Magnetisme. Ladede partikler i bevægelse kan mærke et magnetfelt. Lorentzkraften: F = ee + ev x B

Relaterede dokumenter
Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Øvelse i kvantemekanik Elektron-spin resonans (ESR)

A14 3 Magnetiske egenskaber

Statistisk mekanik 10 Side 1 af 7 Sortlegemestråling og paramagnetisme. Sortlegemestråling

Ordliste. Teknisk håndbog om magnetfelter og elektriske felter

Protoner med magnetfelter i alle mulige retninger.

Stern og Gerlachs Eksperiment

Skriftlig eksamen i Statistisk Mekanik den fra 9.00 til Alle hjælpemidler er tilladte. Undtaget er dog net-opkoblede computere.

C16 1 Knud Aage Thorsen: Magnetiske materialer. En detaljeret beskrivelse af de magnetiske materialers struktur og egenskaber

Danmarks Tekniske Universitet

Elektromagnetisme 10 Side 1 af 11 Magnetisme. Magnetisering

Elektromagnetisme 10 Side 1 af 12 Magnetisme. Magnetisering

Noter til elektromagnetisme

Appendiks 1. I=1/2 kerner. -1/2 (højere energi) E = h ν = k B. 1/2 (lav energi)

13 cm. Tværsnit af kernens ben: 30 mm 30 mm

European Spallation Source 2/9 2014

Atomers elektronstruktur I

Noget om: Kvalitativ beskrivelse af molekylære bindinger. Hans Jørgen Aagaard Jensen Kemisk Institut, Syddansk Universitet

Atomare elektroners kvantetilstande

Opgave 1. (a) Bestem de to kapacitorers kapacitanser C 1 og C 2.

Danmarks Tekniske Universitet

4 Plasmafysik, magnetisk indeslutning

Forsøg med magneter (permanente magneter)

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE Skriftlig prøve i Fysik 4 (Elektromagnetisme) 27. juni 2008

Partikelacceleratorer: egenskaber og funktion

Atomer og kvantefysik

Kapitel 10. B-felt fra en enkelt leder. B (t) = hvor: B(t) = Magnetfeltet (µt) I(t) = Strømmen i lederen (A) d = Afstanden mellem leder og punkt (m)

ELLÆRENS KERNE- BEGREBER (DC) Hvad er elektrisk: Ladning Strømstyrke Spændingsforskel Resistans Energi og effekt

Danmarks Tekniske Universitet

Vejledende opgaver i kernestofområdet i fysik-a Elektriske og magnetiske felter

Lim mellem atomerne Ny Prisma Fysik og kemi 8. Skole: Navn: Klasse:

Øvelsesvejledning: δ 15 N og δ 13 C for negle.

Magnetisme. Præsentation: Niveau: 7. klasse. Varighed: 5 lektioner

KONDENSATORER (DC) Princip og kapacitans Serie og parallel kobling Op- og afladning

Nanomagneter størrelsen betyder noget! Permanente magnetiske materialer har været

Naturkræfter Man skelner traditionelt set mellem fire forskellige naturkræfter: 1) Tyngdekraften Den svageste af de fire naturkræfter.

Lærebogen i laboratoriet

Bestemmelse af Magnetokalorisk Effekt ved 3ω-Metoden

k Annette Nyvad Kolding Gymnasium

A KURSUS 2014 ATTENUATION AF RØNTGENSTRÅLING. Diagnostisk Radiologi : Fysik og Radiobiologi

Magnetisme og harddisk-teknologi

At magnetiske materialer MAGNETBLANDING GØR STÆRK

AARHUS UNIVERSITET. Det Naturvidenskabelige Fakultet Augusteksamen OPGAVESTILLER: Allan H. Sørensen

IONER OG SALTE. Et stabilt elektronsystem kan natrium- og chlor-atomerne også få, hvis de reagerer kemisk med hinanden:

Danmarks Tekniske Universitet

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 6 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Magnetisk dipolmoment

Magnetisk dipolmoment

Kvantemagnetisme er et

Folkeskolens afgangsprøve Maj 2006 Fysik / kemi - Facitliste

Kapitel 8. Magnetiske felter - natur, måleenheder m.v. 1 Wb = 1 Tesla = Gauss m 2 1 µt (mikrotesla) = 10 mg (miligauss)

Atomets bestanddele. Indledning. Atomer. Atomets bestanddele

Hvorfor bevæger lyset sig langsommere i fx glas og vand end i det tomme rum?

