Ocena 5.0 1 głos

Materia skondensowana

Autor /julia Dodano /07.03.2011

Wymagany Adobe Flash Player wesja 10.0.0 lub nowsza.

praca w formacie pdf Materia skondensowana

Transkrypt

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Wykład 37
37. Materia skondensowana
37.1 Wstęp
Kiedy pierwiastek lub związek chemiczny, będący w stanie gazowym lub ciekłym, zostanie dostatecznie ochłodzony to kondensuje czyli przechodzi do stanu stałego.
Większość związków ma strukturę krystaliczną. Atomy ułożone są w powtarzający się
regularny wzór zwany siecią krystaliczną. Np. ziarna soli kuchennej tworzą sześciany
oparte na powtarzającym się elementarnym sześcianie pokazanym na rysunku poniżej.
Pozycje atomów Na i Cl są zaznaczone odpowiednio małymi i dużymi kulami.

Wiele ciał stałych nie przypomina kryształów ale jest zbudowana z bardzo wielu malutkich kryształków; mówimy, że mają strukturę polikrystaliczną. Wreszcie w przyrodzie
występują ciała niekrystaliczne tzn. takie, w których uporządkowanie atomowe nie rozciąga się na duże odległości.
W dalszej części wykładu zajmiemy się tylko ciałami krystalicznymi.
Klasyfikacje takich ciał prowadzi się według dominującego rodzaju wiązania.
37.2 Rodzaje kryształów (rodzaje wiązań)
Ze względu na typy wiązań kryształy dzielimy na:
• Kryształy cząsteczkowe (molekularne);
• Kryształy o wiązaniach wodorowych;
• Kryształy jonowe;
• Kryształy atomowe (kowalentne);
• Kryształy metaliczne.
37.2.1 Kryształy cząsteczkowe
Składają się ze stabilnych cząsteczek, które zachowują wiele swoich cech indywidualnych nawet przy zbliżaniu ich do siebie.
• Siły wiążące cząsteczki są słabym przyciąganiem van der Waalsa, takim jakie istnieje pomiędzy cząsteczkami w fazie gazowej. Fizycznym mechanizmem odpowie37-1

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

dzialnym za to przyciąganie jest oddziaływanie pomiędzy dipolami elektrycznymi
(cząsteczki zachowują się jak dipole elektryczne).
• Ciała cząsteczkowe tworzy wiele związków organicznych a w stanie stałym gazy
szlachetne i zwykłe gazy, takie jak tlen, azot, wodór.
Energia wiązania jest słaba - rzędu 10-2 eV tj. 10-21 J.
Dla porównania energia termiczna cząsteczki (wpływająca na rozerwanie wiązania)
3
w temperaturze pokojowej (300 K) wynosi k B T ≈ 6 ⋅ 10 − 21 J .
2
Widać, że zestalenie może mieć miejsce dopiero w niskich i bardzo niskich
temperaturach, gdzie efekty rozrywające wiązanie, wynikające z ruchu termicznego,
są bardzo małe. Np. temperatura topnienia stałego wodoru wynosi 14 K (tj. -259 °C).
• Te kryształy są podatne na odkształcenia (słabe wiązanie) oraz ze względu na brak
elektronów swobodnych są bardzo złymi przewodnikami ciepła i elektryczności.
37.2.2 Kryształy o wiązaniach wodorowych
W pewnych warunkach atomy wodoru mogą tworzyć silne wiązania z atomami
pierwiastków elektroujemnych takich jak np. tlen czy azot. Te wiązania zwane wodorowymi odgrywają ważną rolę min. w kryształach ferroelektrycznych i w cząsteczkach
kwasu DNA (dezoksyrybonukleinowego).
37.2.3 Kryształy jonowe
Np. chlorek sodu. Takie kryształy składają się z trójwymiarowego naprzemiennego
ułożenia dodatnich i ujemnych jonów, o energii niższej niż energia odosobnionego jonu.
• Energia wiązania wynika z wypadkowego przyciągania elektrostatycznego. Ta energia jest większa od energii zużytej na przeniesienie elektronów (utworzenie jonów).
Wiązanie jonowe nie ma wyróżnionego kierunku (sferycznie symetryczne zamknięte
powłoki). Jony są ułożone jak gęsto upakowane kulki.
• Nie ma swobodnych elektronów (które mogłyby przenosić ładunek lub energię)
więc kryształy jonowe są złymi przewodnikami elektryczności i ciepła.
• Ze względu na duże siły wiążące kryształy jonowe są zazwyczaj twarde i mają wysoką temperaturę topnienia.
37.2.4 Kryształy atomowe (kowalentne)
Np. German, Krzem. Składają się z atomów połączonych ze sobą parami wspólnych
elektronów walencyjnych.
• Wiązania mają kierunek i wyznaczają ułożenie atomów w strukturze krystalicznej.
• Są niepodatne na odkształcenia i posiadają wysoką temperaturę topnienia.
• Brak elektronów swobodnych, więc ciała atomowe nie są dobrymi przewodnikami
elektryczności i ciepła. Czasami jak w przypadku wymienionych Ge oraz Si są one
półprzewodnikami.

