Ferromagnetisme – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

11. august 2008

Ferromagnetisme

Hej Spørg om Fysik
Tak for de mange gode og grundige svar.

Magnetiske materialer beskrives som stoffer med uparrede elektroner f. eks. Fe med 4 uparret elektroner i 4d.

Hvad er grunden til, at beskrivelse med de uparrede elektroner ikke passer på andre stoffer end Fe, Co, Ni og lanthaniderne? F.eks. Cr har én uparret elektron i 4s og fem uparrede elektroner i 3d.

Kan det enkelte atom betragtes som et domæne?

Hvilke forhold gør sig gældende omkring uparrede elektroner i magnetiske legeringer f.eks. CrO2 eller CoSm?

Venlig hilsen
T C

De stoffer du nævner er ferromagnetiske ved passende temperaturer, af grundstoffer er de ferromagnetiske f.eks.

Jern (Fe) 1043 K, cobalt (Co) 1388 K, nikkel (Ni) 627 K, gadolinium (Gd) 292 K, dysprosium (Dy) 85 K. Temperaturerne bagved er de såkaldte Curie temperaturer, under disse er de pågældende stoffer ferromagnetiske.  Ved Curie temperaturen ophører den ferromagnetiske tilstand.

Det passer altså på andre stoffer og legeringer

Chrom derimod er antiferromagnetisk dvs. der er to undergitre med hver sin magnetisering (naboatomer har modsat magneticering) og de udviser ikke magnetisme indtil en bestemt temperatur for Chrom 308 K som overgangstemperatur (Néel temperatur, Louis Eugène Félix Néel (1904 -2000). Over denne temperatur virker det som et ferromagnetisk stof.

Der findes også såkaldt ferrimagnetiske stoffer, som er magnetiske under Curie temperaturen, men hvor polerne vendes ved en bestemt temperatur under Curietemperaturen (igen Néel temperatur), så polerne ligger omvendt af den oprindelige magnetisering. Antiferromagnetiske stoffer er et specialtilfælde af ferrimagnetiske stoffer, bare har de antiferromagnetiske stoffer præcis ens magnetisme fra de to undergitre under Néel temperaturen.

Af de svar der refereres ovenfor fremgår det også, at der kan være flere grunde til magnetiseringen. Der findes også andre magnetiseringsmønstre f.eks. i spiraler osv.

Ferromagnetiske stoffer 

I ferromagnetiske stoffer sker der det (i en klassisk fremstilling), at hvert atom virker som en lille magnetnål. Disse "magnetnåle" påvirker hinanden. Stoffet vil søge at indtage den energitilstand, der er lavest (som når man lægger et par stålkugler på et skrånende gulv. De vil løbe ned ad bakke, til det laveste punkt de kan nå).

Denne laveste energitilstand nås ved, at grupper af "magnetnåle" stiller sig i ens retninger i et såkaldt domæne. Et nabodomæne har så en gruppe, der står i en anden retning osv. Ved domænevæggene sker der så en pludselig vinkelændring.

Placeringen af domænevægge bestemmes af minimal energi, men det der som oftest fastlægger dem, er fejl i krystallen, fremmedatomer og andre uregelmæssigheder. Der er altid fremmedatomer i de fleste legeringer, ser vi på det almindeligste, jern, er der kul (C), ofte tilsættes mangan (Mn) eller nikkel (Ni). Det er disse tilsætninger på få procent der bestemmer jernets egenskaber og som tilpasses til det formål, jernet skal anvendes til. Hærdning dvs. pludselig afkøling giver også krystalfejl som kan fastholde domænevægge.

Varmes jernet op til Curie temperaturen, forsvinder domænestrukturen, den kommer igen ved afkøling. Sker afkølingen langsomt, vil der dannes domæner, som stort set ophæver hinanden ved at være modsat rettede, og jernet er næsten umagnetisk. Kommer man et sådan stykke jern i et stigende magnetfelt, vil de domæner der har magnetisering forskellig fra feltets retning drejes eller blive mindre, de der er med feltretningen bliver større. Det sker i spring, idet domænevægge pludselig flytter sig større stykker (med en pick up spole kan det høres som knasen og kaldes Barkhausen effekt, (Heinrich Georg Barkhausen 1881 - 1956).

Denne proces fortsætter indtil stort set alle "magnetnåle" peger i samme retning. Fjerner man så igen det ydre magnetfelt, vender en del domæner til andre retninger, men der bliver en magnetisering tilbage, som har det oprindelige felts retning. Det er denne magnetisering man gør brug af i permanente magneter. Vendes feltet modsat vil magnetiseringen først aftage til nul, derefter vokse modsat, og så ellers  fortsætte som ovenfor. Man kan også ændre (mindske) magnetiseringen af et jernstykke ved at slå på det med en hammer. Dette kan lade domænerne springe til nye stillinger med lavere energi.

For at svare på det direkte spørgsmål:  En fysiker anser et domæne for at være en større gruppe atomer ("magnetnåle") med samme orientering, så et atom tæller ikke, det gør det heller ikke i praksis, der vil være mange enkeltatomer, som er galt orienteret.

Jeg mener også at det sidste spørgsmål er besvaret ved henvisningerne.

Med venlig hilsen
Malte Olsen