Magnetisme

Magnetisme er ei fysisk eigenskap som verkar via magnetfelt og som gjer at straumførande elektriske leiarar og andre magnetfelt utøver tiltrekkjande eller fråstøytande krefter på kvarandre. Opphavet til magnetiske felt er elektriske ladingar i rørsle (elektrisk straum) og dei magnetiske moment til elektronane sine orbitale og eigenspinn (ein kvantfysikalisk egenskap). Magnetfelt opptrer i lukka sløyfer, på same måte som elektrisk straum, og magnetiske monopolar er ikkje observerte.

 Magnetiske materialar 
Materialar som forsterkar magnetfelt vert kalla magnetiske. Nokre av desse kan gjerast permanent magnetiske og vert då kalla permanentmagnetar. To materialtypar er særleg magnetiske. Den eine er 
ferromagnetiske materialar, som jarn, stål, kobolt, nikkel og fleire legeringar. Den andre typen er ferrimagnetiske materialar, som  ferritt og magnetitt. Alle andre material har òg, i større eller mindre grad, magnetiske eigenskapar, men i dei fleste tilfelle er eigenskapane så svake at dei berre kan påvisast under laboratorietilhøve. Ordet Magnet kjem frå Magnesia ad Sipylum der ein i antikken for første gang oppdaga fenomenet. Noko som er prega av magnetisme vert kalla magnetisk. 

Kvar av elektronane i eit atom har eit magnetisk moment i høve til spinntilstanden, som berre kan forklarast med kvantemekanikk. Som ein konskvens av Paulis eksklusjonsprinsipp kan ingen av elektrona i eit enkelt atom ha dei same fire kvantetala, noko som fører til at dei magnetiske momenta til elektrona for det meste kansellerer kvarandre. Om kanselleringa er ufullstendig vil atomet ha eit netto magnetisk moment. 
I tillegg til kvart elektron sine eigne magnetiske moment på grunn av spinn oppstår det òg magnetiske moment på grunn av at elektrona krinsar rundt atomkjernane. Kjernane i atoma har òg magnetiske moment, men dei er ca. 2000 gongar svakare enn momenta til elektronane. Dei spelar difor ein underordna rolle i dei fleste samanhengar, men dei er viktige i samband med nuklear magnetisk resonans (NMR). 

 Klassifisering 
mini|500px|Fig. 1 Klassifikasjon av magnetisme.
Som vist i fig. 1 kan vi dela magnetismen i to grupper, som i sin tur kan delast i undergrupper:
 Ukompenserte atommoment på grunn av orbital og angulær spin (permanete moment)
 Uavhengige magnetiske moment (ideell paramagnetisme) 
 Samarbeidande magnetiske moment (orbital spinn og eigenspinn)
 Ferromagnetisme
 Antiferromagnetisme
 Ferrimagnetisme
 Bandgapmagnetisme:
 Pauli spin paramagnetisme
 Bandgap-antiferromagnetisme
 Bandgap-ferromagnetisme

 Diamagnetisme 

Elektrona rundt eit atom dannar vanlegvis par, slik at dei magnetiske momenta deira opphevar kvarandre. Dei fleste atoma har difor eit ubetydeleg netto magnetisk moment. Men så godt som ingen stoff er helt upåverka om dei vert plasserte i eit kraftig magnetfelt. Dei fleste faststoff, væsker, gassar og organiske materialar  er svakt diamagnetisme og vert fråstøytte av magnetfelt. Slike materialar vert kalla diamagnetiske. Men diamagnetismen er så svak at han skjeldan vert lagt merke til. 

Når eit diamagnetisk materiale vert plassert i eit magnetfelt vil dei upara elektrona danna magnetiske dipolar som orienterer seg i same retning og forsterkar det eksterne magnetfeltet. I vakuum er den magnetiske flukstettleiken (med eininga T = Wb/m = HA/m)

der  H/m er permeabiliteten i vakuum og  er den magnetiske feltstyrken (med eininga A/m). Men når materialet er i eit magnetisk felt er han

der  vert kalla magnetisk polarisasjon.   er generelt ulineær, men i diamagnetiske og paramagnetiske materialar i svake magnetfelt er  tilnærma lineær, og kan uttrykkast

der  vert kalla magnetisk suseptans. Den magnetiske felttettleiken i () kan då skrivast som 

der  er den relative permeabiliteten til materialet. I diamagnetiske materialar er  litt mindre enn 1, så diamagnetiske materialar svekkar den magnetiske fluksen litt. Men diamagnetismen er i dei aller fleste samanhengar så svak at han berre kan påvisast under laboratorietilhøve.

 Paramagnetisme 

I stoff der ikkje alle elektrona i atoma opptrer parvis vil atoma ha eit netto magnetisk moment, men på grunn av termisk eksitasjon vil dei vera orientert hulter til bulter i alle retningar, slik at dei magnetisk momenta kansellerer kvarandre og på eit makroskopisk nivå er ikkje materialet magnetisk. Slike stoff vert kalla paramagnetiske. Nokre døme på slike stoff er aluminium, platina og natrium.  