37-2

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

37.2.5 Ciała metaliczne
Wiązanie metaliczne można sobie wyobrazić jako graniczny przypadek wiązania
kowalentnego, w którym elektrony walencyjne są wspólne dla wszystkich jonów w
krysztale a nie tylko dla jonów sąsiednich.
• Gdy w atomach, z których jest zbudowany kryształ, elektrony na zewnętrznych powłokach są słabo związane to mogą one zostać uwolnione z tych atomów kosztem
energii wiązania (bardzo małej).
• Elektrony te poruszają się w całym krysztale; są więc wspólne dla wszystkich jonów.
Mówimy, że te elektrony tworzą gaz elektronowy wypełniający przestrzeń pomiędzy
dodatnimi jonami.
Gaz elektronowy działa na każdy jon siłą przyciągania większą od odpychania pozostałych jonów - stąd wiązanie.
Wprawdzie w tych atomach na zewnętrznych podpowłokach są wolne miejsca ale
jest za mało elektronów walencyjnych (na atom) aby utworzyć wiązanie kowalentne.
• Ponieważ istnieje wiele nie obsadzonych stanów elektronowych (na zewnętrznych
podpowłokach są wolne miejsca) to elektrony mogą poruszać się swobodnie w
krysztale od atomu do atomu - są wspólne dla całego kryształu.
• Kryształy metaliczne są doskonałymi przewodnikami elektryczności i ciepła.
Wszystkie metale alkaliczne tworzą kryształy metaliczne.
W podsumowaniu należy zaznaczyć, że istnieją kryształy, w których wiązania muszą
być interpretowane jako mieszanina opisanych powyżej głównych typów wiązań.
Typ wiązania w poszczególnych kryształach wyznacza się doświadczalnie przez badanie: dyfrakcji promieni X, własności dielektrycznych, widm optycznych itp..
37.3 Pasma energetyczne
W odróżnieniu od atomów (i cząsteczek) gdzie ruch elektronów jest ograniczony do
małego obszaru przestrzeni, w ciałach stałych elektrony walencyjne mogą się poruszać
w całej objętości ciała przechodząc od atomu do atomu.
Ruch elektronów w kryształach jest więc czymś pośrednim pomiędzy ruchem wewnątrzatomowym a ruchem swobodnych elektronów w próżni.
• Energia elektronu w atomie może przyjmować tylko określone wartości tworząc
zbiór dyskretnych poziomów energetycznych.
Elektron swobodny może poruszać się z dowolną energią, mamy więc do czynienia
z ciągłym przedziałem energii od zera do nieskończoności.
W kryształach mamy sytuacje pośrednią. Gdy duża liczba atomów jest zbliżana do siebie następuje poszerzenie atomowych poziomów energetycznych tworzą się tzw. pasma
energetyczne tak jak pokazano na rysunku na następnej stronie.
Silnie związane elektrony wewnętrzne w atomie pozostają zlokalizowane w atomach.
Elektronom tym odpowiadają najniższe dyskretne (atomowe) poziomy energii.
Energie elektronów walencyjnych układają się w przedziały - pasma. Pasma są tym
szersze im słabsza więź elektronów z jądrami atomowymi (czyli im bardziej przypominają elektrony swobodne).
Pasma energetyczne są oddzielone obszarami wzbronionymi czyli przedziałami energii
nie dostępnych dla elektronów.