DETTE OPGAVESÆT INDEHOLDER 5 OPGAVER MED IALT 11 SPØRGSMÅL. VED BEDØMMELSEN VÆGTES DE ENKELTE

Theory Danish (Denmark)

U = φ. R = ρ l A. Figur 1 Sammenhængen mellem potential, φ og spændingsfald, U: U = φ = φ 1 φ 2.

Formelsamling. Noter til Fysik 4 Elektromagnetisme

Vejledning til Betastrålers afbøjning

Årsplan Fysik/kemi 8. kl.

Færdigheds- og vidensområder. Eleven kan anvende og vurdere modeller i fysik/kemi. Eleven kan anvende og vurdere modeller i fysik/kemi

AIMT Hærderiet Induktionshærdning The Group of Aalberts Industries Material Technologies

6 Plasmadiagnostik 6.1 Tætheds- og temperaturmålinger ved Thomsonspredning

AARHUS UNIVERSITET. Det naturvidenskabelige fakultet 3. kvarter forår OPGAVESTILLER: Allan H. Sørensen

ELEKTROMAGNETISME. "Quasistatiske elektriske og magnetiske felter", side Notem kaldes herefter QEMF.

Den smarte hærdemetode Niels Lyth

Lys på (kvante-)spring: fra paradox til præcision

Intra- og intermolekylære bindinger.

Folkeskolens afgangsprøve Maj-juni 2006 Fysik / kemi - Facitliste

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 10 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Danmarks Tekniske Universitet

Orbital order in the spinel ZnV 2 O 4

1. Permanente magneter

Kvantecomputing. Maj, Klaus Mølmer

Induktion Michael faraday var en engelsk fysiker der opfandt induktionstrømmen i Nu havde man mulighed for at få elektrisk lys og strøm ud til

Tilstandssummen. Ifølge udtryk (4.28) kan MB-fordelingen skrives , (5.1) og da = N, (5.2) . (5.3) Indføres tilstandssummen 1 , (5.

FREMSTILLING AF VEKSELSPÆNDING. Induktion Generatorprincippet

Lys fra silicium-nanopartikler. Fysiklærerdag 22. januar 2010 Brian Julsgaard

Øvelse i kvantemekanik Kvantiseret konduktivitet

Bitten Gullberg. Solen. Niels Bohr Institutet

Teoretiske Øvelser Mandag den 28. september 2009

Syrer, baser og salte:

a og b Den magnetiske kraftlov Og måling af B ved hjælp af Tangensboussole

Elektromagnetisme 14 Side 1 af 9 Elektromagnetiske bølger. Bølgeligningen

Elektromagnetisme 7 Side 1 af 12 Elektrisk strøm. Elektrisk strøm

Et lident skrift til forståelse og oplysning om jernets molekylære LOGIK og skjønhed. Mads Jylov

Atomer er betegnelsen for de kemisk mindste dele af grundstofferne.

maj 2017 Kemi C 326

NATURFAG Fysik/kemi Folkeskolens afsluttende prøver Terminsprøve 2009/10

Skriftlig Eksamen i Moderne Fysik

MÅLING AF MELLEMATOMARE AFSTANDE I FASTE STOFFER

Skriftlig prøve i kursus 26173/F14 Side 1 af 15 UORGANISK KEMI Torsdag den 22. maj 2014

Superledning udødelig strøm og flyvende magneter Projektrapport

Antennens udstrålingsmodstand hvad er det for en størrelse?

Forsøg med Mag. Loop antenner.