 Samarbeidande magnetiske moment 
Denne gruppa femnar om materialar der både orbitale og eigenspinn er med på å forsterka den magnetiske fluksen i materialet.

 Ferromagnetisme 

mini|Fig. 2 Dei magnetiske domena i ein neodym-magnet gjort synlige med eit Kerr-mikroskop.
I ferromagnetiske materialar inngår ikkje alle elektrona i pardanningar, så atomane har eit netto magnetiske moment, som samverkar med dei magnetiske momenta til andre atom. Dei interaktive atomane dannar sokalla magnetiske domene av storleiksorden ein  (atomar har storleiksorden 100 pm). Domena dannar små dipolar som i utgangspunktet peikar hulter til bulter i alle retningar. Denne orientering kjem i stand av di ho minimaliserer energien lagra i materialet. 

Når eit ferromagnetisk materiale vert plassert i eit magnetfelt vil dei magnetiske domena auka i storleik og orienterer seg i same retning og forsterka det eksterne magnetfeltet med ein faktor , slik at den magnetiske felttettleiken blir

I nokre ferromagnetiske materialar, som blautt jarn er magnetiseringa ustabil, slik at ho delvis forsvinn når det eksterne magnetfeltet vert fjerna. Denne eigenskapen gjer ferromagnetiske materialar atraktive som kjerne i spolar og transformatorar, der retninga på magnetfeltet snur fleire gong per millisekund, eller til og med per nonosekund i høgfrekvenskrinsar. Men i motsetnad til i diamagnetiske materialar er  kraftig ulineær i ferromagnetisk materialar og magnetiseringa/demagnetiseringa er hysterisk. Ferromagnetiske materialar som ikkje held på magnetismen har ei smal hysteresekurve.

Ferromagnetiske materialar med ei brei hysteresekurve vert permanent magnetiserte, og vert då kalla permanetmagnetar. Slike materialar innkluderer jarn, kobolt, nikkel, neodyn og fleire legeringar, som alnico (51% Fe, 8% Al, 14% Ni, 24% Co, 3% Cu). Det som held fast dei magnetiske domena i same retning er at domena er irregulære og det krevst tilførsel av energi for å skaka dei ut av plassane sine i materialet. Den naudsynte energien kan tilførast i form av eit eksternt magnetfelt, ved terminsk eksitasjon (oppvarming), eller ved ein mekanisk impuls, til dømes eit slag med ein hammar eller i nokre tilfelle ved at magneten vert sleppt ned på golvet.  Temperaturen der magnetiseringa forsvinn på grunn av termisk eksitasjon vert kalla Curietemperaturenen.

 Antiferromagnetisme 

mini|Fig. 3 Spinnorientering i eit antiferromagnetisk material.
I antiferromagnetiske materialar har dei magnetiske momenta til naboelektronar ein tendens til å orientera seg i motsett retning til kvarandre, slik at momenta vert kansellerte. Antiferromagnetisme opptrer ved låge temperaturar og forsvinne ved og over ein viss temperatur, kalla Néel-temperaturen. Når temperaturen er nær det absolutte nullpunktet er momentet til naboelektrona ikkje lengre er parallelle, noko ein kan kalla spinnkvelving eller spinkantring.

 Ferrimagnetisme 

mini|Fig. 4 Spinnorientering i eit ferrimagnetisk material
Ferrimagnetiske materialar liknar på antiferromagnetiske materialar på et viset at dei magnetiske momenta til naboatom er orienterte i motsette retningar, men på grunn av den geometriske plasseringa i materialet er ikkje alle momenta like kraftige i ferrimagnetiske materialar. Dei har difor netto magnetisk moment (netto magnetisering). Ferrimagnetisme er ei vanleg form for magnetisme. Dei fleste ferrittar, til dømes, er ferrimagnetiske, og magnetiske platelager er laga av ferrimagnetiske materialar. Magnetitt () er òg ferrimagnetisk. Før Louis Néel i 1948 skildra ferrimagnetisme skilde ein ikkje mellom ferro- og ferrimagnetisme.

 Bandgapmagnetisme 
Magnetisme i bandgap vert studert i samband med halvleiarar, og er eit aktivt forskingsfelt. Ein kan grovt klassifisera bandgapmagnetisme som: Pauli spin paramagnetisme, bandgap-antiferromagnetisme og bandgap-ferromagnetisme.

 Referansar 
R.W. Chabay og B.A. Sherwood, Matter & interactions, 3. utg., John Wiley & Sons, 2011.
D.C. Giancoli, Physics for scientists and engineers, 2. utg., Prentice- Hall, 1988.
E, Hecht, Physique, de Boeck & Larcier, 1999.
L. Néel, Propriétés magnétiques des ferrites ; ferrimagnétisme et antiferromagnétisme, Annales de Physique, vol. 12, nr 3, 1948, ss.137–198.

Kategori:Magnetisme
Kategori:Faststoffysikk
Kategori:Faseovergangar