Ferrom´ agness´ eg

altal rendezett, ellenkez˝o ir´any´u dip´olmomentuk er˝otere cs¨okkenti az eredeti er˝oteret, ez´ert ittχ_m <0, ´esµ_r<1. Ez a jelens´eg minden elektron mozg´as´an´al fell´ep, ez´ert a dia-m´agness´eg mindig jelen van, de a legt¨obb esetben a param´agness´eg mellett elhanyagolha-t´o. Mivel egy diam´agneses r´udban az elemi precesszi´os elektron-k¨or´aramoknak megfelel˝o dip´olmomentumok az er˝ot´er ir´any´aval szemben ´allnak be, ez a helyzet energetikailag nem kedvez˝o. Ez az oka annak, hogy a r´ud igyekszikdiagon´alis helyzetbe kifordulni az er˝ot´er ir´any´ab´ol, ´es ezzel cs¨okkenteni a helyzeti energi´aj´at. Innen sz´armazik a diam´agness´eg elnevez´es is.

5.2.3. Ferrom´ agness´ eg

A maradand´o m´agness´eggel rendelkez˝o ´un. ferrom´agneses anyagok (pl. vas, nikkel, kobalt) m´agness´eg´enek vizsg´alata sor´an kider¨ult, hogy azt nem az elektron p´alyamenti mozg´as´ab´ol sz´armaz´o dip´olmomentum okozza.

5.11. ´abra. Az Einstein-de Haas-k´ıs´erlet v´azlata

Az erre vonatkoz´o els˝o m´er´es az Einstein-de Haas-k´ıs´erlet volt. A m´er´esn´el egy ferro-m´agneses (vas) rudat torzi´os sz´alon egy tekercs belsej´eben f¨uggesztettek fel (5.11. ´abra), majd a tekercs ´aram´aval a vasrudat m´agnesezt´ek. Ezut´an a tekercsben az ´aram ir´ a-ny´at megford´ıtott´ak, ´es a sz´alon elhelyezett t¨uk¨or elfordul´as´at m´ert´ek. Az elgondol´as az volt, hogy a vasr´ud m´agnesezetts´eg´enek ´atford´ıt´asakor a m´agneses dip´olusok perd¨ ule-te is ´atfordul, ez´ert a perd¨ulet megmarad´asa miatt a vasr´udnak el kell fordulnia, hogy kompenz´alja a dip´olusok perd¨uletv´altoz´as´at. Az elfordul´asb´ol meg lehet hat´arozni az elektron-dip´olusok girom´agneses egy¨utthat´oj´at.

A k´ıs´erlet val´oban m˝uk¨odik, ´es v´egeredm´enye az¹, hogy a ferrom´agness´eg´ert felel˝os m´agneses dip´olus girom´agneses egy¨utthat´oja g_m´ert=−_m^e.

1Einstein ´es de Haas a k´ıs´erletben a girom´agneses egy¨utthat´o nagys´ag´ara _2m^e ´ert´eket kapott, amib˝ol azt a k¨ovetkeztet´est vont´ak le, hogy a ferrom´agness´eg´ert az elektron p´alya-m´agneses momentuma felel˝os.

A kapott girom´agneses egy¨utthat´o azt mutatja, hogy a ferrom´agness´eg nem az elekt-ron p´alyamenti mozg´as´aval van kapcsolatban. Az eredm´eny ´ertelmez´es´ere fel kellett t´ ete-lezni, hogy az elektronnak van egy m´as fajta mozg´asa is, amelyet a klasszikus modellben az elektronnak saj´at tengelye k¨or¨uli forg´as´aval pr´ob´altak ´ertelmezni. Az elektron forg´ a-sa perd¨ulettel j´ar, amit spinnek neveznek (a p´alyamenti mozg´asb´ol sz´armaz´o perd¨ulet neve p´alyamenti impulzusmomentum). A t¨olt¨ott r´eszecske (a modellben g¨omb) forg´asa ugyanakkor t¨olt´esmozg´assal is j´ar, vagyis a spinhez itt is t´arsul egy m´agneses dip´ olmo-mentum. Mint k´es˝obb kider¨ult, a spinnek ilyen egyszer˝u ´ertelmez´ese nem lehets´eges, ez az elektronnak (´es a t¨obbi ´un. elemi r´eszecsk´enek) mechanikai modellel nem ´ertelmezhet˝o saj´ats´aga.

A ferrom´agneses anyagokban az anyagt´ol f¨ugg˝o h˝om´ers´eklet, az ´un. Curie-h˝om´ers´eklet alatt az elektronspinek magukt´ol rendez˝odnek, ´es ´ıgy jelent˝os bels˝o m´agneses er˝oteret hoznak l´etre (a param´agness´eghez viszony´ıtva igen nagy bels˝o er˝ot´er oka az, hogy a spin dip´olmomentumok val´oban p´arhuzamosan ´allnak, szemben a param´agness´egn´el szerepet j´atsz´o p´alya-dip´olmomentumokkal, amelyek a h˝omozg´as miatt j´oval kev´esb´e rendezet-tek). Az anyag egy makroszkopikus m´eret˝u darabj´aban azonban nem az ¨osszes spin ´all be ugyanabba az ir´anyba, mert ez a m´agneses energia jelent˝os n¨oveked´es´et eredm´enyezn´e.