37-3

Energia elektronu

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

r0

r

r0 - odległość międzyatomowa w krysztale.
Pasmowa struktura widma energetycznego elektronów pozwoliła wyjaśnić wiele podstawowych właściwości ciał stałych.
Przede wszystkim pozwoliła wytłumaczyć dlaczego, mimo że odległości międzyatomowe i energie oddziaływań w metalach, półprzewodnikach i dielektrykach są tego samego rzędu to oporność elektryczna tych substancji różni się o 25 rzędów wielkości: od
około 10-6 w metalach do 1019 Ωcm w dielektrykach.
• Jeżeli pasmo jest puste to nie może wnosić wkładu do przewodnictwa (nie ma elektronów o energiach w takim przedziale).
• Także pasmo całkowicie zapełnione nie bierze udziału w przewodnictwie. Jeżeli
przykładamy napięcie (aby popłynął prąd) to w polu elektrycznym elektrony będą
przyspieszane, a to oznacza wzrost ich energii. Ale ten proces jest niemożliwy bo nie
ma wolnych (nie obsadzonych) energii w paśmie.
• Takich ruch elektronów jest możliwy dopiero w paśmie częściowo wypełnionym
czyli takim, w którym są nie obsadzone stany energetyczne.
Substancje o częściowo wypełnionych pasmach są więc metalami a substancje, w których występują tylko całkowicie zapełnione lub puste stany energetyczne są dielektrykami lub półprzewodnikami (rysunek).

Całkowicie zapełnione pasma w kryształach nazywamy pasmami walencyjnymi, a częściowo zapełnione (lub puste) pasmami przewodnictwa.

37-4

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Jeżeli szerokość obszaru oddzielającego najwyższe pasmo walencyjne od pasma przewodnictwa (tzw. przerwa energetyczna lub pasmo wzbronione) jest duża to materiał ten
jest dielektrykiem we wszystkich temperaturach (aż do temperatury topnienia).
Jeżeli jednak przerwa jest dostatecznie wąska to w odpowiedniej temperaturze dzięki
energii cieplnej część elektronów może zostać przeniesiona do pustego pasma. Kryształ,
który w T = 0 K był izolatorem teraz będzie przewodził a jego przewodność szybko rośnie (opór spada) wraz z temperaturą. Jeżeli przerwa jest mniejsza niż 1 eV to przewodnictwo staje się wyraźne już w temperaturze pokojowej.
Substancje z taką przerwą nazywamy półprzewodnikami.
37.4 Fizyka półprzewodników
W tym punkcie przedstawione zostaną podstawowe właściwości półprzewodników
oraz ich zastosowania.
Materiały te zrewolucjonizowały elektronikę i współczesną technologię dlatego zostały
wybrane do omówienia.
Gdy elektron znajdujący się w paśmie walencyjnym np. Ge zostanie wzbudzony termicznie, wówczas powstaje w tym paśmie miejsce wolne, a zostaje zapełniony stan w
paśmie przewodnictwa. Pusty stan w paśmie walencyjnym nazywany jest dziurą. Na
rysunku zaznaczono symbolicznie tę sytuację.
wiązanie
(elektrony
walencyjne)

