Magnetic Materials. 6. Ders: Ferromanyetizma. Numan Akdoğan.

Transkript

1 agnetic aterials 6. Ders: Ferromanyetizma Numan Akdoğan Gebze Institute of Technology Department of Physics Nanomagnetism and Spintronic Research Center (NASA)

2 Ferromanyetik alzemelerin Histeresis Eğrisi Ferromanyetizma kavramı güçlü manyetik davranışı anlatmak için kullanılır. Bu güçlü mıknatıslanmanın kaynağı, manyetik momentlerin birbirine paralel olarak yönelmesiyle meydana gelen, kendiliğinden mıknatıslanmadır (spontaneous magnetization). Teknolojik uygulaması en yaygın olan mıknatıslanma çeşitlerinden biridir. Aşağıdaki şekilde Fe, Co ve Ni in mıknatıslanma eğrileri görülüyor. Şekilde her bir metal için deneysel doyum mıknatıslanması ( S ) değerleri de verilmiştir.

3 Ferromanyetik alzemelerin Histeresis Eğrisi Cullity, Introduction to magnetic materials (4.1) = dan = S a kadar olan eğrinin şekli ve doyum değerine hangi alanda ulaşıldığı yapıya duyarlı özelliklerdir. Fakat S in büyüklüğü yapıya bağlı değildir.

4 Ferromanyetik alzemelerin Histeresis Eğrisi Ferromanyetik malzemelerin mıknatıslanma eğrileri iki önemli bilgi içerir: Doyum mıknatıslanmasının büyüklüğü Demanyetize durumundan doyum değerine hangi yolla ulaştığı. Eğer doyuma ulaşmak için küçük manyetik alanlar yeterliyse, bu tür malzemelere soft (yumuşak) manyetik malzemeler denir. Bazı malzemelerin doyum değerine ulaşmak içinse çok yüksek manyetik alanlar gerekebilir. Bu tür malzemelere de hard (sert) manyetik malzemeler denir. Tam olarak ferromanyetik bir yönelime sahip olan saf bir demir tek kristali 5 Oe den daha az bir alanla bile doyuma getirilebilir. Böylece her bir cm 3 ü yaklaşık 1714 emu luk manyetik momente sahip olacaktır. Aynı alanı paramanyetik bir malzemeye uygularsak sahip olacağı manyetik moment yaklaşık 1-3 emu/cm 3 tür. Bu da ferromanyetizmanın paramanyetizmadan en az bir milyon kat daha güçlü olduğunu gösteriyor.

5 Ferromanyetik alzemelerin Histeresis Eğrisi Chikazumi, Physics of Ferromagnetism

6 Demanyetizasyon Alanı Ferromanyetik bir malzemenin mıknatıslanma eğrisi sadece manyetik duygunluğuna değil aynı zamanda malzemenin şekline de bağlıdır. Sonlu boyuta sahip bir malzeme manyetik alan ile mıknatıslandığı zaman malzemenin kutupları mıknatıslanmaya zıt bir manyetik alan oluşturur. Bu alan demanyetizasyon alanı (H d ) olarak isimlendirilir. Cullity, Introduction to magnetic materials B= H + 4π (4.2) d

7 Demanyetizasyon Alanı Demanyetizasyon alanının şiddeti manyetik kutup yoğunluğuyla, dolayısıyla mıknatıslanma ile orantılıdır. H d = N (4.2) d N d demanyetizasyon faktörü olarak isimlendirilir. Elipsoid için: 4π Küre için: 4π/3 Uzun ve ince çubuk için: Çok küçük Eğer manyetik alan uygularsak, etkin (toplam) manyetik alan: H = H H (4.3) etkin d

8 Demanyetizasyon Alanı Bu da histeresis eğrisinin kaykılmasına (shearing) sebep olur. Chikazumi, Physics of Ferromagnetism

9 197 yılında Pierre Weiss moleküler alan teorisini öne sürünceye kadar ferromanyetizma yeterince anlaşılamamıştır. Önceki bölümde bu teorinin, birçok paramanyetik malzeme için geçerli olan Curie-Weiss yasasına neden olduğunu göstermiştik. χ = T C θ θ = ργ C Hm = γ θ pozitif ise γ da pozitif olacağından H m ile nin aynı yönde olacağını ve moleküler alanın malzemeyi mıknatıslamak için uygulanan dış alana yardım edeceğini görmüştük. θ değeri yaklaşık olarak T C ye eşittir.

