פרומגנטיות
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
פרומגנטיות היא הצורה ה"נורמלית" של מגנטיות שרוב האנשים מכירים, כפי שהיא ניכרת במגנטים בצורת פרסת סוס ומגנטים על המקרר, לדוגמה.
היא אחראית לרוב ההתנהגות המגנטית שנתקלים בה בחיי היומיום. המשיכה בין מגנט ופרומגנט היא "האיכות של מגנטיות שנראתה לראשונה לעולם העתיק, ולנו כיום", לפי טקסט קלאסי על פרומגנטיות [1].
פרומגנטיות מוגדרת כתופעה שבה חומרים, כגון ברזל, הנמצאים בשדה מגנטי חיצוני הופכים לממוגנטים ונשארים ממוגנטים לפרק זמן מסוים גם לאחר שהחומר לא נמצא יותר בשדה. כל המגנטים הקבועים הם פרומגנטים או פרימגנטים, כמו המתכות שכידוע נמשכות אל החומרים הללו.
מבחינה היסטורית, נעשה שימוש במונח פרומגנט עבור כל חומר שיכול להראות מגנטיזציה ספונטנית: מומנט מגנטי נטו בהיעדר שדה מגנטי חיצוני. הגדרה כללית זו עדיין נמצאת בשימוש. אולם, לאחרונה, זוהו סוגים שונים של מגנטיזציה ספונטנית כאשר יש יותר מיון מגנטי אחד עבור תא היחידה של החומר, מה שמוביל להגדרה יותר קשוחה של "פרומגנטיות" שעושים בה שימוש על מנת לעשות הבחנה לעומת פרימגנטיות.
באופן ייחודי, חומר הוא "פרומגנטי" במובן הצר הזה רק אם כל היונים המגנטיים שלו מוסיפים תרומה חיובית למגנטיזציה נטו. אם חלק מהיונים המגנטיים מפחיתים מהמגנטיזציה נטו (אם הם נמצאים במצב של אנטי-סידור), אז החומר הוא "פרימגנטי". אם כל היונים מסודרים נגדית כך שהמגנטיזציה נטו היא אפס, למרות הסידור המגנטי, אז מדובר באנטי פרומגנט. כל אפקטי הסידור הללו מתרחשים רק בטמפרטורות מתחת לרמה קריטית מסוימת, הנקראת טמפרטורת קירי (עבור פרומגנטים ופרימגנטים) או טמפרטורת ניל (עבור אנטי פרומגנטים).
תוכן עניינים |
[עריכה] חומרים פרומגנטיים
| חומר | טמפרטורת קירי (מעלות קלווין) |
|---|---|
| קובלט | 1388 |
| ברזל | 1043 |
| FeOFe2O3 | 858 |
| NiOFe2O3 | 858 |
| CuOFe2O3 | 728 |
| MgOFe2O3 | 713 |
| MnBi | 630 |
| ניקל | 627 |
| MnSb | 587 |
| MnOFe2O3 | 573 |
| Y3Fe5O12 | 560 |
| CrO2 | 386 |
| MnAs | 318 |
| Gd | 292 |
| Dy | 88 |
| EuO | 69 |
ישנם מספר חומרים גבישיים המראים פרומגנטיות (או פרימגנטיות). הטבלה שמשמאל מראה מבחר סלקטיבי שלהם, במקביל לטמפרטורת קירי שלהם, שמעליה הם מפסיקים להראות מגנטיזציה ספונטנית.
סגסוגות מתכת פרומגנטיות שמרכיביהן אינם פרומגנטיים בעצמם בצורתם הטהורה נקראות סגסוגות האוזלר, על שם פריץ האוזלר (Fritz Heusler).
ניתן להכין סגסוגות מתכת פרומגנטיות אמורפיות (לא גבישיות) על ידי קירור מהיר מאוד של סגסוגת נוזלית. לסגסוגות אלו יש את היתרון שתכונותיהן הן כמעט איזוטרופיות (לא מסודרות לאורך ציר של הגביש); דבר זה מסתיים בכפייתיות נמוכה, איבוד חשל איטי, פרמיאביליות מגנטית גבוהה, והתנגדות חשמלית גבוהה. חומר טיפוסי כזה הוא סגסוגת של מתכת-מתכת למחצה, העשויה מ-80% מתכת מעבר (בדרך כלל ברזל, קובלט או ניקל) ורכיב מתכתי למחצה (בורון, פחמן, צורן, זרחן או אלומיניום) שמוריד את טמפרטורת ההתכה.