elektron
przewodnictwa

Ge

Ge

Eprzerwy

Ge

Ge

Ge

dziura
Ge

dziura

Ge

elektron
przewodnictwa

W obecności zewnętrznego pola elektrycznego inny elektron walencyjny, sąsiadujący z
dziurą może zająć jej miejsce, pozostawiając po sobie nową dziurę, która zostanie zapełniona przez kolejny elektron itd. Zatem dziura przemieszcza się w kierunku przeciwnym niż elektron i zachowuje jak nośnik ładunku dodatniego (dodatni elektron).
Liczba dziur jest równa liczbie elektronów przewodnictwa. Takie półprzewodniki nazywamy samoistnymi.
37.4.1 Domieszkowanie półprzewodników
Jeżeli w trakcie wzrostu kryształów do roztopionego germanu dodamy niewielką
ilość arsenu (grupa 5 układu okresowego) to arsen wbudował się w strukturę germanu
wykorzystując cztery spośród pięciu elektronów walencyjnych. Pozostały elektron nie
bierze udziału w wiązaniu i łatwo staje się elektronem przewodnictwa. Dzięki temu w
37-5

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

paśmie przewodnictwa jest prawie tyle elektronów ile atomów arsenu (domieszki). Zazwyczaj liczba ta jest większa niż liczba elektronów wzbudzonych termicznie z pasma
walencyjnego. Taki półprzewodnik nazywany jest półprzewodnikiem typu n (negative).
German można też domieszkować galem (grupa 3 układu okresowego). W takim przypadku atom galu będzie miał tendencję do wychwytywania elektronu z sąsiedniego
atomu germanu aby uzupełnić cztery wiązania kowalencyjne. Zatem atom galu wprowadza dziurę i mamy półprzewodnik typu p (positive).
37.5 Zastosowania półprzewodników
37.5.1 Termistor
W miarę wzrostu temperatury obserwujemy szybki wzrost przewodności (spadek
oporu) półprzewodników. Np. przewodność czystego krzemu zwiększa się aż dwukrotnie przy wzroście temperatury od 0° C do 10° C. Dlatego czysty krzem może być stosowany w czułych miernikach temperatury. Taki przyrząd (wykonany z czystego półprzewodnika) jest nazywany termistorem.
37.5.2 Złącze p - n
Jeżeli półprzewodnik typu n i półprzewodnik typu p zostaną ze sobą zetknięte to część
elektronów z obszaru typu n będzie przepływała do obszaru typu p, a dziury będą przepływały z obszaru typu p do obszaru typu n.
W wyniku tego obszar p naładuje się ujemnie (dodatkowymi elektronami) a obszar typu
n dodatnio. Powstaje kontaktowa różnica potencjałów pokazana na rysunku poniżej.
V

Typ n
Typ p
V0

X

Jeżeli do takiego złącza p - n przyłożymy zewnętrzny potencjał to wielkość prądu płynącego przez złącze zależy od kierunku i wartości tego napięcia tak jak pokazano na
wykresie poniżej.
Dla dodatniego napięcia prąd jest zazwyczaj wielokrotnie większy od I0 podczas gdy
dla ujemnego napięcia (napięcie zaporowe) maksymalna wartość prądu wynosi I0. To
urządzenie jest nazywane diodą p - n. Jednym z jego zastosowań są detektory radioodbiorników o modulacji amplitudowej.

