Niezwykły ferromagnetyzm

Niezwykły ferromagnetyzm

Skąd bierze się ferromagnetyzm i jak on działa? Czym są ferromagnetyki twarde i miękkie? Czym jest antyferromagnetyzm i ferrimagnetyzm? Zapraszam na artykuł poświęcony potędze magnetyzmu!

Dziś opowiem Ci o ferromagnetyzmie, niezwykłym zjawisku cechującym jedynie ułamek znanej nam materii. Gorąco zachęcam do nadrobienia w tym miejscu dwóch poprzednich artykułów, w których pisałem o pochodzeniu magnetyzmu oraz sposobie działania diamagnetyzmu i paramagnetyzmu:

Skąd bierze się magnetyzm? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Czym jest diamagnetyzm i paramagnetyzm? – artykuł na TeoriaElektryki.pl

Skąd wziął się ferromagnetyzm?

Pierwsze moje zetknięcie z magnetyzmem pochodzi sprzed ponad 20 lat, kiedy to mój dziadek widząc moje ogólne znudzenie przynosił mi pudełeczko z przeróżnymi rozmaitościami. Były tam śrubokręty, śrubki, nakrętki, małe łożyska, gumowe uszczelki i były tam też magnesy. Jako kilkulatek nie miałem pojęcia dlaczego magnes przyciąga metalowe obiekty – tak było i już. Pamiętam za to, że pocierając magnesem o śrubokręt sprawiałem, iż on sam stawał się magnesem i mógł przyciągać do siebie inne metalowe obiekty. Wyobraź sobie co takie poczucie ,,magnetycznej” władzy musi robić z głową kilkulatka i jakie pomysły może zrodzić. Niestety większość z nich spaliła wówczas na panewce (jak pomysł o magnetycznych butach) częściowo dlatego, że nie miałem tak naprawdę pojęcia z czym się mierzę i jak ten cały magnetyzm działa. Musiało minąć kilkanaście lat nim wreszcie odkryłem tę nurtującą mnie tajemnicę i poznałem czym jest zjawisko zwane w książkach ferromagnetyzmem.

Ludzkość ferromagnetyzm zna i wykorzystuje od ponad 1000 lat. To dzięki ferromagnetyzmowi chiński generał Cheng Ho był w stanie w 1433 roku dopłynąć do Afryki, a Kolumb w 1492 roku do Ameryki. Dzięki ferromagnetyzmowi udało się stworzyć silnik elektryczny oraz doprowadzić prąd elektryczny do naszych domów. Ferromagnetyzm towarzyszył wszystkim wielkim odkryciom naszej cywilizacji i rządził niepodzielnie, aż do czasu wynalezienia tranzystorów. Znaliśmy niemal wszystkie właściwości ferromagnetyzmu i umieliśmy wykorzystywać go na niezliczoną ilość sposobów, a jednak dopiero w XX wieku udało się ustalić skąd on się (prawdopodobnie) bierze. Była to jedna z najpilniej strzeżonych przez naturę tajemnic, a wszystko zaczęło się tak naprawdę od niepozornego kawałka skały.

Magnetyt z Boliwii; źródło: Rob Lavinsky, iRocks.com

Widoczny na zdjęciu magnetyt, czyli związek Fe3O4, to występujący naturalnie minerał wykazujący właściwości magnetyczne, od wieków nazywany naturalnym magnesem. W poprzednich artykułach pisałem o diamagnetyzmie i paramagnetyzmie, które są oddziaływaniami tak słabymi, że dopiero zaawansowana, XIX wieczna technologia pozwoliła na ich zaobserwowanie. Magnetyt to zupełnie inna bajka. Jego magnetyzm był na tyle silny, że nie był on w stanie umknąć uwadze ciekawskich i pomysłowych, starożytnych Chińczyków.