[עריכה] מוצא פיזיקלי
הפרומגנטיות נובעת מהשפעה ישירה של שני אפקטים המתוארים במסגרת מכניקת הקוונטים: ספין ועקרון האיסור של פאולי.
הספין של האלקטרון, בשילוב עם התנע הזוויתי האורביטלי שלו, גורם למומנט דיפולי מגנטי ויוצר שדה מגנטי (האנלוג הקלאסי של ספין ממכניקת הקוונטים הוא הספין הכדורי של מטען חשמלי, אבל לגרסה הקוונטית יש הבדלים מסוימים, כגון העובדה שיש לה מצבים בדידים של מעלה/מטה שאינם מתוארים על ידי וקטור; דמיון לתנועה "אורביטלית", שהאנלוג הקלאסי שלה הוא זרם טבעתי).
אולם, בהרבה חומרים (בייחוד באלה עם קליפת ערכיות מלאה), המומנט הדיפולי הכללי של כל האלקטרונים הוא אפס (במילים אחרות, הספינים נמצאים בזוגות של מעלה/מטה). רק אטומים עם קליפות מלאות באופן חלקי (במילים אחרות, ספינים לא מזווגים) יכולים לחוות מומנט מגנטי נטו בהיעדר שדה מגנטי חיצוני. לחומר פרומגנטי יש הרבה אלקטרונים כאלה, ואם הם מסודרים בסדר מסוים הם יוצרים שדה מקרוסקופי מדיד.
דיפולים קבועים אלה (לעתים הם נקראים בפשטות "ספינים" למרות שבאופן כללי הם כוללים את התנע הזוויתי האורביטלי) נוטים להסתדר במקביל לשדה המגנטי החיצוני, תופעה הנקרית פאראמגנטיות (אפקט קשור אבל קטן בהרבה הוא דיאמגנטיות, הנגרם בעקבות התנועה האורביטלית המושרית על ידי השדה החיצוני, שגורם למומנט דיפולי המנוגד לשדה המופעל). אולם, פרומגנטיות כוללת תופעה נוספת: הדיפולים נוטים להסתדר באופן ספונטני, ללא כל שדה מופעל. זהו אפקט קוונטי טהור.
לפי האלקטרומגנטיות הקלאסית, שני דיפולים מגנטיים סמוכים יטו להסתדר בכיוונים מנוגדים (מה שייצור חומר אנטי פרומגנטי). בפרומגנט, לעומת זאת, הם נוטים להסתדר באותו כיוון בגלל עקרון פאולי: לשני אלקטרונים עם אותו ספין לא יכול להיות אותו "כיוון", שמפחית מאוד את האנרגיה של האינטראקציה האלקטרוסטאטית שלהם בהשוואה לאלקטרונים עם ספין מנוגד (מתמטית, זה מבוטא בדיוק רב יותר במונחים של משפט סטטיסטיקת הספין: כיוון שאלקטרונים הם פרמיונים עם ספין לא שלם, פונקציות הגל שלהם הן אנטי-סימטריות תחת מחלף של כיווני חלקיקים. ניתן לראות דבר זה, לדוגמה, בקירוב הארטרי-פוק שמוביל להפחתה באנרגיה האלקטרוסטאטית הפוטנציאלית). הבדל זה באנרגיה נקרא חילוף אנרגיה.
במרחקים ארוכים (אחרי אלפים רבים של יונים), יתרון חילוף האנרגיה מתבטל על ידי הנטייה הקלאסית של דיפולים להסתדר בצורה מנוגדת. זו הסיבה מדוע, בחומר פרומגנטי לא ממוגנט, הדיפולים בכל החומר לא מסודרים. במקום זאת, הם מתארגנים לאזורים מגנטיים (ידועים גם כאזורי וויס) שמסודרים (ממוגנטים) בטווח קצר, אבל בטווח ארוך אזורים סמוכים מסודרים זה כנגד זה. המעבר בין שני אזורים, היכן שהמגנטיזציה משתנה, נקרא קיר האֶזור (במילים אחרות, קיר בלוך/ניל, תלוי האם המגנטיזציה מסתובבת במקביל/ניצב לפני השטח של האזור) והוא מעבר הדרגתי על הסקאלה האטומית (מכסה מרחק של בערך 300 יונים עבור ברזל).
