• Artiklens indhold er godkendt af redaktionen

magnetisme

Oprindelig forfatter Elbek Seneste forfatter Redaktionen

Magnetisme. I en ferromagnet ved det absolutte temperaturnulpunkt er de magnetiske domæners magnetiske momenter ensrettede, og den samlede magnetisering, M, størst mulig. Med stigende temperatur vil de termiske bevægelser af stoffets atomer skabe stigende uorden, og ved en for stoffet karakteristisk temperatur, Curietemperaturen, TC, kan de magnetiske domæner ikke længere opretholde ensretningen, således at den samlede magnetisering bliver nul. Over Curie-temperaturen er stoffet en paramagnet.

Magnetisme. I en ferromagnet ved det absolutte temperaturnulpunkt er de magnetiske domæners magnetiske momenter ensrettede, og den samlede magnetisering, M, størst mulig. Med stigende temperatur vil de termiske bevægelser af stoffets atomer skabe stigende uorden, og ved en for stoffet karakteristisk temperatur, Curietemperaturen, TC, kan de magnetiske domæner ikke længere opretholde ensretningen, således at den samlede magnetisering bliver nul. Over Curie-temperaturen er stoffet en paramagnet.

magnetisme, egenskaber ved materialer, som modificerer eller skaber et magnetfelt.

Michael Faraday var den første, som iagttog, at alle materialer har en vis virkning på et ydre magnetfelt, selvom den i de fleste tilfælde er svag. Virkningerne skyldes materialernes atomare opbygning, idet elektronernes bevægelse udgør mikroskopiske kredsstrømme inden for hvert atom. En sådan kredsstrøm har et magnetisk moment, ligesom der er knyttet et magnetisk moment til elektronernes spin. Alle momenterne bidrager til et samlet magnetisk moment for atomet, som dog for mange atomer og de fleste molekyler bliver nul på grund af indre symmetrier. Selvom det samlede magnetiske moment er nul, er der dog magnetiske virkninger, som stammer fra inducerede kredsstrømme. Den samlede virkning af atomernes magnetiske momenter er en øgning eller mindskning af et påtrykt magnetfelt.

På baggrund af mikroskopiske billeder kan man skelne mellem og teoretisk redegøre for forskellige former for magnetisk virkning af materialer. Som hovedformer skelner man mellem diamagnetisme, paramagnetisme og ferromagnetisme.

Annonce

Diamagnetisme

Påtrykkes et materiale et ydre magnetfelt, påvirkes elektronerne i dets atomer af en ekstra kraft fra magnetfeltet. Elektronbevægelsen perturberes (forstyrres) derved på en måde, som kun kan beskrives præcist med kvantemekaniske metoder. Kvalitativt kan situationen opfattes sådan, at det påtrykte magnetfelt inducerer en ekstra strøm i atomet og et dertil knyttet induceret magnetisk moment. Efter Lenz' lov skaber induktionen et magnetfelt rettet mod det påtrykte felt og vil derved svække dette. Denne såkaldte diamagnetisme er en svag effekt; i faste materialer er reduktionen af størrelsesordenen 10-5.

Diamagnetisme, som er næsten uafhængig af temperaturen, optræder i princippet for alle materialer, men kan helt overskygges af de stærkere effekter, som omtales i det følgende.

Magnetisme. Skematisk illustration af forskellige magnetiske strukturer. De viste skiver antyder parallelle krystalplaner, og pilene de atomare magneters retninger. I paramagneten er retningerne tilfældige (også ud af de viste planer); i ferromagneten er alle retninger parallelle; i antiferromagneten skifter de magnetiske momenter retning mellem naboer; i ferrimagneten skifter magneterne også retning mellem naboer, men de magnetiske momenter er ikke lige store; i spiralstrukturen roterer de magnetiske momenter med en fast vinkel fra plan til plan.

Magnetisme. Skematisk illustration af forskellige magnetiske strukturer. De viste skiver antyder parallelle krystalplaner, og pilene de atomare magneters retninger. I paramagneten er retningerne tilfældige (også ud af de viste planer); i ferromagneten er alle retninger parallelle; i antiferromagneten skifter de magnetiske momenter retning mellem naboer; i ferrimagneten skifter magneterne også retning mellem naboer, men de magnetiske momenter er ikke lige store; i spiralstrukturen roterer de magnetiske momenter med en fast vinkel fra plan til plan.