Az anyag ez´ert tartom´anyokra, ´un.dom´enekre bomlik, amelyeken bel¨ul azonos a

spinbe-´

all´as, a szomsz´edos tartom´anyokban viszont a spinek ellenkez˝o ir´any´uak, ez´ert egy ilyen ferrom´agneses anyag kifel´e nem mutat m´agneses hat´asokat.

Er˝os m´agneses er˝ot´er hat´as´ara azonban a dom´enek t¨obbs´eg´eben a spinbe´all´as az er˝ o-t´er ir´any´aba ford´ıthat´o, ´es ekkor a spinekhez kapcsol´od´o m´agneses dip´olusok er˝otere m´ar kifel´e is ´erz´ekelhet˝o lesz: az anyag m´agness´e v´alik. A m´agnesez´es fenti folyamat´aval magyar´azhat´o a P_m(H) f¨uggv´eny saj´atos hiszter´ezise.

A ferrom´agneses anyag m´agnes-´allapota nem egyens´ulyi ´allapot, ez´ert hosszabb r¨ ovi-debb id˝o alatt a m´agnes elromlik (a h˝omozg´as megsz¨unteti az azonos ir´any´u dip´olbe´all´ a-sokat, ´es ´ujra kialakulnak az ellenkez˝oleg m´agnesezett dom´enek). A m´agness´eg elveszt´ e-s´enek ideje f¨ugg az anyagt´ol ´es a h˝om´ers´eklett˝ol, j´o m´agnesek szobah˝om´ers´ekleten igen hossz´u ideig (´evtizedekig) megtartj´ak a m´agnesezetts´eg¨uket.

K´ıs´erlet: M´agneses dom´enek megfigyel´ese

Atl´´ atsz´o ferrom´agneses anyagb´ol (gr´an´atkrist´aly) k´esz¨ult mint´at mikroszk´op al´a tesz¨unk ´ugy, hogy a dom´enek m´agnesezetts´ege a f´ennyel p´arhuzamos le-gyen. A mikroszk´opban az ellenkez˝o ir´anyban m´agnesezett dom´enek m´as ´ ar-nyalat´unak l´atszanak, ez´ert a dom´enszerkezet metszete a mikroszk´opban l´ at-hat´ov´a v´alik. A mint´aban egy tekercsben foly´o ´arammal a f´ennyel p´ arhuza-mos m´agneses er˝oteret hozunk l´etre. Ha a m´agneses er˝ot´er nagys´ag´at- illetve

Kider¨ult azonban, hogy a j´o m´er´esi alapelv ellen´ere m´er´esi eredm´eny¨uk hib´as volt. K´es˝obb a k´ıs´erletet E. Back ism´etelte meg, ´es az ˝o eredm´enye (_m^e) bizonyult helyesnek, a m´er´est ennek ellen´ere Einstein-de Haas-k´ıs´erletk´ent tartj´ak sz´amon.

ir´any´at v´altoztatjuk, akkor nyomon k¨ovethetj¨uk a dom´enszerkezet v´altoz´ a-sait: az er˝ot´er ir´any´aban m´agnesezett dom´enek ter¨ulete megn˝o, az ellenkez˝o ir´any´uak´e lecs¨okken. A folyamat v´eg´en csak a t´er ir´any´aba mutat´o m´ agnese-zetts´eg marad, az ellenkez˝o ir´any´u dom´enek elfogynak, az anyagb´ol m´agnes lett.

K´ıs´erlet: Barkhausen effektus

Vasp´alc´ara sokmenet˝u tekercset tesz¨unk, aminek kivezet´eseit egy er˝os´ıt˝on kereszt¨ul hangsz´or´ohoz kapcsoljuk. Ezut´an egy m´agnest a vasp´alca mellett mozgatva, a vasp´alc´at m´agnesezz¨uk. Ek¨ozben a hangsz´or´ob´ol serceg˝o hangot hallunk.

Az utols´o k´ıs´erletben hallhat´o hang magyar´azata az, hogy a dom´eneknek k¨uls˝o er˝ot´er hat´as´ara bek¨ovetkez˝o ´atfordul´asa ugr´asszer˝u folyamat, ami a helyi m´agneses er˝ot´er ir´ a-ny´anak ugr´asszer˝u ´atfordul´as´aval j´ar. Az ´atfordul´o dip´olmomentumok a vasp´alc´ara tett tekercsben m´agneses indukci´o-v´altoz´asokat, ´es ´ıgy induk´alt fesz¨ults´egl¨ok´eseket hoznak l´etre. Az ugr´asszer˝u dom´en´atfordul´asok ´altal okozott elektromos jeleket alak´ıtja hang-g´a a berendez´es¨unk, ´es ezt a hangot halljuk a hangsz´or´oban. Azt a jelens´eget, hogy a dom´enek ´atfordul´asa ugr´asszer˝uen k¨ovetkezik be, Barkhausen-effektusnak² nevezik. A Barkhausen-effektus ´altal okozott elektromos jelek tanulm´anyoz´as´aval az anyag szerke-zet´ere vonatkoz´o inform´aci´okat kaphatunk.

2Heinrich Georg Barkhausen (1881 - 1956)n´emet fizikus

6. fejezet