Manyetik Malzemelerin Sınıflandırılması

Manyetizmanın kökeni elektronların yörüngesel hareketleri, spin hareketleri ve elektronların birbirleri ile nasıl etkileştiklerine dayanır. Farklı manyetizma tiplerini göstermenin en iyi yolu malzemelerin manyetik alana karşı nasıl tepki gösterdiğini tanımlamaktır....

Manyetizmanın kökeni elektronların yörüngesel hareketleri, spin hareketleri ve elektronların birbirleri ile nasıl etkileştiklerine dayanır. Farklı manyetizma tiplerini göstermenin en iyi yolu malzemelerin manyetik alana karşı nasıl tepki gösterdiğini tanımlamaktır. Bu şaşırtıcı olabilir, ancak bütün maddeler manyetik özellik gösterir. Yalnız, bazı malzemeler diğer malzemelerden daha çok manyetik özellik gösterirler. Bu malzemeler arasındaki temel ayrım, bazı malzemelerde toplam atomik manyetik moment etkileşimi yoktur, oysa diğer malzemelerde, atomik manyetik momentleri arasında çok güçlü bir etkileşim vardır.
Malzemelerin manyetik davranışı beş ana grupta sınıflandırılabilir:

  1. Diyamanyetizm
  2. Paramanyetizm
  3. Ferromanyetizm
  4. Ferrimanyetizm
  5. Antiferromanyetizm

İlk iki gruptaki malzemeler manyetik olarak düzensizdir ve toplam manyetik etkileşim göstermezler. Son üç gruptaki malzemeler belirli bir kritik sıcaklık altında uzun menzilli manyetik düzen gösterirler. Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeleri genellikle manyetik olarak düşünürüz (yani demirin davranışı gibi). Diğer üçü manyetik olarak çok zayıftır ve genellikle “manyetik olmayan” olarak düşünülür.

Diyamanyetizma

Genellikle çok zayıf olmalarına rağmen diyamanyetizma, bütün maddelerin temel bir özelliğidir. Bu, malzemenin uygulanan manyetik alana maruz kaldığında yörüngedeki elektronlarının ortak bir davranış göstermemesinden kaynaklanmaktandır. Diyamanyetik maddeler net menyetik momente sahip olmayan atomlardan oluşur (yani, yörüngesel kabukların tümü doludur ve çiftlenmemiş elektronlar yoktur). Ancak, bir alana maruz kaldığında negatif bir manyetizasyon (mıknatıslılık) gösterir ve bu nedenle diyamanyetik malzemelerin duygunluğu (χ) negatiftir. Diyamanyetik bir malzemenin manyetizasyon (M) – manyetik alan (H) grafiği şekildeki gibidir.

1

Manyetik alan sıfır olduğunda manyetizasyonun sıfır olduğuna dikkat edelim. Yani, diyamanyetik bir malzeme bir manyetik alana maruz bırakıldığında manyetik momentleri alanın tersi yönünde yönelim gösterirler. Manyetik alan kaldırıldığında manyetik moment tekrar sıfır olur. Diyamanyetik malzemelerin bir diğer karakteristik davranışı duygunluğun (χ) sıcaklığa bağlı olmamasıdır. İyi bilinen bazı diyamanyetik maddeler (10-8 m3/kg biriminde);

Quartz (Kuartz, SiO2)                      -0.62
Calcite (Kalsit, CaCO3)                    -0.48
Water (Su, H2O)                               -0.90

Paramanyetizma

Paramanyetik malzemeler, malzemedeki iyonlar veya atomların bazılarının kısmen dolu yörüngelerinde çiftlenmemiş elektronlarından dolayı net bir manyetik momente sahiptir. Çiftlenmemiş elektronlara sahip atomlardan biri demir atomlarıdır. Ancak, manyetik momentleri birbirleriyle manyetik olarak etkileşmeler ve uygulanan alan kaldırıldığında manyetizasyonu diyamanyetik malzemelerinki gibi sıfır olur. Manyetik alanın varlığında paramanyetik malzemelerin manyetik momentleri uygulanan alan ile aynı yönde kısmen yönelim gösterirler. Bu yönelim pozitif manyetizasyon ve pozitif duygunluğa yol açar. Paramanyetik bir malzemenin manyetizasyon (M)-manyetik alan (H) grafiği şekildeki gibidir.