37-6

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

I

I0

V

37.5.3 Baterie słoneczne
Jeżeli oświetlimy obszar przejściowy złącza p - n to elektrony z pasma walencyjnego zostaną wzbudzone do pasma przewodnictwa (tak samo jak energią cieplną). Każdy
pochłonięty foton kreuje parę elektron - dziura.
Powstałe dziury są wciągane do obszaru p, a elektrony do obszaru n. Jeżeli mamy zamknięty obwód to płynie w nim prąd.
W ten sposób można zamienić światło bezpośrednio na energię elektryczną.
37.5.4 Fotodiody
Gdy do baterii słonecznej przyłożymy napięcie zaporowe to prąd I0 wzrośnie wielokrotnie dzięki dodatkowym nośnikom wytworzonym przez padające światło.
Fotoprąd jest proporcjonalny do szybkości padania fotonów. Urządzenie jest bardzo
czułe i znalazło zastosowanie np. jako detektor zmian natężenia światła.
37.5.5 Diody świecące
Diody świecące są zasilane napięciem w kierunku przewodzenia na tyle dużym, że
przyspieszane elektrony w trakcie zderzeń wytwarzają pary elektron - dziura. Tym procesom tworzenia par elektron - dziura towarzyszą procesy odwrotne (tzw. rekombinacja), w których elektrony mogą ponownie obsadzić dziurę. Każdemu aktowi rekombinacji towarzyszy emisja fotonu o energii hv ≈ Eprzerw . Tak więc częstotliwość (barwa)
emitowanego światła zależy od przerwy energetycznej, która jest charakterystyczna dla
danego materiału półprzewodnikowego.
37.5.6 Tranzystor
Schemat tranzystora pnp jest pokazany na rysunku na następnej stronie.
Można sobie wyobrazić, że tranzystor jest diodą, do której dołączono dodatkowy obszar
p (kolektor).

37-7

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

V

Vk

Vb
Vb

Ibe

V0
baza

emiter

p

Ike
n

Vk

p
kolektor

p

n

p

dioda

Do „diody” jest przyłożone napięcie w kierunku przewodzenia więc płynie duży prąd
(dziurowy) z emitera do bazy. Baza jest na tyle cienka, że większość dziur dyfunduje do
kolektora, a tylko niewielka część (1%) wypływa z bazy (Ibe).
Pozostały prąd (99%) wypływa przez kolektor. Kolektor jest na bardziej ujemnym potencjale niż baza by dodatnie dziury łatwiej mogły do niego przechodziły. Stosunek prąI
du kolektora do prądu bazy nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądu: β = ke .
I be
Dla typowego tranzystora β = 100 tzn. słaby prąd wejściowy bazy Ibe może kontrolować 100 razy większy prąd wyjściowy kolektora Ike.
Np. Ibe jest słabym sygnałem antenowym. Wówczas prąd Ike jest takim samym przebiegiem ale o wartości 100 razy większej.
Charakterystyki tranzystorów npn są takie same.
37.5.7 Inne urządzenia
Istnieje jeszcze wiele innych urządzeń półprzewodnikowych. Z konieczności ograniczymy się tylko do wymienienia najważniejszych: układy scalone dużej skali integracji;
diody tunelowe; diody Zenera; tyrystory; tranzystory polowe; lasery półprzewodnikowe.
37.6 Własności magnetyczne ciał stałych
Ze zjawiskami magnetycznymi spotykamy się na co dzień. Najczęściej mamy do
czynienia z magnesami stałymi ponieważ są one powszechnie wykorzystywane we
wszelkich urządzeniach technicznych.
Omówienie własności magnetycznych rozpoczniemy od przypomnienia obliczeń,
z Wykładu 21. Pokazaliśmy tam, że elektron krążący w odległości r wokół jądra w
e
atomie posiada magnetyczny moment dipolowy µ e =
L związany z orbitalnym mo2m
mentem pędu L. Podobnie jak z orbitalnym momentem pędu elektronu również z jego
spinem związany jest moment magnetyczny tzw. spinowy moment magnetyczny.
Własności magnetyczne ciał są określone przez zachowanie się tych elementarnych
momentów (dipoli) magnetycznych w polu magnetycznym.
37-8