Paramagnetisme

Atomer og molekyler kan have et permanent magnetisk dipolmoment knyttet til elektronernes impulsmoment og spin. I fravær af et ydre magnetfelt er de individuelle atomers magnetiske momenter dog tilfældigt orienteret og giver derfor ikke nogen samlet magnetisk virkning.

Et ydre magnetfelt påvirker imidlertid atomerne med et kraftmoment, som søger at rette de magnetiske dipoler parallelt med det ydre felt, da denne ensretning giver den laveste energi. De ensrettede dipoler skaber et felt, som øger det ydre felt. Effekten kaldes paramagnetisme og er også en svag effekt, om end stærkere end diamagnetismen; i faste materialer er feltets forøgelse af størrelsesordenen 10-4.

Ensretningen af de permanente magnetiske momenter modvirkes af de termiske bevægelser af materialets bestanddele, og den paramagnetiske virkning på feltet aftager derfor med stigende temperatur.

Ferromagnetisme

Ferromagnetisme kan opfattes som en særlig form for paramagnetisme, der optræder i materialer, som naturligt er opdelt i små områder, domæner. I domænerne er der en tendens til, at de permanente dipolmomenter spontant ensrettes under atomernes eller molekylernes gensidige vekselvirkning. I et feltfrit materiale er domænerne magnetiseret i helt tilfældige retninger, således at materialet som helhed er umagnetisk. Under påvirkning af et ydre magnetfelt forskydes domænernes grænser imidlertid, således at de domæner, som er magnetiseret parallelt med det ydre felt, vokser i størrelse, mens de øvrige domæner formindskes.

For stærke felter kan domænernes magnetisering desuden drejes i feltretningen, hvis denne ændres. Slutresultatet er en næsten total ensretning af de magnetiske momenter. For jern, cobalt, nikkel og gadolinium er denne tendens særlig udpræget og optræder ved normal omgivelsestemperatur.

Ensretning af domænernes magnetisering sker ved vanskeligt forløbende processer. Dette gælder også de omvendte processer, som indtræffer, når det ydre felt reduceres. Selv når det ydre felt helt fjernes, vender domænerne ikke tilbage til den oprindelige tilstand, men bevarer en betydelig ensretning, således at materialet er blevet en permanent magnet.

Ferromagnetiske materialer påvirker ydre felter meget kraftigt. En given magnetisk påvirkning kan således i et ferromagnetisk materiale give B-felter, som er 103-105 gange større end for den samme påvirkning i vakuum. Ferromagnetismen forsvinder ved temperaturer over den såkaldte Curietemperatur, TC.

I visse materialer er det ved lave temperaturer energimæssigt favorabelt, at naboatomer indstiller sig med modsatrettede spin og dermed modsatrettede magnetiske momenter. Et sådant materiale kaldes en antiferromagnet og har udadtil ingen magnetisk virkning.

Det kan også forekomme, at to forskelligt store magnetiske momenter indstiller sig modsat. Et sådant materiale kaldes en ferrimagnet og har en resulterende magnetisering.

Endelig kan der også forekomme mere specielle magnetiske strukturer, fx spiralstrukturer, hvor magnetiseringsretningen følger en spiralkurve (se lanthanider (magnetiske egenskaber)).

Ferromagnetiske materialer

Ferromagnetiske materialer har mange tekniske anvendelser, og det er af stor kommerciel interesse at finde materialer med optimale egenskaber.

Bløde magnetiske materialer er karakteriseret ved høj permeabilitet og smal hysteresekurve, således at materialet let lader sig magnetisere af et ydre magnetfelt, og at magnetiseringen let ændrer sin retning. De bløde materialer er oftest legeringer af jern med silicium, nikkel eller cobalt og anvendes især i transformatorer og motorer.

Hårde magnetiske materialer er karakteriseret ved en bred hysteresekurve, således at det kræver et stort koercivfelt at ændre magnetiseringens retning og størrelse. Hårde materialer er fx jern med højt kulstofindhold (stål) og legeringer af jern med cobalt, wolfram og aluminium. De hårde materialer anvendes til permanente magneter (se magnet).

Læs også om animalsk magnetisme og jordmagnetisme.

Referér til denne tekst ved at skrive:
Bent Elbek: magnetisme i Den Store Danske, Gyldendal. Hentet 24. august 2017 fra http://denstoredanske.dk/index.php?sideId=120548