Ferromagnetismi

Ferromagnetismi on arkipäiväisessä elämässä tunnetuin magneettisuuden muoto. Eräistä ferromagneettisista aineista voidaan tehdä esimerkiksi kestomagneetteja, joiden magneettisuus säilyy, vaikka ne eivät olisi ulkoisessa magneettikentässä. Ferromagneettisuus johtuu aineen pysyvien magneettisten dipolien spontaanista järjestäytymisestä.^[1] Ferromagnetismin kanssa samantyyppisiä magneettisuuden lajeja ovat antiferromagnetismi ja ferrimagnetismi.

Ferromagneettiset aineet

Tavallisissa lämpötiloissa ferromagneettisia aineita ovat rauta, koboltti ja nikkeli, niitä sisältävät metalliseokset sekä useat raudan yhdisteet. Alle +16 °C:n lämpötilassa myös gadolinium on ferromagneettista, ja hyvin alhaisissa lämpötiloissa sellaisiksi tulevat monet muutkin aineet^[2]. Mangaani ei sellaisenaan ole ferromagneettista, mutta muodostaa useiden muiden metallien kanssa ferromagneettisia seoksia.

Magnetisaation hystereesikäyrä voi olla ferromagneettiselle aineelle esimerkiksi tällainen. Kuvassa H on ulkoisen magneettikentän voimakkuus ja B on magneettivuon tiheys, joka riippuu aineen magnetoitumasta. H_c on koersiivisuus, joka kertoo aineen magneettisesta pehmeydestä. B_R on remanenssi eli aineeseen jäävä magnetoituma, kun ulkoinen magneettikenttä poistetaan.

Ferromagnetismi ilmiönä

Ulospäin ferromagneettinen aine ei välttämättä vaikuta magneettiselta. Esimerkiksi rauta on ferromagneettista, mutta yleensä rautakappaleiden välillä ei ole magneettista vuorovaikutusta eli ne eivät vedä toisiaan puoleensa tai hylji toisiaan. Kun lähelle rautaista kappaletta tuodaan magneettikenttä eli esimerkiksi jääkaappimagneetti, raudan magneettiset momentit järjestäytyvät magneettikentän suuntaisesti ja yhtäkkiä magneetti ja rautakappale alkavat vetää toisiaan puoleensa.

Ilmiön toiminta

Silloinkin kun kappale ei ole ulkoisessa magneettikentässä, siinä on tietyn suuruisia Weissin alueita, joiden sisällä magneettiset momentit ovat samansuuntaisia, mutta eri alueilla erisuuntaisia, niin että niiden yhteenlaskettu magneettikenttä kumoutuu kappaleen ulkopuolella lähes kokonaan. Alueita erottavat niin kutsutut Blochin seinämät.

Kun kappale viedään ulkoiseen magneettikenttään, ne alueet, joiden magneettiset momentit ovat samaan suuntaan kuin ulkoinen magneettikenttä, alkavat kasvaa ja näin kappaleen ulkoinen magnetoituma kasvaa kunnes magneettikentän kanssa yhdensuuntaisten magneettisten momenttien alue on kasvanut koko kappaleen kokoiseksi ja magnetoituma ei voi enää kasvaa. Tällöin ferromagneettinen kappale on kyllästynyt. Tämä selittää ferromagneettisten aineiden magnetisaatiokäyrän muodon.^[3]

Ulkoisen magneettikentän aikaansaamat muutokset magneettisissa alueissa vaikuttavat ferromagneettisen materiaalin kokoon. Ilmiöstä käytetään nimeä magnetostriktiivisyys.

Jäännösmagnetismi ja magneettisesti kovat ja pehmeät aineet

Kuten käyrä osoittaa, ferromagneettinen aine jää magneettiseksi vielä sen jälkeenkin, kun se ulkoinen magneettikenttä on poistettu. Ilmiötä sanotaan hystereesiksi. Eräillä ferro- ja ferrimagneettisilla aineilla tämä jäännösmagnetismi (remanenssi) on sangen voimakasta ja säilyy pitkiä aikoja, joten niistä voidaan tehdä kestomagneetteja. Tällaisia aineita sanotaan magneettisesti koviksi. Toisilla, magneettisesti pehmeillä aineilla, joita käytetään sähkömagneeteissa, jäännösmagnetismi on sitä vastoin on heikkoa ja ne voidaan helposti demagnetoida.

Ferromagneettisuus, lämpötila ja diamagneettisuus

Kaikilla ferromagneettisilla aineilla on niille ominainen lämpötila, jonka yläpuolella ne menettävät ferromagneettiset ominaisuutensa ja muuttuvat paramagneettisiksi. Tätä lämpötilaa kutsutaan Curien lämpötilaksi. Kaikkien muidenkin aineiden tavoin myös ferromagneettiset aineet ovat aina lisäksi diamagneettisia. Diamagneettisuus on kuitenkin niin heikko ilmiö verrattuna ferromagneettisuuteen, ettei sitä voida havaita, jos aine on myös ferromagneettinen.

Katso myös

Lähteet

Hook, J.R. & Hall, H.E.: Solid State Physics. (2. painos) Wiley, Chichester, 1991. ISBN 0471928046 (englanniksi)

Viitteet

↑ Hook & Hall, pp. 219
↑ K.V. Laurikainen, Uuno Nurmi, Rolf Qvickström, Erkki Rosenberg, Matti Tiilikainen: Lukion fysiikka II, s. 169, WSOY 1974, ISBN 951-0-05657-X
↑ Hook & Hall, pp. 246–256.

Kirjallisuutta

Voipio, Erkki: Sähkö- ja magneettikentät. (Moniste 381) Espoo: Otakustantamo, 1987. ISBN 951-672-038-2

Aiheesta muualla

Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Ferromagnetismi Wikimedia Commonsissa

Magneettiset tilat

[1] Hook & Hall, pp. 219

[2] K.V. Laurikainen, Uuno Nurmi, Rolf Qvickström, Erkki Rosenberg, Matti Tiilikainen: Lukion fysiikka II, s. 169, WSOY 1974, ISBN 951-0-05657-X

[3] Hook & Hall, pp. 246–256.

[1]