To właśnie Chińczycy stali się prekursorami w wytwarzaniu magnetytowych igieł, służących do budowy bardzo prymitywnych kompasów. Wyglądem przypominały one łyżeczki z nieco przykrótką rękojeścią, które, jak można się domyślić, średnio nadawały się do nawigacji na mocno rozbujanym morzu. Stąd też wykorzystywano je głównie do orientacji lądowej i wytyczania planów miast. Mimo tych ograniczeń magnetyt był ważnym prekursorem w magnetycznej nawigacji. Świadczyć o tym może chociażby jego szeroko stosowana, staroangielska nazwa lodestone, oznaczająca w wolnym tłumaczeniu ,,kamień podróży”.

Najstarszy znany kompas wykonany z magnetytu; źródło: https://www.smith.edu/

I tak jak Chińczycy rozpoczęli magnetytową rewolucję tak i oni położyli jej kres, kiedy to niejaki Zheng Gongliang w 1064 roku odkrył, że takie same magnetyczne właściwości może uzyskać żelazo. Wystarczy tylko rozgrzać je do czerwoności, a następnie szybko schłodzić. W ten sposób powstały pierwsze, sztucznie namagnesowane żelazne igły, które zaledwie 20 lat później stały się komponentami pierwszym kompasów z prawdziwego zdarzenia. Chińczycy rozpoczęli w ten sposób erę władzy nad magnetyzmem, którego prawdziwej natury tak naprawdę nie znali. Dlaczego akurat żelazo dało się namagnesować? Czym różniło się ono od magnetytu? Odpowiedzi na te pytania nadeszły dopiero 900 lat później, kiedy to w 1948 roku francuski fizyk Louis Néel opisał prawa rządzące ferromagnetyzmem.

Co to jest ferromagnetyzm?

Za wszystkie znane nam oddziaływania magnetyczne odpowiadają elektrony. Elektrony, oprócz tego że są małe, zwinne i naładowane ładunkiem ujemnym to mają też tzw. spin. Spin to cecha elektronu, dzięki której emituje on własne pole magnetyczne, przez co zasadniczo działa jak normalny magnes sztabkowy (taki z biegunem północnym i południowym). Spin co ważne występuje w dwóch wersjach (jedna jest lustrzanym odbiciem drugiej) i, jak odkrył szwajcarski fizyk Wolfgang Pauli, elektrony orbitujące w atomie lubią dobierać się w pary o przeciwnych spinach. Dlaczego to takie ważne? Bo pola pochodzące od elektronów o przeciwnych spinach będą się wzajemnie kasować.

Materiał zbudowany z atomów, w których wszystkie elektrony się sparowały nazywa się diamagnetykiem i nie będzie on przyciągany przez magnes. Często jednak zdarza się tak, że jednemu, bądź kilku elektronom w atomie nie udaje się sparować. Co wtedy? Atomy starają się jeszcze ratować sytuację ,,handlując” ze sobą nawzajem poprzez tworzenie przeróżnych wiązań, ale czasami i to nie wystarczy. Magnetyzm niesparowanego elektronu odbija się wówczas na całym atomie, przez co on sam staje się magnesem.

W poprzednim artykule pisałem, że materiały posiadające atomy o niesparowanych elektronach nazywamy paramagnetykami. Do tej grupy należą aluminium, miedź, cynk, czy na przykład tlen. Nie zdziw się jednak brakiem reakcji, kiedy do kawałka aluminium przyłożysz magnes – paramagnetyzm to zjawisko niezwykle słabe i uda ci się je zaobserwować dopiero po zawieszeniu malutkiego kawałka aluminium w powietrzu i przyłożeniu naprawdę potężnego magnesu. Istnieje jednak pewna niewielka grupa materiałów niezwykle mocno reagujących z przyłożonym magnesem – do tej grupy należy karoseria twojego samochodu, drzwi twojej lodówki i tanie narzędzia z marketów budowlanych.