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Przy opisie własności magnetycznych ciał posługujemy się pojęciem wektora polaryzacji magnetycznej M nazywanej też namagnesowaniem lub magnetyzacją. Wektor
ten określa sumę wszystkich momentów magnetycznych, czyli wypadkowy moment
magnetyczny jednostki objętości. Jeżeli próbkę zawierającą elementarne dipole magnetyczne umieścimy w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B0 to pole to dąży do
ustawienia dipoli w kierunku pola i w efekcie powstaje w próbce wypadkowe pole o
indukcji
B = B0 + M = µ r B 0

(35.1)

Względną przenikalnością magnetyczną ośrodka µr można na podstawie wzoru (35.1)
zapisać jako

µr = 1+

M
= 1+ χ
B0

(35.2)

gdzie wielkość χ nazywana jest podatnością magnetyczną.
W zależności od wielkości i znaku podatności magnetycznej χ , dzielimy ciała na
następujące trzy grupy:




χ < 0, ciała diamagnetyczne;
χ > 0, ciała paramagnetyczne;
χ >> 0, ciała ferromagnetyczne.

37.6.1 Diamagnetyzm
Diamagnetyzm jest związany ze zmianą orbitalnego momentu pędu elektronów wywołaną zewnętrznym polem magnetycznym. Oznacza to, że diamagnetyzm występuje w
każdym materiale umieszczonym w polu magnetycznym (w każdym materiale są elektrony). Jednak doświadczalnie jest on obserwowany tylko w ciałach, w których momenty magnetyczne elektronów wchodzących w skład danego atomu znoszą się wzajemnie
(kompensują) tak, że moment magnetyczny atomu jest równy zeru. W innym przypadku
efekt ten jest maskowany przez wypadkowy moment magnetyczny atomów. Diamagnetykami są na przykład te ciała, których atomy lub jony posiadają wypełnione powłoki
elektronowe.
Jeżeli atom diamagnetyczny umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym to na
elektrony działa siła magnetyczna F = -ev×B, która powoduje zmianę siły dośrodkowej
działającej na elektron i zmienia prędkość kątową elektronów. Zmiana ta zależy od kierunku ruchu elektronu względem pola B i dlatego nie jest jednakowa dla wszystkich
elektronów. Oznacza to, że momenty magnetyczne elektronów przestały się kompensować. W zewnętrznym polu magnetycznym B został wyindukowany moment magnetyczny, o kierunku przeciwnym do B. W efekcie próbka diamagnetyczna jest odpychana
od bieguna silnego magnesu, a jej podatność magnetyczna χ jest ujemna.

37-9

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

37.6.2 Paramagnetyzm
Paramagnetykami są ciała, których atomy posiadają wypadkowy moment magnetyczny różny od zera. Przykładem mogą być atomy o nieparzystej liczbie elektronów, w
których wypadkowy spin elektronów będzie zawsze większy od zera. Podatność paramagnetyków ma wartość nieznacznie większą od zera. W zewnętrznym polu magnetycznym atomowe dipole magnetyczne dążą do ustawienia równoległego do kierunku
pola. Jednak ten proces jest silnie zakłócany przez energię drgań termicznych (energię
cieplną) tak, że efektywny moment magnetyczny jest dużo mniejszy od maksymalnego,
możliwego do uzyskania. Te ruchy cieplne są odpowiedzialne za to, że po usunięciu
pola magnetycznego znika namagnesowanie i momenty dipolowe paramagnetyka są
całkowicie nieuporządkowane.
Dla paramagnetyków (nie zawierających elektronów swobodnych) podatność magnetyczna zależy od temperatury zgodnie z prawem Curie

