Μαγνητικά Υλικά Υπεραγωγοί

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΙΩΑΝΝΙΝΩΝ ΑΝΟΙΚΤΑ ΑΚΑΔΗΜΑΪΚΑ ΜΑΘΗΜΑΤΑ Μαγνητικά Υλικά Υπεραγωγοί ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΡΟΠΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ Διδάσκων: Καθηγητής Ιωάννης Παναγιωτόπουλος

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Μαγνητικά Υλικά και Υπεραγωγοί Μαγνητικά: Ηλεκτροκινητήρες Ηλεκτρογεννήτριες Μετασχηματιστές Μαγνητική Εγγραφή Αισθητήρες Υπεραγωγοί: Παραγωγή υψηλών Πεδίων (MRI) Ηλεκτρονικά Επαφές Josephson, Αισθητήρες SQUID

4 Μαγνητικά Υλικά Εφαρμογές Μόνιμοι Μαγνήτες: Μετατροπή Ηλεκτρικής σε Μηχανική (Ηλεκτροκινητήρες) Μετατροπή Μηχανικής σε Ηλεκτρική (Ηλεκτρογεννήτριες) Μαλακά Μαγνητικά Μετασχηματιστές Ηλεκτρομαγνήτες Αισθητήρες Ενδιάμεσης Σκληρότητας Μαγνητική Εγγραφή Μαγνητοσυστολικά: MEMS Μαγνητοπτικά

5 Μαγνητικά Υλικά Εφαρμογές Σπιντρονικά Μαγνητοηλεκτρικά

6 Έξυπνα Υλικά Ρεύμα ηλεκτρ. Πόλωση Μαγνήτιση ελαστική παραμ. Θερμοκρασία Φως ηλεκτρικό Πεδίο Αγωγιμότητα Διαπερατότητα Μαγνητοηλεκτρικό Αντίστροφο Πιεζοηλ. ηλεκτροθερμικό Ηλεκτροοπτικό μαγνητικό Πεδίο Σπιντρονική Μαγνητοηλεκτρικό Επιδεκτικότητα Μαγνητοσυ στολή Μαγνητοθερμικό Μαγνητοοπτικό ελαστική τάση Πιεζοηλεκτρικό Πιεζομαγνητικό Ελαστικές σταθερές Φωτοελαστικό Θερμότ. Seebeck Πυροηλεκτρικό Θερμική διαστολή Ειδική θερμότητα Φως Φωτοβολταικά Φωτοσυστολικό Δείκτης διάθλασης

7 Μαγνητικά Μαγνητικά Υλικά και Υπεραγωγοί Μαγνητική Ροπή Μαγνητική Τάξη Αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής-θεωρία Μέσου Πεδίου Μαγνητική Ανισοτροπία Μαγνητικές Περιοχές- Τοιχώματα Μηχανισμοί αντιστροφής της μαγνήτισης Εφαρμογές Μόνιμοι Μαγνήτες Μαλακά μαγνητικά Υλικά Μαγνητική εγγραφή-μαγνητοοπτικά Υλικά Μαγνητοσυστολικά Υλικά Μαγνητοαντίσταση

8 . μ Μαγνητική ροπή μ Ι Ι μ Ι μ = I S SI: Am cgs: erg/g=emu =10 3 Am

9 Προσανατολισμός μαγνητικής ροπής σε μαγνητικό πεδίο E = μ B Β μ Β Ι μ Β μ Ι Ι E=- μ Β (ελάχιστο) E=0 E= μ Β (μέγιστο) B (Tesla), μ (Am =Joule/Tesla)

10 B(r) = Πεδίο μαγνητικού δίπολου r r µ μ 4π r 0 3 ( ) 3 μ Ν S S Ν

11 Μαγνήτιση M dμ Am = SI : 3 dv m = A m Μ=0 Μ=Μ S α-fe, Μ S = A/m με H=1000 A/m

12 ( J ) B = µ 0 + B = µ ( H + M ) 0 J M J M = M B 0 = µ 0 J + µ M B M = J µ 0 H = J, B = µ 0 ( H + M )

13 Μαγνήτιση, Βρόχος Υστέρησης χ = dm dh db µ =, µ r = dh 1 µ 0 db dh B = µ ( M = µ µ 0 H + ) µ = µ 0(1 + χ) 0 r

14 M(kA/m) Γ B A H(A/m)

15 Επιδεκτικότητα χ<0 χ 0 χ>0 χ>>0

16 Μαλακά Μαγνητικά Υλικά H=n I H=M S

17 Μαλακά Μαγνητικά Υλικά

18 Μόνιμοι Μαγνήτες

19 σύνδεση μαγνητικής ροπής -τροχιακής στροφορμής ηλεκτρονίου: μαγνητόνη του Bohr L=mυr r υ πυρήνας 1 e ( πr ) = e r = L eυ µ = IS = υ πr I = q q eυ = = t πr υ πr m L ( + 1 ), = m = 0, ± 1, ± = m µ B L Z e = = m , 4 Am