10 Curie sıcaklığının üstünde bir ferromanyetik malzeme paramanyetik olur ve ferromanyetik malzemenin duygunluğu Curie-Weiss yasasını takip eder. Ferromanyetik malzemeler için θ değeri (dolayısıyla moleküler alan katsayısı ) pozitif ve büyüktür. Fe için 1K in üstündedir. Bu durum Weiss a cesur ve mükemmel bir varsayım yapması için öncülük etmiştir: Ferromanyetik bir malzemede moleküler alan hem Curie sıcaklığının üstünde hem de altında etki etmektedir ve malzemeyi alan olmadığı durumda bile doyum mıknatıslanmasına götürebilecek kadar güçlüdür. Böylece malzeme kendi kendine mıknatıslanmaktadır. Fakat bu haliyle teori tam anlamıyla yeterli değildir. Çünkü bir parça Fe in mıknatıslanmasının nasıl kolayca kaldırılabildiğini nasıl açıklayacağız?

11 Weiss bu itirazı ikinci bir varsayımla cevapladı: Bir ferromanyetik malzeme demanyetize durumunda domen (domain) olarak isimlendirilen birçok küçük bölgeye bölünmüştür. Her bir domen doyum değerinde ( S ) kendi kendine mıknatıslanmış durumda. Fakat domenlerin mıknatıslanma yönü net mıknatıslanmayı sıfırlayacak şekilde yönelmiştir. Dolayısıyla ferromanyetik malzemeyi mıknatıslamak demek, malzemeyi çoklu domen (multi-domain) durumundan, mıknatıslanması alan yönünde olan tek domen (singledomain) durumuna dönüştürmektedir. Bu işlem esnasında herhangi bir bölgenin mıknatıslanmasının büyüklüğü değişmemektedir. Sadece mıknatıslanma yönü değişmektedir. Domenleri ayıran sınıra domen duvarı (domain wall) denir. Cullity, Introduction to magnetic materials

12 Dolayısıyla Weiss teorisinin iki temel varsayımı vardır: Kendi kendine mıknatıslanma Domenlere bölünme Sonraki gelişmeler her ikisinin de doğru olduğunu göstermiştir. Şimdi moleküler alan teorisine daha yakından bakalım.

13 Her bir atomu net manyetik momente sahip bir malzeme düşünelim ve sabit sıcaklıkta bu malzemenin mıknatıslanması (1) eğrisine göre alanla artsın. Ayrıca malzeme üzerine yalnızca H m moleküler alanının etkidiğini varsayalım. Cullity, Introduction to magnetic materials Şekildeki (2) eğrisi Hm = γ eğrisidir ve eğimi 1/γ ya eşittir. oleküler alan tarafından oluşturulan kendiliğinden mıknatıslanma iki eğrinin kesişme yeridir. Gerçekte iki kesişme yeri vardır. O ve P noktaları. Fakat O denge durumu değildir. Eğer sıfır ise ve uygulanan alan çok küçükse (yerin manyetik alanı) malzeme A noktasına kadar mıknatıslanacaktır. Fakat =A iken (2) bize H m =B olduğunu gösteriyor. Bu büyüklükteki bir alan da C mıknatıslanmasını oluşturmalı. Böylece, E ye kadar gidecek ve P noktasına varacaktır. P noktası denge durumundadır.

14 Cullity, Introduction to magnetic materials Aynı tarz bir düşünce P den büyük bir mıknatıslanmanın alan yok iken kendi kendine P noktasına geri döneceğini gösterir. Böylece P noktası söz konusu sıcaklıkta malzemenin spontaneous mıknatıslanmasıdır ( S ). Daha kısa söylemek gerekirse ferromanyetiktir. Bu yüzden bir ferromanyetik malzemeyi çok büyük bir moleküler alana maruz kalmış paramanyetik malzeme olarak düşünebiliriz. Bu alanın büyüklüğü yaklaşık olarak: 1 3 T=1 7 Oe.