Ferromagnetyki, bo o o nich tutaj mowa, to materiały niezwykle podobne do paramagnetyków. One również ,,lubią” pole magnetyczne i tak samo spowodowane jest to posiadaniem niesparowanych elektronów. Zasadnicza różnica polega na tym, że ferromagnetyzm to zjawisko znacznie potężniejsze od paramagnetyzmu (jakieś kilkadziesiąt tysięcy razy), ale przy tym występujące ono znacznie rzadziej. Niech świadczy o tym fakt, że pierwiastków tworzących ferromagnetyki znamy zaledwie… cztery. A tak właściwie liczą się tylko trzy, bo czwarty Gadolin traci swoje właściwości ferromagnetyczne powyżej temperatury 19°C. Oto zatem przed wami święta trójca ferromagnetyzmu:

Specjalnie napisałem ,,pierwiastki tworzące ferromagnetyki”, bo ferromagnetyzm to nie jest cecha atomowa. Gdyby bowiem chodziło tylko o ilość niesparowanych elektronów, to nikiel posiadający ich dwa, kobalt trzy, a żelazo cztery nie miałyby szans z takim Manganem, Technetem, czy Renem (5 niesparowanych elektronów), a są i pierwiastki, które mają ich 6, a nawet 7. Na usta ciśnie się zatem pytanie: Co takiego specjalnego jest w strukturach żelaza, niklu i kobaltu (a także gadolinu, gdy na dworze jest zimno), że pomimo małej ilości niesparowanych elektronów drzemie w nich tak ogromny magnetyzm?

Trudno powiedzieć… Oczywiście fizycy i krystalochemicy dość dobrze rozpracowali strukturę jaką tworzą pierwiastki ferromagnetyczne i już w 1906 r. niejaki Pierre Weiss zaproponował pierwszą, dość logicznie brzmiącą teorię wyjaśniającą ferromagnetyzm. Niestety tak jak większość teorii z początku XX wieku tak i teoria Weissa miała pewne luki, które udało się załatać dopiero mechaniką kwantową. Dobrze przeczytałeś – ferromagnetyzm to mechanizm kwantowy, a na dodatek ma on w sobie delikatną nutkę teorii względności, przez co nie jest to zjawisko szczególnie łatwe w obserwacji. I choć skomplikowane oddziaływania między elektronami pozostają dla nas nieuchwytne, to nie ma co załamywać rąk, bowiem o ferromagnetyzmie i tak wiemy całkiem sporo, o czym zaraz się przekonasz.

Domeny magnetyczne i spontaniczna magnetyzacja

Natura nie lubi magnetyzmu. Zdanie to powtarzam jak mantrę we wszystkich artykułach o magnetyzmie, ale taka jest prawda i nie ma co tego ukrywać. W paramagnetykach na przykład magnetyzm jest początkowo ukryty, dzięki losowemu ułożeniu atomowych pól magnetycznych, niwelujących siebie nawzajem. Dopiero przyłożenie silnego magnesu obraca większość z nich w mniej więcej wspólnym kierunku i paramagnetyk staje się na moment słabym, ale jednak magnesem.

Ferromagnetyki sprawiają więcej problemów, jeśli chodzi o ukrycie magnetyzmu. Ich struktura krystaliczna zbudowana jest tak, że atomom najwygodniej jest… naśladować siebie nawzajem i orientować swoje pola magnetyczne w tym samym kierunku. Ciekawe, prawda? Nawet jeśli siłą je wymieszamy, na przykład mocno podgrzewając ferromagnetyk, to po ochłodzeniu elektrony ponownie, bez widocznego powodu obrócą się tak samo jak ich bliscy sąsiedzi. Zachowanie to nazywa się spontaniczną magnetyzacją i jest podstawową cechą odróżniającą ferromagnetyki od paramagnetyków.

Tak jak łącząc dwa magnesy otrzymamy silniejszy magnes tak i zorientowane w ten sam sposób magnetyczne atomy wzmacniają wzajemnie swoje pola magnetyczne. Ale jak natura nie lubiąca magnetyzmu ma sobie z tym poradzić? Okazuje się, że spontaniczna magnetyzacja nie jest w stanie objąć całego ferromagnetyka i pola magnetyczne układają się zgodnie jedynie na niewielkich obszarach zwanych domenami magnetycznymi.

