Manyetik Malzemelerin Sınıflandırılması – Fizik Akademisi
Yazar	İdris Adanur	Ekim 14, 2015
Manyetizmanın kökeni elektronların yörüngesel hareketleri, spin hareketleri ve elektronların birbirleri ile nasıl etkileştiklerine dayanır. Farklı manyetizma tiplerini göstermenin en iyi yolu malzemelerin manyetik alana karşı nasıl tepki gösterdiğini tanımlamaktır. Bu şaşırtıcı olabilir, ancak bütün maddeler manyetik özellik gösterir. Yalnız, bazı malzemeler diğer malzemelerden daha çok manyetik özellik gösterirler. Bu malzemeler arasındaki temel ayrım, bazı malzemelerde toplam atomik manyetik moment etkileşimi yoktur, oysa diğer malzemelerde, atomik manyetik momentleri arasında çok güçlü bir etkileşim vardır.
Malzemelerin manyetik davranışı beş ana grupta sınıflandırılabilir:
İlk iki gruptaki malzemeler manyetik olarak düzensizdir ve toplam manyetik etkileşim göstermezler. Son üç gruptaki malzemeler belirli bir kritik sıcaklık altında uzun menzilli manyetik düzen gösterirler. Ferromanyetik ve ferrimanyetik malzemeleri genellikle manyetik olarak düşünürüz (yani demirin davranışı gibi). Diğer üçü manyetik olarak çok zayıftır ve genellikle “manyetik olmayan” olarak düşünülür.
Genellikle çok zayıf olmalarına rağmen diyamanyetizma, bütün maddelerin temel bir özelliğidir. Bu, malzemenin uygulanan manyetik alana maruz kaldığında yörüngedeki elektronlarının ortak bir davranış göstermemesinden kaynaklanmaktandır. Diyamanyetik maddeler net menyetik momente sahip olmayan atomlardan oluşur (yani, yörüngesel kabukların tümü doludur ve çiftlenmemiş elektronlar yoktur). Ancak, bir alana maruz kaldığında negatif bir manyetizasyon (mıknatıslılık) gösterir ve bu nedenle diyamanyetik malzemelerin duygunluğu (χ) negatiftir. Diyamanyetik bir malzemenin manyetizasyon (M) – manyetik alan (H) grafiği şekildeki gibidir.
Manyetik alan sıfır olduğunda manyetizasyonun sıfır olduğuna dikkat edelim. Yani, diyamanyetik bir malzeme bir manyetik alana maruz bırakıldığında manyetik momentleri alanın tersi yönünde yönelim gösterirler. Manyetik alan kaldırıldığında manyetik moment tekrar sıfır olur. Diyamanyetik malzemelerin bir diğer karakteristik davranışı duygunluğun (χ) sıcaklığa bağlı olmamasıdır. İyi bilinen bazı diyamanyetik maddeler (10-8 m3/kg biriminde);
Quartz (Kuartz, SiO2) -0.62
Calcite (Kalsit, CaCO3) -0.48
Water (Su, H2O) -0.90
Paramanyetik malzemeler, malzemedeki iyonlar veya atomların bazılarının kısmen dolu yörüngelerinde çiftlenmemiş elektronlarından dolayı net bir manyetik momente sahiptir. Çiftlenmemiş elektronlara sahip atomlardan biri demir atomlarıdır. Ancak, manyetik momentleri birbirleriyle manyetik olarak etkileşmeler ve uygulanan alan kaldırıldığında manyetizasyonu diyamanyetik malzemelerinki gibi sıfır olur. Manyetik alanın varlığında paramanyetik malzemelerin manyetik momentleri uygulanan alan ile aynı yönde kısmen yönelim gösterirler. Bu yönelim pozitif manyetizasyon ve pozitif duygunluğa yol açar. Paramanyetik bir malzemenin manyetizasyon (M)-manyetik alan (H) grafiği şekildeki gibidir.
Buna ek olarak, momentlerin hizalanmasında alanın verimine, sıcaklığın etkilerinin rastgele seçilmesi sonucu karşı koyar. Bu sıcaklığa bağlı bir duygunluk ile sonuçlanır , bu olay Curie Yasası olarak bilinir.