15 Şimdi bu etkinin sıcaklıktan nasıl etkilendiğini inceleyelim. S sıcaklıkla nasıl değişiyor ve hangi sıcaklıkta malzeme paramanyetik oluyor. µ H Bu soruları cevaplamak için biraz önceki şekli H m yerine a = ye göre yeniden kt çizdirelim. Weiss ı takip ederek göreli mıknatıslanmanın Langevin fonksiyonu ile verildiğini varsayalım. a = La ( ) = coth( a ) 1 a Uygulanan alan sıfır olduğu zaman: µ Hm µγ µγ = = =. kt kt kt kt = a µγ Böylece /, a nın lineer fonksiyonudur ve eğim de mutlak sıcaklıkla doğru orantılıdır. (4.4) (4.5)

16 kt = a µγ (4.5) Cullity, Introduction to magnetic materials Burada (1) eğrisi Langevin fonksiyonudur ve (2) de T 2 sıcaklığı için (4.5) denkleminin çizimidir. P noktasındaki kesişme yeri kendiliğinden mıknatıslanmanın bu sıcaklıktaki değerini verir ve S / oranıyla ifade edilmiştir.

17 kt = a µγ (4.5) Cullity, Introduction to magnetic materials Sıcaklığın T 2 nin üstüne çıkarılması (2) eğrisinin orijinden sola doğru dönmesine sebep olur. Bu dönme P nin ve mıknatıslanmanın Langevin eğrisinde giderek azalmasına sebep olur. Eğri (3) durumunda ise T 3 sıcaklığında kendiliğinden mıknatıslanma yok olur. Bu yüzden T 3 Curie sıcaklığı T C ye eşittir. T 4 gibi herhangi bir daha yüksek sıcaklıkta malzeme paramanyetiktir. Curie sıcaklığı (3) eğrisinin eğiminden çıkarılabilir. Bu eğim Langevin eğrisinin O noktasındaki eğimi 1/3 e eşittir.

18 = a 3 kt = a µγ (4.5) 1 kt 3 ktc = = = a 3 µγ µγ µγ = 3k Böylece herhangi bir sıcaklıkta düz çizginin eğimi: T c / kt T a µγ T 3 c (4.6) = = (4.7)

19 / kt T = = a µγ T Böylece /, T/T C oranıyla belirlenir. 3 c (4.7) Bu da farklı ve T C değerlerine sahip olan bütün ferromanyetik malzemelerin / değerinin, özel bir T/T C değeri için aynı olacağı anlamına gelir. Bu durum (law of corresponding states) olarak isimlendirilir. Bu kanunun ifadesi tam kesin olarak olmasa da oldukça doğrudur. = nµ Biz daha önceden birim hacimdeki atom sayısını n ve olarak tanımladık. Fakat termal genleşme (thermal expansion) nedeniyle n sıcaklıkla değişiyor. Bu yüzden farlı sıcaklıklardaki / değerleri karşılaştırılamaz. Sıcaklığa bağlı mıknatıslanmayla uğraşırken spesifik mıknatıslanmayı (σ) kullanmak daha doğrudur (Kütle mıknatıslanması olarak da isimlendirilir). σ birim kütle başına manyetik momenti ifade eder. Böylece termal genleşme sonucu etkilemez.

20 σ S 1 coth a σ = a (4.8) Böylece aynı T/T C değeri için bütün malzemeler aynı σ S /σ değerine sahip olur. oleküler alan ifadesini de değiştirmemiz gerekir: Hm ρ = γ = γ = ( γρ) = ( γρ) σ ρ ρ (4.9) Böylece 4.6 ve 4.7 denklemleri aşağıdaki hale gelir: σ σ µγ µγρσ = = 3k 3k T c kt T ( ) a ( ) a µγρσ T 3 c (4.1) = = (4.11)

21 Fe, Co ve Ni için doyum mıknatıslanmasının sıcaklıkla nasıl değiştiği şekilde gösterilmiştir. Cullity, Introduction to magnetic materials Bu eğri σ S /σ vs T/T C formunda çizildiği zaman neredeyse tek bir eğri haline dönüşürler. Böylece Weiss ın corresponding states kanunu doğrulanmış olur. Fakat Weiss-Langevin teorisiyle tahmin edilen σ S /σ vs T/T C eğrisinin şekli deneyle uyumlu değildir. Bu yüzden Weiss ın teorisi Brilliouin fonksiyonu ile modernize edilmelidir.