בכך, לפיסה רגילה של ברזל יש בדרך כלל מומנט מגנטי קטן או אפסי. אולם, אם היא מונחת בשדה מגנטי חיצוני מספיק חזק, האזורים יתארגנו מחדש במקביל לשדה, ויישארו מאורגנים מחדש כאשר השדה יכובה, ובכך ייצרו מגנט "קבוע". המגנטיזציה הזו כפונקציה של שדה חיצוני מתוארת על ידי עקומת היסטרזיס (חשל). למרות שמצב זה של אזורים מסודרים הוא לא קונפיגורציה נמוכת אנרגיה, הוא מאוד יציב והוא נצפה מחזיק מעמד במשך מיליוני שנים במגנטיט שעל קרקעית האוקיינוס, מסודר על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ (שניתן לראות כי הקטבים המגנטיים שלו מתהפכים בפרקי זמן ארוכים). אולם, ניתן להרוס את המגנטיזציה נטו על ידי חימום ואז קירור (חישול) של החומר ללא שדה חיצוני.
ככל שהטמפרטורה עולה, האוסצילציה התרמית, או האנטרופיה, נוטה להתחרות עם הנטייה הפרומגנטית של הדיפולים להסתדר. כאשר הטמפרטורה עולה מעבר לנקודה מסוימת, הנקראת טמפרטורת קירי, מתרחש מעבר פאזה מסדר שני והמערכת לא שומרת יותר על המגנטיזציה הספונטנית, למרות שהיא עדיין מגיבה לשדה חיצוני באופן פאראמגנטי. מתחת לטמפרטורה זו, ישנה שבירה ספונטנית ויצירת אזורים אקראית (בהיעדר שדה חיצוני).
טמפרטורת קירי עצמה היא נקודה קריטית, שבה הסוספטיביליות המגנטית היא אינסופית בתאוריה ו, למרות שאין מגנטיזציה נטו, התאמות ספין דמויות אזורים נעות בכל סקאלות האורכים.
למחקר של מעבר פאזה פרומגנטי, בייחוד באמצעות מודל הספין המפושט של אייזינג, הייתה השפעה חשובה על התפתחות הפיזיקה הסטטיסטית. שם, הובהר לראשונה שגישות תאוריית השדה הממוצע כשלו בניבוי ההתנהגות הנכונה בנקודה הקריטית, והוחלפו על ידי תאוריית חבורת הרה-נרמול.
[עריכה] פרומגנטיות חריגה
בשנת 2004 דווח כי אלוטרופ מסוים של פחמן, ננו-קצף פחמני, הראה פרומגנטיות. האפקט דועך לאחר מספר שעות בטמפרטורת החדר, אבל נשאר יותר זמן בטמפרטורות נמוכות. החומר הוא גם מוליך למחצה. ישנה דעה כי חומרים אחרים בעלי צורה דומה, כגון תרכובות איזו-אלקטרונית של בורון וחנקן, עשויות להיות פרומגנטיות. הסגסוגת ZnZr2 היא גם פרומגנטית מתחת לטמפרטורה של 28.5K .
[עריכה] מקורות
- Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 1996).
- Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
- John David Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley: New York, 1999).
- E. P. Wohlfarth, ed., Ferromagnetic Materials (North-Holland, 1980).
- "Nanofoam makes magnetic debut," Physics World 17 (5), 3 (May 2004).
- "Heusler alloy," Encyclopedia Britannica Online, retrieved Jan. 23, 2005.
- F. Heusler, W. Stark, and E. Haupt, Verh. der Phys. Ges. 5, 219 (1903).
- Sergei Vonsovsky Magnetism of elementary particles (Mir Publishers, Moscow, 1975).
[עריכה] הערות שוליים
- ^ Richard M. Bozorth, Ferromagnetism, first published 1951, reprinted 1993 by IEEE Press, New York as a "Classic Reissue." ISBN 0-7803-1032-2.
| מצבים מגנטיים |
| דיאמגנטיות – דיאמגנטיות על – פאראמגנטיות – פאראמגנטיות על – פרומגנטיות – אנטי פרומגנטיות – פרימגנטיות – מטאמגנטיות – זכוכית ספין |
