Magnetism

Magnetism on füüsikaliste nähtuste kogum, mis avaldub kehade vastastikuses mõjus magnetvälja kaudu. Aineid, mis on võimelised reageerima neile mõjuvale magnetväljale, nimetatakse magneetikuteks. Väline magnetväli mõjutab kõiki aineid, kuid mõju tugevus ja suund on väga erinevad.
Magnetismi peamised avaldumisvormid on diamagnetism, paramagnetism, ferromagnetism ja ferrimagnetism. Dia- ja paramagneetikute magneetimiseks on vajalik väline magnetväli. Nende magnetiline vastuvõtlikkus on väga väike ja seega magneetumisel saadud väli väga nõrk. Diamagnetilised ained (nagu vask ja süsinik) magneetusvad välisele väljale vastupises suunas, paramagnetilised ained (nagu alumiinium ja hapnik) sellega samas suunas. Seetõttu tõukuvad diamagneetikud tugevamast välisest magnetvljast eemale, paramagneetikud aga tõmbuvad selle poole. Aineid, millele magnetväli avaldab tühist mõju, nimetatakse harilikult mittemagnetilisteks.
Ferro- ja ferrimagneetikuid iseloomustad suur magneline vastuvõtlikkus ja spontaanse (iseenesliku) magneetumise võime, nii et nad ei vaja magneetumiseks tingimata välist välja. Neid aga saab tugevas välises väljas magneetida püsimagnetiteks, mis ise tekitavad magnetvälja. Ainult vähesed ained on ferromagnetilised; kõige levinumad on raud, koobalt, niikel ja nende sulamid.
Et teatud ainetel on omadus mingis kindlas suunas orienteeruda, märgati juba sadu aastaid tagasi. Vanaaja inimesed teadsid, et kui magnetiidist kivike nööri otsa riputada ja lasta sel vabalt pöörduda, siis jääb see pidama põhja-lõuna suunale. Seda teadmist kasutasid ka iidsed meremehed.
Magnetismi allikad.
Magnetismil on kaks allikat:
Teatav osa aine magneetumisel on ka aatomituuma magnetmomendil, kuid see on elektroni spinnmomendist tavaliselt tuhandeid kordi väiksem ja seega magneetumise seisukohast tühine. Tuuma magnetmoment on aga oluline näiteks magnetresonantstomograafias.
Tavaliselt on elektronid qines paigutatud nii, et nende magnetmomendid üksteist tühistaksid. Osaliselt tuleneb see Pauli printsiibist, mille järgi vastupidiste magnetmomentidega elektronid moodustavad paarid. Isegi kui elektronkonfiguratsiooni jäävad üksikud, nn paardumata elektronid, on nende magnetmomendid enamasti orienteeritud eri suundades, nii et aine on ikkagi mittemagnetiline.
On siiski aineid. milles elektronide magnetmomendid kas spontaanselt või välise magnetvälja mõjul joonduvad ja niisugune aine (magnetmarjal) võib tekitada väga tugevat magnetvälja.
Materjali käitumine magneetikuna sõltub selle struktuurist, konkreetsest elektronkonfiguratsioonist ja temperatuurist: kõrge temperatuuri korral raskendab juhuslik soojusliikumine spinnidel joondumist säilitada.
Magnetismi vormid.
Magnetismi vorm (tüüp) sõltub sellest, kuidas aine reageerib välisele magnetväljale.
Diamagnetism.
Diamagnetism on aine omadus tekitada välisele magnetväljale vastupidine väli ja seetõttu sellest eemale tõukuda. Diamagnetilises aines pole paardumata elektrone, mistõttu elektronid ei saa magnetvälja järgi orienteeruda ja seda võimendada. Ilma välise magnetväljata pole diamagnetilistel ainetel oma magnetvälja; nad on mittemagnetilised.
Paramagnetism.