2

Buna ek olarak, momentlerin hizalanmasında alanın verimine, sıcaklığın etkilerinin rastgele seçilmesi sonucu karşı koyar. Bu sıcaklığa bağlı bir duygunluk ile sonuçlanır , bu olay Curie Yasası olarak bilinir.
Normal sıcaklıklar ve orta dereceli alanlarda paramanyetik duygunluk küçüktür ( ancak diyamanyetik katkıdan daha büyüktür). Sıcaklık çok düşük (<<100K) ya da alan çok yüksek olmazsa, paramanyetik duygunluk uygulanan alandan bağımsız olur. Bu şartlar altında paramanyetik duygunluk toplam demir içeriğiyle orantılıdır. Demir taşıyan minerallerin birçoğu oda sıcaklığında paramanyetiktir. Paramanyetik maddelerin bazıları aşağıda verilmiştir (10-8 m3/kg biriminde).

Montmorillonite (Kil)                                                 13

Nontronite (Demir bakımından zengin kil)            65

Biotite (Silikat)                                                             79

Siderite (Karbonat)                                                    100

Pyrite (Sülfit)                                                               30

 

Manyetit yoğunlaşma çok küçük ise, matriks minerallerin doğal örneklerinde paramanyetizma önemli olabilir. Bu durumda, paramanyetik bir düzeltme gerekebilir.

Ferromanyetizma

Manyetik malzemeleri düşündüğünüzde, muhtemelen aklınıza demir, nikel veya mıknatıs gelecektir. Paramanyetik malzemelerin aksine ferromanyetik malzemelerin atomik momentleri çok güçlü bir etkileşim gösterirler. Bu etkileşimler elektronik değişim kuvvetleri tarafından üretilir ve atomik momentlerin paralel ya da antiparalel dizilimine yol açarlar. Değişim kuvvetleri çok büyüktür. Yaklaşık 100 Tesla’ nın üzerinde bir alana eşdeğerdir ya da Dünya’nın manyetik alanından yaklaşık olarak 100 milyon kez daha güçlüdür. Değişim kuvveti, iki elektronun spinlerinin göreceli yönelimleri nedeniyle kuantum mekaniksel bir olaydır. Ferromanyetik malzemelerin manyetik momentleri paralel dizilim gösterirler ve manyetik alanın yokluğunda dahi büyük bir net manyetizasyona yol açarlar.

3Fe, Ni, Co elementleri ve birçok alaşımları tipik olarak ferromanyetik malzemelerdir. Ferromanyetik malzemelerin belirgin iki özelliği,

1- Kendiliğinden (doğal) manyetizasyonu ve varlığı,

2- Manyetik düzenlenme sıcaklığı’ dır.

Kendiliğinden (doğal) manyetizasyon, manyetik alanın yokluğunda, homojen olarak mıknatıslanmış mikroskobik hacim içinde var olan net manyetizasyondur. Bu manyetizasyonun büyüklüğü 0 K’ de elektronların spin manyetik momentlerine bağlıdır. Bir diğer kavram laboratuvarda ölçebileceğiz doyum manyetizasyonudur. Doyum manyetizasyonu, bir manyetik alanda (Hsat) elde edilebilecek maksimum manyetik momenttir; bu alanın ötesinde manyetizasyonda bir artış oluşmaz

4

. Doyum mıknatıslanması ve doğal mıknatıslanma arasındaki fark manyetik domain’ler ile yapılmak zorundadır. Doyum manyetizasyonu parçacık boyutundan bağımsız ancak sıcaklığa bağlı yapısal bir özelliktir. Paramayetik ve ferromanyetik duygunluk arasında büyük bir fark vardır. Paramanyetik mazemelerle kıyaslandığında, ferromanyetik malzemelerin manyetizasyonu yüksek sıcaklıklarda ( oda sıcaklığı) ve orta dereceli manyetik alanlarda doygunluğa ulaşır.

