generátor központi elemévé teszi. A mágneses anyagok emellett a számítógépek, érzékelők, aktuátorok és számos távközlési eszköz - a telefonoktól a műholdakig - információtárolásának alapvető összetevői.

Egyes anyagok, az úgynevezett lágymágneses anyagok, csak akkor mutatnak mágneses tulajdonságokat, ha mágnesező erőnek, például változó elektromos térnek vannak kitéve. A lágy ferromágneses anyagok ezek közül a legelterjedtebbek, mivel ezeket széles körben használják mind a váltakozó-, mind az egyenáramú áramkörökben az elektromos fluxus felerősítésére. A mágneses nanoporok nagy ígéretet mutattak a fejlett lágy mágneses anyagok terén.2 A magnetokalorikus anyagok mágneses tér jelenlétében felmelegednek, majd lehűlnek, amikor eltávolítják őket a mágneses térből. A tiszta vas például 0,5 - 2,0 °C/Tesla hőmérsékletet változik. Újabban a Gd5SixGe1-x képletű ötvözetek (ahol x = 0 - 5) 3 - 4 °C/Tesla változást mutatnak.3,4 Néhány nanomágneses anyag jelentős magnetokalorikus tulajdonságokat mutat.