Domen w ferromagnetyku może być wiele i mogą mieć różne rozmiary, jednak natura zawsze dba o to, by każda z nich skierowana była w innym kierunku. Dzięki temu ich pola magnetyczne będą się wzajemnie niwelowały, a cały ferromagnetyk będzie, koniec końców magnetycznie obojętny. No chyba, że przypadkiem dwie domeny się wzajemnie zblokują, ale wtedy wystarczy uderzyć taki ferromagnetyk kilka razy młotkiem i wszystko wraca do normy (naprawdę). Oczywiście wszystko co tutaj napisałem działa tylko wtedy, gdy w pobliżu ferromagnetyka nie znajduje się żaden magnes, bo w przeciwnym wypadku… reguły gry całkowicie się zmieniają.

Orientacja domen

W paramagnetyku obecność magnesu powoduje obrócenie pojedynczych spinów magnetycznych. W ferromagnetyku mamy do czynienia z obracaniem się całych domen magnetycznych. Proces ten jest niezwykle szybki, domeny obracają się ,,skokowo”, a ich wzajemna orientacja jest niemal idealna. W rezultacie cały ferromagnetyk staje się jak gdyby jedną wielką domeną emitującą potężne pole magnetyczne, zgodne z kierunkiem pobliskiego magnesu.

Odsuwając magnes spodziewamy się, że domeny na powrót zorientują się losowo. I tak się owszem dzieje, ale tylko w niektórych ferromagnetykach zwanych miękkimi. One nie zachowują wymuszonej magnesem orientacji i znaczna większość materiału z powodu drgań cieplnych, prędzej czy później tworzy ponownie układ losowych domen. Do ferromagnetyków miękkich zaliczamy m. in. stopy żelaza z kobaltem, czy żelaza z niklem.

Inaczej sprawa wygląda w przypadku ferromagnetyków twardych. Są one nieco bardziej oporne na obracanie swoich domen magnetycznych, dlatego do ich namagnesowania potrzebujemy znacznie silniejszego pola magnetycznego. Posiadają one jednak pewną wynagradzającą tę niedogodność cechę: po usunięciu pola magnetycznego tylko niewielka część domen wraca do losowego układu. Za to znaczna ich większość ,,zapamiętuje” swoje kierunki, dzięki czemu ferromagnetyk zachowuje wcześniej ustawione pole magnetyczne. Zjawisko to fachowo nazywa się magnetyzacją resztkową lub szczątkową i to dzięki niej istnieje w ogóle coś takiego jak magnesy trwałe.

Oczywiście wytwarzanie magnesów trwałych z prawdziwego zdarzenia to znacznie bardziej skomplikowany proces, który opiszę w jednym z kolejnych artykułów. Tutaj wspomnę tylko, że najpotężniejsze pola magnetyczne uzyskujemy ze stopów alnico (Al, Ni, Co, Cu, Ti, Fe w różnych proporcjach), samarowych (SmCo5 Sm2Co17) i neodymowych (Nd2Fe14B).

Sferyczne magnesy neodymowe; źródło: en.wikipedia.org

Podsumowując, oba typy ferromagnetyków (miękkie i twarde) dają się namagnesować, czyli obrócić wszystkie domeny magnetyczne w jednym kierunku. Różnica między nimi polega na tym, że ferromagnetyki miękkie po odsunięciu magnesu przegrywają walkę z siłami natury i układ losowych domen zostaje przywrócony. Ferromagnetyki twarda są… twardsze w swoich postanowieniach i potrzeba znacznie więcej energii do ich ponownego rozmagnesowania. Jak odkrył Pierre Curie (mąż Marii Skłodowskiej-Curie) dobrym sposobem, by to osiągnąć jest podgrzanie ferromagnetyka Każdy z nich ma bowiem pewną temperaturę graniczną (zwaną temperaturą Curie), powyżej której następuje jego gwałtowne rozmagnesowanie. Temperatura ta, w zależności od stopu, wynosi od kilkuset do ponad 1000°C.