 

 

Doyum manyetizasyonu (Hsat) (Tesla)

Sıcaklık (K)

 

Paramanyetler

>10

<<100

~50

ferromanyetler

~1

~300

1000-10000

Curie Sıcaklığı

Ferromanyetlerin elektronik değişim kuvvetleri çok büyük olmasına rağmen termal enerjileri zamanla değişimin üstesinden gelir ve rastgele bir etki yaratır. Bu oluşan etki Curie sıcaklığı (Tc) olarak adlandırılan özel bir sıcaklıkta oluşur. Curie sıcaklığının altında ferromanyet düzenlidir,ve üstünde ise düzensizdir. Doyum manyetizasyonu Curie sıcaklığında sıfıra gider. Tipik olarak bir manyetizasyon (M)-sıcaklık(T) grafiği aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

5

Ayrıca Curie sıcaklığı minerallerin kimliğini belirlemek için kullanılabilen tanımlayıcı bir parametre ve yapısal bir özelliktir. Ancak, kusursuz değildir, çünkü prensipte farklı manyetik mineraller aynı Curie sıcaklığına sahip olabilir.

Hysteresis Eğrisi

Curie sıcaklığı ve doyum manyetizasyonuna ek olarak ferromanyetler uygulanan manyetik alan kaldırılsa dahi manyetizasyonunu koruyabilir. Bu davranış Hysteresis olarak adlandırılır ve manyetik alan ile manyetizasyon değişiminin grafiği Hysteresis eğrisi olarak adlandırılır.

6

Başka bir hysteresis özellik, zorlayıcı manyetizasyondur(Hr). Uygulandığında ve kaldırıldığında, doyum mıknatıslanmasını sıfıra düşüren ters bir alandır. Her zaman zorlayıcı kuvvetten daha büyüktür. Başlangıç duygunluğu (χ0 ) düşük alanlarda gözlemlenmiş manyetizasyondur, bu yaklaşık dünyanın manyetik alanı (50-100 μT) kadardır. Çeşitli hysteresis parametreleri sadece yapısal bir özellik değildir, ancak tanecik boyutuna, domain durumuna, gerilmelere ve sıcaklığa bağlıdır. Hysteresis parametleri tanecik boyutuna bağlı olduğu için, doğal örneklerin manyetik tanecik boyutunun ölçülmesinde faydalıdır.

Ferrimanyetizma

7
Oksitler gibi iyonik bileşikler, daha karmaşık manyetik düzenlenme şekilleri kristal yapının sonucu olarak meydana gelebilir. Manyetik düzenleme türünden biri ferrimanyetizmdir. Bir ferromanyetik oksitin manyetik spinlerinin basit bir temsili aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Manyetik yapı, oksijen tarafından ayrılmış iki tane manyetik alt örgüden (A ve B denilen) oluşur. Değişim etkileşimlerine oksijen anyonları aracılık eder. Bu durumda, bu ekileşimlere direk olmayan veya süper değişim etkileşimleri denir. En güçlü süper değişim etkileşimleri A ve B alt örgüleri arasındaki spinlerin antiparalel dizilmesine yol açar. Ferrimanyetlerde A ve B alt örgülerinin manyetik momentleri eşit değildir ve net bir manyetik momente yol açarlar. Bu nedenle ferrimanyetizm, ferromanyetize benzer. Bu doğal manyetizasyon, Curie sıcaklığı, hysteresis eğrisi ve artık mıknatıslanma gibi ferromanyetik davranışların tüm özelliklerini gösterir. Ancak, ferro ve ferrimanyetler çok farklı manyetik düzene sahiptirler. Manyetit (mıknatıs) iyi bilinen bir ferrimanyetik malzemedir. Aslında, manyetit(mıknatıs) 1940’ larda Neel’ e kadar bir ferromanyet olarak düşünülmüştü. Neel ferrimanyetizm’ i anlamak için teorik bir yapı oluşturdu.