UNDERVISNINGSPLAN FOR FYSIK/KEMI 2014

Kvantemekanik og atommodeller

MAGNETISME Emnehæfte

DET PERIODISKE SYSTEM

Forskning i materialers egenskaber har i de seneste

KØBENHAVNS UNIVERSITET NATURVIDENSKABELIG BACHELORUDDANNELSE

Transkript:

Magnetisme Ladede partikler i bevægelse kan mærke et magnetfelt Lorentzkraften: F = ee + ev x B

Magnetiske feltlinier Magnetfelt kan repræsenteres ved feltlinier Retning angiver feltets retning Størrelse angives ved tætheden af linier Feltlinier er kontinuerte (ingen start eller slut) Der findes ikke magnetiske monopoler/ladninger Dette er magnetfelter i vacuum (B) Analog til elektrisk dipol

Magnetiske momenter Ladning i en strømloop medfører et magnetisk moment (og tilhørende felt) Længden af vektor ds er arealet af strømloop Enhed = A*m 2 Sammenhæng med impulsmomenter L = r x p I atomer fremkommer magnetisk moment fordi ladede partikler med en masse bevæges i orbitaler (m 0 => p 0 ) Magnetiske moment er parallelt og proportionalt med impulsmoment μ = γl γ = gyromagnetiske forhold (hvor stort et magnetisk moment fremkommer fra givet impulsmoment)

Einstein de Haas effect Ferromagnetisk stang anbringes i strømspole Strøm => Magnetfelt => Magnetisk moment induceres langs stang Magnetisk moment giver også impulsmoment μ = γl Newtons 3. lov => stang begynder at dreje Måling af impulsmoment giver måling af magnetisk moment

Magnetiske momenter i et magnetifelt E = -μ. B Energien er minimal hvis μ og B er parallele μ = γl Kraftmoment Generelt M = dl/dt M = μ x B (appendix B) 1/γdμ/dt = μ x B => ændring i μ er vinkelret på μ og B => precession af μ rundt om B μ er tidsuafhængig Hvis ikke μ og L hang sammen ville B-felt dreje μ langs felt

Magnetisk moment fra en elektron Omkreds = 2πr Periode = 2πr/v Strøm = ladning per tid = -ev/2πr For kvantemekaniske elektroner er impulsmomentet ħ = mvr ħ/m = vr μ = Iπr 2 = (-ev/2πr)πr 2 = -evr/2 = -eħ/2m = -μ B = γħ μ B = Bohr magneton = enhed for magnetisk moment = 9.274 x 10-24 Am 2 Idet μ = γl fås γ = -e/2m

Magnetisering = magnetisk moment per volumen I vacuum kan magnetfelter beskrives ved B og H B = μ 0 H Når et materiale placeres i et felt bliver sammenhæng mere kompliceret idet materialet magnetiseres (M) Det samlede felt i materialet er B = B 0 + B M = μ 0 (H + M) I lineære materialer angiver en materialekonstant hvor stor en magnetisering et givet felt kan inducere M = χh B = μ 0 (1 + χ)h

Magnetiske fluxtæthed B 0 + B M Magnetisk feltstyrke vacuumpermeabilitet B = μh = μ 0 H + μ 0 M Magnetisk moment per volumen (magnetisering) Magnetisk susceptibilitet Permeabilitet for stoffet Magnetisk flux fra feltet χ = M/H Magnetisk flux fra prøven Angiver hvor meget en prøve kan magnetiseres i et felt H μ = μ 0 (1+χ) Men hvor stor er M?

Orbital moment, Spin moment Kvantetal: n, l, m l, m s l, m l angiver impulsmoment for elektron i given orbital Størrelsen af impulsmomentet L er ħ* l(l+1) (egenværdier for operatoren L 2 ) Projektionen ind på z-akse er m l * ħ (egenværdier for operatoren L Z ) Magnetisk moment μ= γl (fra før) μ = -e/2m e *m l * ħ = -m l *μ B μ = l(l+1)μ B 2l+1 mulige værdier for l, m l er projektion på z-aksen

Orbital momenter i magnet felt H=H 0 eb 2m e L z

Intrinsisk impulsmoment grundet spin s = m s = ±½ (2s+1 mulige spinværdier) Impulsmoment fra spin = m s * ħ = ± ħ/2 (langs given akse) Størrelsen S er ħ* s(s+1) => ħ* 3/2 Tilhørende magnetisk moment μ = g* s(s+1)*μ B (størrelse) Fra kvantemekanik g = g faktor = 2(1+α/2π +...) = 2.0023 (α = finstrukturkonstant) Energi i magnetfelt : E = gμ B m s B => Zeeman effekt: Splitning gμ B B ±μ B B

Orbital og intrinsiske momenter i magnetfelt H=H 0 eb 2m e L z +g e S z

Magnetiske momenter igen En elektron har et moment p.g.a. spin og bane Spin moment fra 1 elektron μ s = g s(s+1) = 1.73 BM (s=½, g=2) For et atom med flere uparrede elektroner μ s = g S(S+1) Total spin