Normal sıcaklıklar ve orta dereceli alanlarda paramanyetik duygunluk küçüktür ( ancak diyamanyetik katkıdan daha büyüktür). Sıcaklık çok düşük (<<100K) ya da alan çok yüksek olmazsa, paramanyetik duygunluk uygulanan alandan bağımsız olur. Bu şartlar altında paramanyetik duygunluk toplam demir içeriğiyle orantılıdır. Demir taşıyan minerallerin birçoğu oda sıcaklığında paramanyetiktir. Paramanyetik maddelerin bazıları aşağıda verilmiştir (10-8 m3/kg biriminde).
Montmorillonite (Kil) 13
Nontronite (Demir bakımından zengin kil) 65
Biotite (Silikat) 79
Siderite (Karbonat) 100
Pyrite (Sülfit) 30
Manyetit yoğunlaşma çok küçük ise, matriks minerallerin doğal örneklerinde paramanyetizma önemli olabilir. Bu durumda, paramanyetik bir düzeltme gerekebilir.
Manyetik malzemeleri düşündüğünüzde, muhtemelen aklınıza demir, nikel veya mıknatıs gelecektir. Paramanyetik malzemelerin aksine ferromanyetik malzemelerin atomik momentleri çok güçlü bir etkileşim gösterirler. Bu etkileşimler elektronik değişim kuvvetleri tarafından üretilir ve atomik momentlerin paralel ya da antiparalel dizilimine yol açarlar. Değişim kuvvetleri çok büyüktür. Yaklaşık 100 Tesla’ nın üzerinde bir alana eşdeğerdir ya da Dünya’nın manyetik alanından yaklaşık olarak 100 milyon kez daha güçlüdür. Değişim kuvveti, iki elektronun spinlerinin göreceli yönelimleri nedeniyle kuantum mekaniksel bir olaydır. Ferromanyetik malzemelerin manyetik momentleri paralel dizilim gösterirler ve manyetik alanın yokluğunda dahi büyük bir net manyetizasyona yol açarlar.
Fe, Ni, Co elementleri ve birçok alaşımları tipik olarak ferromanyetik malzemelerdir. Ferromanyetik malzemelerin belirgin iki özelliği,
1- Kendiliğinden (doğal) manyetizasyonu ve varlığı,
2- Manyetik düzenlenme sıcaklığı’ dır.
Kendiliğinden (doğal) manyetizasyon, manyetik alanın yokluğunda, homojen olarak mıknatıslanmış mikroskobik hacim içinde var olan net manyetizasyondur. Bu manyetizasyonun büyüklüğü 0 K’ de elektronların spin manyetik momentlerine bağlıdır. Bir diğer kavram laboratuvarda ölçebileceğiz doyum manyetizasyonudur. Doyum manyetizasyonu, bir manyetik alanda (Hsat) elde edilebilecek maksimum manyetik momenttir; bu alanın ötesinde manyetizasyonda bir artış oluşmaz
. Doyum mıknatıslanması ve doğal mıknatıslanma arasındaki fark manyetik domain’ler ile yapılmak zorundadır. Doyum manyetizasyonu parçacık boyutundan bağımsız ancak sıcaklığa bağlı yapısal bir özelliktir. Paramayetik ve ferromanyetik duygunluk arasında büyük bir fark vardır. Paramanyetik mazemelerle kıyaslandığında, ferromanyetik malzemelerin manyetizasyonu yüksek sıcaklıklarda ( oda sıcaklığı) ve orta dereceli manyetik alanlarda doygunluğa ulaşır.
Doyum manyetizasyonu (Hsat) (Tesla)
Ferromanyetlerin elektronik değişim kuvvetleri çok büyük olmasına rağmen termal enerjileri zamanla değişimin üstesinden gelir ve rastgele bir etki yaratır. Bu oluşan etki Curie sıcaklığı (Tc) olarak adlandırılan özel bir sıcaklıkta oluşur. Curie sıcaklığının altında ferromanyet düzenlidir,ve üstünde ise düzensizdir. Doyum manyetizasyonu Curie sıcaklığında sıfıra gider. Tipik olarak bir manyetizasyon (M)-sıcaklık(T) grafiği aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Ayrıca Curie sıcaklığı minerallerin kimliğini belirlemek için kullanılabilen tanımlayıcı bir parametre ve yapısal bir özelliktir. Ancak, kusursuz değildir, çünkü prensipte farklı manyetik mineraller aynı Curie sıcaklığına sahip olabilir.