 

 

Manyetit (Mıknatıs)’ ın Kristal Yapısı

Mıknatıs (Fe3O4) spinel yapı ile kristallenir. Büyük oksijen iyonları kübik bir düzene yakın sıkıştırılır ve daha küçük Fe iyonları boşlukları doldurur. Boşluklar iki şeyden gelir:
Tetrahedral kısım: Fe iyonu dört oksijen tarafından çevrilir.
Octahedral kısın: Fe iyonu altı oksijen tarafından çevrilir.

8

Tetrahedral ve oktahedral kısımları A ve B olmak üzere iki manyetik alt örgüden oluşur. A alt örgüsü üzerindeki spinler B alt örgüsündekilere antiparaleldir. İki kristal kısım çok farklıdır ve iki kısım içinde ve arasında demir iyonlarının değişim etkileşimlerinin karmaşık oluşumlarına yol açarlar. Mıknatıs için yapısal formül [Fe3+]A[Fe3+, Fe2+]BO4 ile verilir. A ve B alt örgüleri üzerindeki katyonların özel düzenlenmesine ters spinel yapı denir. Negatif AB değişim etkileşimleriyle mıknatısın net manyetik momenti B kısmındaki Fe2+’ dan kaynaklanmaktadır.

Antiferromanyetizm

A ve B alt örgü momentleri tamamen eşit ancak zıt yönlü ise net manyetik moment sıfırdır. Bu tür manyetik malzemelere antiferromanyetik malzemeler denir.

Antiferromanyetik davranış, Neel sıcaklığı (TN) denilen bir kritik sıcaklık üstündeki duygunluk davranışıdır. TN üstünde duygunluk paramanyetler için Curie-Weiss yasasına uyar, ancak, negatif bir kesişim ile negatif değişim etkileşimleri gösterir.

Mineral

Bileşik

Manyetik Sınıf

Tc (C)

σx (Am2/kg)

Oksitler

 

 

 

 

Mıknatıs

Fe3O4

Ferrimanyetik

575-585

90-92

Ulvöspinel

Fe3TiO2

Antiferromanyetik

-153

 

Hematit

αFe2O3

Canted antiferromanyetik

675

0.4

İlmenit

FeTiO2

Antiferromanyetik

-233

 

Magemit

ᵞFe2O3

Ferrimanyetik

~600

~80

Jakopsit

MnFe2O4

Ferrimanyetik

300

77

Trevorit

NiFe2O4

Ferrimanyetik

585

51

Magnezoferrit

MgFe2O4

Ferrimanyetik

440

21

Sülfitler

 

 

 

 

Pirotin

Fe7S8

Ferrimanyetik

320

~20

Greigit

Fe3S4

Ferrimanyetik

~333   

~25

Troilit

FeS

Antiferromanyetik

305

 

Oksihidroksitler

 

 

 

 

Götit

αFeOOH

Antiferromanyetik, zayıf ferromanyetik

~120

<1

Lepidokrosit

ᵞFeOOH

Anferromanyetik(?)

-196

 

Feroksit

ᵟFeOOH

Ferrimanyetik

~180

<1

Metaller ve Alaşımlar

 

 

 

 

Demir

Fe

Ferromanyetik

770

 

Nikel

Ni

Ferromanyetik

358

55

Kobalt

Co

Ferromanyetik

1131

161

Avaruit

Ni3Fe

Ferromanyetik

620

120

Wairauite

CoFe

Ferrimanyetik

986

235

Kaynak:
http://www.irm.umn.edu/hg2m/hg2m_b/hg2m_b.html#magnetic properties

Kategori
ManyetizmaTeori

Fizik Akademisi’nin kurucularindan biri olan yazarımız, Çukurova Üniversitesi Fizik bölümü Katıhal Fiziği Anabilim dalında yüksek lisans derecesini 2017 yılında aldı . 2017 yılında Çukurova Üniversitesi Fizik bölümü Katıhal Fiziği Anabilim dalında doktora eğitimine başladı. 2014 yılından beri Malzeme Araştırma Grubu’nda araştırmacı olarak çalışmaktadır.