Hvis banemoment (L) medtages: μ s = (4S(S+1)+L(L+1)) Hunds regler: 1) Maximer spin moment. 2) Maximer orbital moment For Fe 3+ (high spin) eller Eu 2+ haves uparrede elektroner i alle d (eller f) orbitaler => L = 0 (spin only)

Isolerede atomer i et magnetfelt Elektronspin har en energi i B felt (langs z-akse) E = gμ B Bm s ~ ±μ B B Hamiltonoperator for frie atomer Hamiltonoperator for atomer i et magnetfelt B Hvis stoffet har eget felt (paramagnetisme) Bidrag for alle stoffer (diamagnetisme) Husk isolerede : Ingen vekselvirkning mellem atomer

Diamagnetisme Elektronbevægelse giver en tilbagemagnetisering (svækkelse af B) Rent kvantemekanisk fænomen B felt langs z (0,0,B) Negativ Alle atomer giver et lille diamagnetiske bidrag til M

Diamagnetisme fortsat... Z eff yderste elektroner har ca samme radius Passer godt for ioniske forbindelser (lukkede skaller => ingen uparrede elektroner)

Paramagnetisme Atomer har magnetisk moment p.g.a. orbital og spin fra uparrede elektroner J = L + S Uden et ydre magnetfelt er disse momenter tilfældigt orienterede I et magnetfelt vil momenter delvist rettes ind Vi antager i det følgende at magnetiske IKKE vekselvirker med hinanden Øges B, øges tendensen til afretning af momenter Øges T, øges tendens til randomisering Magnetisering forventes derfor at være proportional med B/T

Semiklassisk beskrivelse af paramagnetisme B-felt langs z-aksen Momenter med vinkel θ har energi μbcosθ Areal af ring 2πsinθdθ Areal af kugle 4π => ½sinθdθ Sandsynlighed for at have moment mellem θ og dθ proportional med exp(μbcosθ/kt)*½sinθdθ y = μb/kt x = cosθ Gennemsnitlige moment langs B

M s = mætnings magnetisering = n*μ Μ = n*<μ Ζ > χ = μ 0 *(μb/3k B T)*n*μ/Β = C/T Curies Lov

Magnetisk felt B Magnetisk moment Magnetisk susceptibilitet Orbital moment Spin moment Diamagnetisme Paramagnetisme Curies lov

Paramagneter øger magnetisk flux (flere feltlinier) (χ positiv) Stoffet har permanente magnetiske momenter Diamagneter mindsker magnetisk flux (færre feltlinier) Der induceres et felt modsatrettet ydre felt

Magnetiske egenskaber Magnetiske effekter kræver tilstedeværelse af uparrede elektroner For uorganiske materialer findes de typisk på metalcentre (d, f)

Magnetiske vekselvirkninger Mange forskellige mekanismer hvorved momenter kan vekselvirke (bliver hurtigt meget svært) Simpleste dipol-dipol vekselvirkning Typisk værdi μ = 1μ B, r = 1Å => E = 1K Exchange vekselvirkning Ren kvantemekanisk effekt Elektrostatisk vekselvirkning: Elektroner vil helst ikke være samme sted i rummet Og Pauli princip gør, at de ikke kan have samme kvantetal Direkte exchange: vekselvirkning mellem elektroner i en kemisk binding

Superexchange: ordning gennem andre atomer (langtrækkende) Vis Ni d-orbitaler i oktaedrisk felt Indirekte exchange i metaller: RKKY vekselvirkning Magnetisk moment på et atom vekselvirker med ledningselektroner => spinpolarisering af ledningselektroner Ledningselektroner spinvekselvirker med andre atomers momenter Ordning

Magnetisk ordning Magnetiske momenter på atomer vekselvirker => ekstra led i Hamiltonoperatoren Dette energibidrag medfører spontan magnetisk ordning ved tilstrækkelig lav T For paramagneter betyder vekselvirkning mellem momenter at Curie loven brydes => Curie-Weiss lov χ = C/(T-θ) Ferromagnet: χ større end for paramagnet => θ > 0 Anti ferromagnet: χ mindre end for paramagnet => θ < 0