χ=

C
T

(35.3)

gdzie C jest stałą Curie.
37.6.3 Ferromagnetyzm
Istnieją pierwiastki takie jak Fe, Co, Ni oraz wiele różnych stopów, w których obserwujemy uporządkowanie magnetyczne pomimo, przeciwdziałających temu, ruchów
termicznych atomów. Substancje te zwane ferromagnetykami charakteryzują się dużą
podatnością, przy czym wielkość namagnesowania zależy zarówno od pola magnesującego jak i od tego czy były one magnesowane wcześniej. Jest to związane z silnym oddziaływaniem wymiennym jakie występuje pomiędzy spinowymi momentami magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest więc własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów. Poszczególne atomy (tak jak w paramagnetyku) posiadają momenty magnetyczne, które podczas krystalizacji, w wyniku oddziaływania wymiennego, ustawiają się równolegle do siebie w dużych obszarach kryształu zwanych domenami. Każda
domena jest więc całkowicie magnetycznie uporządkowana. Natomiast kierunki momentów magnetycznych poszczególnych domen są różne i próbka jako całość może nie
mieć wypadkowego namagnesowania. Na rysunku poniżej po lewej stronie pokazano
fragment nienamagnesowanego ferromagnetyka.

37-10

Z. Kąkol-Notatki do Wykładu z Fizyki

Linie pokazują granice domen, a strzałki oznaczają kierunek momentu magnetycznego
w domenie.
Jeżeli taki materiał ferromagnetyczny umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym zaobserwujemy, że próbka uzyskuje duże namagnesowanie w relatywnie niskim
polu magnetycznym. Dzieje się tak dlatego, że momenty magnetyczne atomów wewnątrz domen dążą do ustawienia się zgodnie z polem oraz, że przesuwają się ściany
domen: domeny zorientowane zgodnie z polem rosną kosztem domen o innej orientacji.
Ten proces nie jest całkowicie odwracalny. Po usunięciu pola granice domen nie wracają do położeń początkowych i materiał pozostaje namagnesowany trwale. Zjawisko to
nazywamy histerezą magnetyczną. Na rysunku, poniżej prawej pokazana jest krzywa
(ab) namagnesowania ferromagnetyka (początkowo nienamagnesowanego) i towarzysząca jej pętla histerezy (bcdeb).

Nienamagnesowany (punkt a) materiał ferromagnetyczny magnesujemy zewnętrznym polem magnetycznym B0 aż do wartości odpowiadającej punktowi b. Następnie
zmniejszamy pole magnesujące do zera. Namagnesowanie materiału maleje ale nie znika całkowicie (punkt c); materiał został namagnesowany trwale. Namagnesowanie w
punkcie c nosi nazwę pozostałości magnetycznej. Następnie, ponownie zwiększamy pole magnesujące ale w kierunku przeciwnym do namagnesowania. Trwałe namagnesowanie ferromagnetyka zostaje usunięte dopiero po osiągnięciu wartości pola magnetycznego nazywanego polem koercji (punkt d). Dalsze zwiększanie pola magnesującego
pozwala ponownie namagnesować materiał ale w nowym kierunku (punkt e). Możemy
teraz powtórzyć postępowanie opisane powyżej i w efekcie powrócić do punktu b.
Krzywa (bcdeb) nosi nazwę pętli histerezy.
Pozostałość magnetyczna i pole koercji są parametrami, które decydują o przydatności danego materiału jako magnesu trwałego. Duża pozostałość magnetyczna gwarantuje, że będziemy mieli silny magnes, a duże pole koercji, że będzie on trwały (nie zostanie łatwo rozmagnesowany). Materiałami, które posiadają najlepsze wartości tych parametrów są obecnie SmCo5 i Nd2Fe14B.
O przydatności ferromagnetyka jako magnesu trwałego decyduje również zależność
jego podatności od temperatury bo powyżej pewnej charakterystycznej temperatury TC
ferromagnetyk staje się paramagnetykiem. Temperaturę TC nazywamy temperaturą Curie. Z punktu widzenia zastosowań istotne jest aby materiał ferromagnetyczny miał
możliwie wysoką temperaturę przejścia w stan paramagnetyczny.
37-11

Podobne prace

Do góry