Henüz Yorum Yok

Cevap Yaz

*

*

ETKİNLİKLER
Oca
30
Sal
2018
all-day ICEP 2018: 20. Uluslararası Çevr... @ The President Hotel
ICEP 2018: 20. Uluslararası Çevr... @ The President Hotel
Oca 30 – Oca 31 all-day
ICEP 2018: 20. Uluslararası Çevre Fiziği Konferansı @ The President Hotel | İstanbul | Türkiye
ICEP 2018 20. Uluslararası Çevre Fiziği Konferansı 30-31 Ocak 2018 tarihleri arasında İstanbul’da gerçekleştirilecek. Konferansta akademik çalışmalar yürüten bir çok uluslararası araştırmacının bir araya gelmesi ve yaptıkları araştırmaları  paylaşmaları amaçlanmaktadır. Konferans hakkında daha fazla bilgiye ekte verilen web sitesinden ulaşılabilir.
Nis
24
Sal
2018
all-day 8. APMAS 2018 Uygulamalı Fizik v... @ Ölüdeniz Convention Center
8. APMAS 2018 Uygulamalı Fizik v... @ Ölüdeniz Convention Center
Nis 24 – Nis 30 all-day
8. APMAS 2018 Uygulamalı Fizik ve Malzeme Bilimlerindeki Uluslararası Gelişmeler Konferansı @ Ölüdeniz Convention Center | Ölüdeniz Belediyesi | Muğla | Türkiye
24-30 Nisan 2018 tarihleri arasında Ölüdeniz’de gerçekleştirilecektir.  APMAS 2018’de uluslararası araştırmacı ve mühendislerin malzeme bilimleri ve uygulamalı fizik alanında yaptıklarım araştırma ve yenilikleri sunması beklenmektedir.  Daha fazla bilgiye ekte verilen konferans web sitesinden ulaşabilirsiniz.  
TWİTTER


ÜYE OL

Sitemize Üye olarak yeni yazılarımızı emailinize günlük alabilirsiniz

Kayıt olduğunuz için teşekkür ederiz

Bir şeyler yanlış gitti

Benzer Yazılar

  • Kara Cisim Işıması

    Bütün nesneler mutlak sıfır sıcaklığının (0 K, -273.15 °C) üzerinde elektromanyetik radyasyon formunda enerji yayınlar. Bir “kara cisim” üzerine düşen tüm radyasyonu soğuran, hiçbir şekilde yansımanın ya da iletimin...
  • SADE GÖZDEN IRAĞIZ BİZ, AYRILSAK DA BERABERİZ

    Makroskobik boyutlarda çoğu olay birbirinden bağımsız gibi görünse de, mikroskobik boyutlarda her şey birbiriyle etkileşim halindedir. Sonuçta canlı cansız her şeyin varlığı tek bir kaynağa bağlıdır: Big Bang. Fakat...
  • Compton Etkisi

      Işık fotonlardan oluşur. “Foton” ışığın parçacık özelliğinden dolayı verilen bir isimdir (dalga benzeri davranışın yanı sıra). Compton etkisi fotonların elektronlarla etkileşmesine dayanır. Arthur Holly Compton kendi adıyla anılan...
  • Fizik Neden Felsefeye İhtiyaç Duyar

    İçinde bulunduğumuz dünyayı nasıl anlayabiliriz? Evren nasıl davranır? Gerçekliğin doğası nedir?… Bu tür sorular geleneksel olarak felsefe’ ye aittir, fakat felsefe öldü. Felsefe, bilimdeki modern gelişmelere, özellikle de fizik...