Omówiony przed chwilą ferromagnetyzm to zjawisko niezwykłe, którym obdarzonych jest wąska grupa pierwiastków i związków chemicznych. Okazuje się jednak, że istnieją zjawiska magnetyczne jeszcze bardziej nietypowe i wydawać by się mogło… nienaturalne. I choć mają one w elektrotechnice raczej marginalne znaczenie, to warto zdawać sobie sprawę z ich istnienia, dlatego wspomnę o nich w kilku słowach.

Czym jest antyferromagnetyzm?

Antyferromagnetyzm to najprościej rzecz ujmując zjawisko całkowicie przeciwne ferromagnetyzmowi. Wśród zaledwie 7 znanych nam materiałów tego typu mamy na przykład chrom, tlenek niklu, czy ferromangan (stop żelaza z manganem).

Jak to działa? Sieć atomów w antyferromagnetykach orientuje swoje momenty magnetyczne zgodnie ze sobą, ale tylko w maleńkich grupach (znacznie mniejszych od ferromagnetycznych domen). Co zaskakujące sąsiadujące ze sobą grupy orientują się pod względem magnetycznym… przeciwnie do siebie. Na dodatek jest to efekt zupełnie spontaniczny i nie wymaga traktowania antyferromagnetyka magnesem. Oczywiście pewne niedoskonałości w strukturze metalu sprawiają, że takie ułożenie atomów (zwane fachowo antyrównoległym) nie jest idealne w całej objętości metalu, ale cóż możemy na to poradzić – nic w rzeczywistości nie jest idealne.

Podobnie jak ferromagnetyki, omawiane tutaj anty- odpowiedniki również mają swoje ograniczenia temperaturowe. Wystarczy odpowiednio mocno je podgrzać, by uległy ,,rozantyferromagnetyzowaniu”. Lubię wymyślać trudne słowa.

A skoro wspomniałem już o temperaturze psującej antyferromagnetyzm, to w tym wypadku zwana jest ona Tempraturą Néela, od nazwiska wspomnianego już na początku artykułu francuskiego fizyka. To właśnie on w 1948 roku odkrył istnienie antyferromagnetyzmu, za co otrzymał zresztą nagrodę Nobla.

Ferrimagnetyzm

Drugim ciekawym zjawiskiem magnetycznym jest Ferrimagnetyzm, którego odkrycie (również przez Néela) to wręcz idealna klamra zamykająca drogę, jaką człowiek i magnetyzm przeszli wspólnie przez ostatnie 2000 lat. Pamiętasz, jak na początku artykułu pisałem o magnetycie, będącym pierwszym naturalnie spotykanym magnesem? Wydawać by się mogło, że skoro magnetyt zachowuje się jak magnes, to musi on być ferromagnetykiem. Tak też był on z resztą przez długi czas klasyfikowany, dopóki badacze nie zwrócili uwagi na fakt, że jak na kuzyna żelaza, kobaltu i niklu jest on podejrzanie słaby…

To właśnie Louis Néel odkrył, że magnetyt jest czymś innym, niż do tej pory sądzono. Specjalnie dla niego stworzył on nowe określenie – ferrimagnetyk. Czym tego typu materiały się wyróżniają? Otóż ich struktura podobna jest do struktury antyferromagnetyków z jedną zasadnicza różnicą. Tutaj przeciwnie ustawione magnetyczne grupy atomowe nie są sobie równe – magnetyzm jednej z nich zawsze góruje nad drugą. W przypadku magnetytu (związku Fe3O4 należącego do grupy tlenków żelaza) silny magnetyzm jonów żelaza przeważa nad magnetyzmem jonów tlenu.