Paramagnetilise aine aatom- või molekulaarorbitaalidel on paardumata elektrone. Üksikute elektronide magnetmoment võib olla juhuslikult orienteeritud. Kui aga sellisele ainele rakendada välist magnetvälja, orienteeruvad need välise väljaga samas suunas ja tugevdavad sellega magnetvälja. Setõttu tõmbuvad paramagnetilised aned nõrgalt välise magnetvälja poole.
Ferromagnetism.
Magnetmoment ferromagnetilise materjali aatomites paneb aatomid käituma sarnaselt pisikeste püsimagnetitega. Nad organiseeruvad väikesteks enam-vähem ühesuurusteks regioonideks, mida tuntakse magnetiliste domeenidena. Magnetdomeene on võimalik vaadelda MFM-mikroskoobiga, mis näitab domeenidevahelisi piire. Kui doomeen sisaldab liiga palju aatomeid, siis muutub see ebastabiilseks ja jaguneb kaheks vastassuunas orienteeritud domeeniks, mis püsivad palju stabiilsemalt koos.
Sattudes magnetvälja mõju alla, domeenide piirid nihkuvad ja domeenid orienteerunud välja järgi. Kui magnetväli eemaldada, siis ei pruugi domeenide endised piirid taastuda, mis toob kaasa aine magneetumise: niimoodi tekivad püsimagnetid. Kui magnetvälja mõju on piisavalt tugev, nii et üks domeen neelab kõik teised, siis on materjal magnetiliselt küllastunud.
Lisaks välise magnetvälja järgi orienteerumisele on nende elektronidel omadus ka üksteise järgi orienteeruda, et saavutada madalam energiatase. Seetõttu säilitavad elektronide spinnid orientatsiooni üksteise suhtes ka siis, kui väline magnetväli eemaldada.
Igal ferromagneetikul on üks kindel temperatuur, Curie punkt, millest kõrgemal temperatuuril kaotab aine oma ferromagnetilised omadused, sest domeenide korrastatud olek rikutakse ja magnetilised omadused kaovad. Kui aine maha jahutatakse, siis domeenide organiseeritus taastub, umbes samamoodi nagu külmutatud vedelikul taastub tahkes olekus kristallstruktuur.
Antiferromagnetism.
Erinevalt ferromagneetikutest on antiferromagneetikute valentselektronide magnetmomendid naaberelektronide omadega võrreldes vastassuunalised. Kui kõik aine aatomid on naabriga võrreldes vastassuunaliselt orienteeritud, siis on aine summaarne magnetmoment null ja aine antiferromagnetiline. Antiferromagneetikud on haruldasemad kui teistsuguste magnetiliste omadustega ained ja nähtus ilmneb madalatel temperatuuridel. Kõrgemate temperatuuride puhul võivad antiferromagneetkud näidata peamiselt ferrimagnetilisi omadusi.
Ferrimagnetism.
Ferrimagnetismil on sama füüsikaline päritolu mis ferromagnetismil. Peamine erinevus seisneb selles, et ferrimagneetikute domeenides on erinevat tüüpi aatomeid. Nagu ferromagneetikud, säilitavad ferrimagneetikud magneeditud oleku ka välise välja mõju puudumisel. Sarnaselt antiferromagnetitega osutavad nende magnetmomendid vaheldumisi vastassuundades. Ferrimagneeetikute domeenides aga need vastassuunalised magnetmomendid ei tühista üksteist täielikult, sest magnetmomentide mõju on ühes suunas suurem kui vastassuunas.
Enamik ferriitmaterjale on ferrimagneetikud. Esimene avastatud magnetiline aine magnetiit on ferrimagneetik. Seda peeti algselt ferromagneetikuks, kuid Louis Néel, ferrimagnetismi avastaja, lükkas selle ümber.
Superparamagnetism.
Kui ferromagneetik või ferrimagneetik on piisavalt väike, siis toimib see nagu üksik magnetiline spinn, mis käitub Browni osakesena. See reageerib magnetväljale põhimõtteliselt nagu paramagneetik, kuid oluliselt tugevamalt.