20 Κβαντομηχανική Περιγραφή Στροφορμής L ( + 1), = m m = 0, ± 1, ± =, L Z ± z z 6 6 J ( + 1), J = m m = 0, ± 1, ± J =, Z J ±

21 J = Άτομο σε μαγνητικό πεδίο J ( J + 1), J Z = m m = 0, ± 1, ±, J + 1 J Β//z μ Z =3gμ Β μ Z =gμ Β μ Z =gμ Β z m=-3 m=- m=-1 µ B μ Z = gj Z µ z = µ Bgm E = µ B = µ gbm z B μ Z = 0 μ Z =-gμ Β μ Z =-gμ Β μ Z =-3gμ Β m=3 m=0 m=1 m= E=3gμ Β Β E=gμ Β Β E=gμ Β Β E=0 E=-gμ Β Β E=-gμ Β B E=-3gμ Β Β Β=0 Β 0

22 Σύνδεση μαγνητικής ροπής -στροφορμής spin. L πυρήνας r S S 1, S e e μ = L S m m 1 = ms, ms = ±, S = Z Z µ B μ = ( L + S) = ± 1

23 Ηλεκτρονική δομή ατόμων n 1 l = 0,1,, n 1 ml = 0, ± 1, ±, l ms = ± n l+ 1

24 Ηλεκτρονική δομή ατόμων n l 0 0,1 0,1, 0,1,,3 συµβ. 1s s, p 3s,3 p,3d 4s,4 p,4d,4 f (l + 1),6,6,10,6,10,14 Cr,Mn,Fe,Co,Ni Pr,Nd,Sm,Eu,Gd Ru,Rh.. Ενέργεια Hf,Re,Ir,Pt

25 Σύνδεση μαγνητικής ροπής -στροφορμής spin. L πυρήνας r S S 1, S e e μ = L S m m 1 = ms, ms = ±, S = Z Z µ B μ = ( L + S) = ± 1

26 Σύνδεση ολικής στροφορμής- μαγνητικής ροπής: Παράγοντας g (Landé) Ασθενής σύζευξη σπιν-τροχιάς Russel-Saunders LSJm> S = N i= 1 s i L = N i= 1 i E = μ Z B L J S S J = L + S µ B μ = ( L + S) µ B μ J = gj μ J B z g = 3 + S( S + 1) L( L + 1) J ( J + 1) Όταν έχω μόνο τροχιακή στροφορμή (S=0, J=L) g=1 μόνο στροφορμή σπιν (L=0, J= S ) g=

27 Υπολογισμός των ατομικών μαγνητικών ροπών σε στοιχεία 3d και 4f Κανόνες HUND Μέγιστο συνολικό σπιν S σύμφωνο με την απαγορευτική αρχή του Pauli. Την μέγιστη δυνατή τιμή L σύμφωνη με τον πρώτο κανόνα και την απαγορευτική αρχή του Pauli. Συνολική στροφορμή J= L-S όταν ο φλοιός είναι λιγότερο από μισογεμάτος και J= L+S όταν ο φλοιός είναι περισσότερο από μισογεμάτος.

28 Ιόντα στοιχείων μετάπτωσης (3d). 6 6 n ( 1s )( s p )( 3s 3p 3d ) = ( 18 + n)e

29 Ιόντα σπανίων γαιών (4f) ( )( )( )( )( ) n p s f d p s d p s p s s n =

30 Διαμαγνητισμός dφ HE = dt Η ΔL Δμ μ r F D χ = e r Nµ 0 4 m L υ ( ) d r dh E πr = µ 0H πr E = µ 0 dt dt dl er dh Fr eer 0 dt = τ = = = µ dt er L = µ 0H e e r e r µ = L = µ 0H M = N µ 0H m 4m 4m

31 Τέλος Ενότητας

32 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.

33 Σημειώματα

34 Σημείωμα Ιστορικού Εκδόσεων Έργου Το παρόν έργο αποτελεί την έκδοση 1.0. Έχουν προηγηθεί οι κάτωθι εκδόσεις: Έκδοση 1.0 διαθέσιμη εδώ.

35 Σημείωμα Αναφοράς Copyright Πανεπιστήμιο Ιωαννίνων, Διδάσκων: Καθηγητής Ιωάννης Παναγιωτόπουλος. «Μαγνητικά Υλικά Υπεραγωγοί. ΜΑΓΝΗΤΙΚΗ ΡΟΠΗ ΚΑΙ ΜΑΓΝΗΤΙΣΗ». Έκδοση: 1.0. Ιωάννινα 014. Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση:

36 Σημείωμα Αδειοδότησης Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά Δημιουργού - Παρόμοια Διανομή, Διεθνής Έκδοση 4.0 [1] ή μεταγενέστερη. [1]