χ = C/(T-θ) Under T c (eller T N ) følger (anti)ferro magneter ikke Curie-Weiss

Ferro: χ stor (går mod konstant, falder hen mod T c ) Antiferro: χ lille (går mod 0 ved 0K momenter udslukker hinanden, Stiger med T op mod T N )

Pauli paramagnetisme

Spinel (ferrites hvis Fe 3+ ) Kemi 11: CCP pakning af O 2- A 8 B 16 O 32 A 2+ i 1/8 af tetraedriske huller B 3+ i ½ af oktaedriske huller (Mg 2+ ) t (2Al 3+ ) o (O 2- ) 4 Hvis nogle B 3+ er i tetraedriske kaldes strukturen invers spinel Max ½ af B 3+ kan være i tet (Fe 3+ ) t (Fe 2+,Fe 3+ ) o (O 2- ) 4 Fe 3 O 4

Størrelse A 2+ større end B 3+ oktaeder huller større end tetraeder Elektrostatisk tiltrækning Størst for 3+ omgivet af 6 ligander (oktaeder) Hvad bestemmer placering? Krystal felt stabilisering

Spinel magnetiske egenskaber struktur tegnet uden ilt Spin på oktaedriske og tetredriske sites er anti-parallelle Dobbeltexchange mellem M 2+ og M 3+ på oktaeder site (ferro) Superexchange mellem tet og okt (antiferro) ZnFe 2 O 4 Invers spinel (Fe 3+ ) t (Zn 2+,Fe 3+ ) o (O 2- ) 4 8 Fe 3+ på 8a 8 Fe 3+ på 16d 0 spin 8 Zn 2+ på 16d har ingen uparrede elektroner Magnetisk moment er 0 ved T = 0K (antiferromagnet)

MgFe 2 O 4 burde være som ZnFe 2 O 4 men den er ferrimagnet To mulige forklaringer 1. forbindelse er ikke fuldstændig invers (Fe 3+ ikke ligeligt fordelt) 2. Effektivt moment for Fe 3+ forskelligt for tet og okt sites (kovalent kemisk binding til ligander) 1 er gældende og ved høj T omdannes struktur til normal spinel Termisk syntese betingelser: quenched samples mere inverse end langsomt afkølede => quenched sample mere magnetisk MnFe 2 O 4 er 80% invers, men Mn 2+ og Fe 3+ er begge d 5 => magnetiske uafhængig af T (Ferri-magnet med 5 uparrede elektroner)

Faststofopløsninger med spinel struktur M 1-x Zn x Fe 2 O 4 M = Mg, Ni, Co, Fe, Mn For x = 0 (ingen Zn) haves stort set inverse spinelstrukturer (Fe 3+ ) t (M 2+,Fe 3+ ) o (O 2- ) 4 Forventet antal uparrede elektroner Mg = 0, Ni = 2, Co = 3, Fe = 4, Mn = 5 ZnFe 2 O 4 er normal spinel ved stuetemperatur men ingen antiferro kobling mellem jern => paramagnet Når M 2+ udskiftes med Zn 2+ fås flydende overgang fra normal til invers Zn 2+ kan også udskifte på tetraeder plads (Zn x Fe 3+ 1-x ) t (M 2+ 1-x,Fe 3+ 1+x ) o (O 2- ) 4 x = 0 => μ = 0 x = 1 => μ = 10 nås aldrig i praksis (magnetisk kobling ødelægges)

Granater (garnets) A 3 B 2 X 3 O 12 Koordinationstal 8 (12) tetraeder Oktaeder Iron garnets (B) 16 Fe3+ på 16a (X) 24 Fe 3+ på 24d Antiferromagnetisk kobling => Partiel udligning af spin (ferri) => 5 uparrede elektroner per formelenhed YIG har Y 3+ (d 0 ion) => 5 BM net moment

Faststofopløsning Y x Gd 3-x Fe 5 O 12 Gd 3+ har 7 uparrede elektroner på 24 c site Kobler antiparallelt til 24d 3x7 5 = 16 BM net moment (ferri) For Tb Yb haves også orbital moment => effektive moment større end med spin formel

Magnetic order paramagnetisme (anti-)ferromagnetisme ferrimagnetisme Exchange vekselvirkning Curie-Weiss lov Neel og Curie temperaturer Granater Spinel