Curie sıcaklığı ve doyum manyetizasyonuna ek olarak ferromanyetler uygulanan manyetik alan kaldırılsa dahi manyetizasyonunu koruyabilir. Bu davranış Hysteresis olarak adlandırılır ve manyetik alan ile manyetizasyon değişiminin grafiği Hysteresis eğrisi olarak adlandırılır.
Başka bir hysteresis özellik, zorlayıcı manyetizasyondur(Hr). Uygulandığında ve kaldırıldığında, doyum mıknatıslanmasını sıfıra düşüren ters bir alandır. Her zaman zorlayıcı kuvvetten daha büyüktür. Başlangıç duygunluğu (χ0 ) düşük alanlarda gözlemlenmiş manyetizasyondur, bu yaklaşık dünyanın manyetik alanı (50-100 μT) kadardır. Çeşitli hysteresis parametreleri sadece yapısal bir özellik değildir, ancak tanecik boyutuna, domain durumuna, gerilmelere ve sıcaklığa bağlıdır. Hysteresis parametleri tanecik boyutuna bağlı olduğu için, doğal örneklerin manyetik tanecik boyutunun ölçülmesinde faydalıdır.
Oksitler gibi iyonik bileşikler, daha karmaşık manyetik düzenlenme şekilleri kristal yapının sonucu olarak meydana gelebilir. Manyetik düzenleme türünden biri ferrimanyetizmdir. Bir ferromanyetik oksitin manyetik spinlerinin basit bir temsili aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Manyetik yapı, oksijen tarafından ayrılmış iki tane manyetik alt örgüden (A ve B denilen) oluşur. Değişim etkileşimlerine oksijen anyonları aracılık eder. Bu durumda, bu ekileşimlere direk olmayan veya süper değişim etkileşimleri denir. En güçlü süper değişim etkileşimleri A ve B alt örgüleri arasındaki spinlerin antiparalel dizilmesine yol açar. Ferrimanyetlerde A ve B alt örgülerinin manyetik momentleri eşit değildir ve net bir manyetik momente yol açarlar. Bu nedenle ferrimanyetizm, ferromanyetize benzer. Bu doğal manyetizasyon, Curie sıcaklığı, hysteresis eğrisi ve artık mıknatıslanma gibi ferromanyetik davranışların tüm özelliklerini gösterir. Ancak, ferro ve ferrimanyetler çok farklı manyetik düzene sahiptirler. Manyetit (mıknatıs) iyi bilinen bir ferrimanyetik malzemedir. Aslında, manyetit(mıknatıs) 1940’ larda Neel’ e kadar bir ferromanyet olarak düşünülmüştü. Neel ferrimanyetizm’ i anlamak için teorik bir yapı oluşturdu.
Manyetit (Mıknatıs)’ ın Kristal Yapısı
Mıknatıs (Fe3O4) spinel yapı ile kristallenir. Büyük oksijen iyonları kübik bir düzene yakın sıkıştırılır ve daha küçük Fe iyonları boşlukları doldurur. Boşluklar iki şeyden gelir:
Tetrahedral kısım: Fe iyonu dört oksijen tarafından çevrilir.
Octahedral kısın: Fe iyonu altı oksijen tarafından çevrilir.
Tetrahedral ve oktahedral kısımları A ve B olmak üzere iki manyetik alt örgüden oluşur. A alt örgüsü üzerindeki spinler B alt örgüsündekilere antiparaleldir. İki kristal kısım çok farklıdır ve iki kısım içinde ve arasında demir iyonlarının değişim etkileşimlerinin karmaşık oluşumlarına yol açarlar. Mıknatıs için yapısal formül [Fe3+]A[Fe3+, Fe2+]BO4 ile verilir. A ve B alt örgüleri üzerindeki katyonların özel düzenlenmesine ters spinel yapı denir. Negatif AB değişim etkileşimleriyle mıknatısın net manyetik momenti B kısmındaki Fe2+’ dan kaynaklanmaktadır.
A ve B alt örgü momentleri tamamen eşit ancak zıt yönlü ise net manyetik moment sıfırdır. Bu tür manyetik malzemelere antiferromanyetik malzemeler denir.
Antiferromanyetik davranış, Neel sıcaklığı (TN) denilen bir kritik sıcaklık üstündeki duygunluk davranışıdır. TN üstünde duygunluk paramanyetler için Curie-Weiss yasasına uyar, ancak, negatif bir kesişim ile negatif değişim etkileşimleri gösterir.
Antiferromanyetik, zayıf ferromanyetik