Ferrimagnetyki są zatem… do końca nie wiadomo czym. Z jednej strony nie niwelują one całkowicie swojego pola magnetycznego jak antyferromagnetyki. Z drugiej strony pole, które mają to ledwie ułamek potęgi magnetyzmu znanego z ferromagnetyków. Nic więc dziwnego, że magnetyt przegrał walkę z żelazem o miano podstawowego surowca służącego do wytwarzania magnetycznych igieł. A czy ferrimagnetyki do czegoś się nam dzisiaj w ogóle przydają? Z tego co udało mi się znaleźć, jedynym ich sensownym zastosowaniem (poza czysto badawczym) jest tworzenie wszelkiej maści ceramicznych izolatorów.

Magnetyzm w pigułce

W ten oto sposób udało nam się zakończyć serię trzech artykułów na temat podstaw magnetyzmu. I choć całość została omówiona przeze mnie niezwykle pobieżnie, to myślę, że wiedza ta powinna wystarczyć do zrozumienia kolejnych, nieco bardziej złożonych zagadnień. Teraz bowiem czeka nas wyjaśnienie pojęć takich jak pole magnetyczne, natężenie pola magnetycznego H, indukcja magnetyczna B, czy przenikalność magnetyczna. Stąd już prosta droga do cewek magnetycznych, elektromagnetyzmu i elektromagnesów. Jak widać sporo ,,magnetycznych” rzeczy jeszcze przed nami, dlatego mam nadzieję, że zobaczymy się w kolejnych artykułach. Jeżeli nie chcesz niczego przegapić, to możesz polubić mój fanpage lub zapisać się poniżej do newslettera.

Dzięki za poświęcony czas!


Bibliografia

  1. Magnetism and magnetic materials – J. M. D. Coey,
  2. Quantum theory of magnetism – M. Jascur,
  3. CRC Handbook of Chemistry – W. Haynes,
  4. Podstawy elektrodynamiki – D. Griffiths,

Czekasz na więcej?

Napisanie jednego artykułu zajmuje mi około dwa tygodnie. Chcę by moje treści były maksymalnie przydatne, rzetelne i poparte wiedzą naukową. Jeśli masz ochotę dołączyć do grona znawców Teorii Elektryki to zapraszam do zapisania się na newsletter lub do zajrzenia na facebook’a. W ten sposób nie umknie ci żaden nowy artykuł!

.

Ten post ma 3 komentarzy

  1. Maciej

    Wspaniały tekst.

  2. Paweł

    Panie Arturze, dziękuję za Pańskie artykuły i proszę – niech Pan nie przestaje! Proszę pisać dalej i więcej.
    Niedawne zabawy z moim 6 letnim synem i jego nieposkromiona dociekliwość skłoniły mnie do uzupełnenia luk w wiedzy, jako że minęło już kilkanaście lat odkąd ostatni raz miałaem do czynienia z podobnymi zagadnieniami.
    Bycie ojcem zobowiązuje (Tato – jako to, ty nie wiesz?), więc zacząłem doczytywać w internetach i niezwykle irytowały mnie dziesiątki stron z bezrefleksyjnie kopiowanymi między sobą definicjami, do zrozumienia których potrzeba stopnia naukowego. I wtedy znalazłem pierwszy z serii Pana artykułów. Oczywiście ich zakres dalece wybiega poza potrzeby poznawcze mojego syna, ale ja „wsiąkłem” całkowicie. I nic dziwnego, bo to co Pan stworzył/tworzy to kawał solidnej roboty i wysiłku, za który chciałem tym wpisem podziękować. Doceniam przystępność, elokowencję, szczyptę humoru, ale nade wszystko wiedzę.
    Bardzo podoba mi się również Pana „serialowe” podejście i pobudzanie zainteresowania czytelnika przez odwołania do poprzednich publikacji, kolejne pytania/zapowiedzi, zupełnie jak tzw. ‚cliffhangers’, przez co chce się wrócić po więcej. Jest Pan poważną konkurencja dla Netflixa;)

    1. Artur Szulc

      Dziękuję za komentarz! Dobrze wiedzieć, że to co tworzę w jakiś sposób się przydaje 🙂
      Będę pisał dalej! Do zobaczenia w kolejnych artykułach!

Dodaj komentarz