ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ. 5.1 Εισαγωγή

Transcript

1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ 5.1 Εισαγωγή Όλες οι ενώσεις που βρίσκονται στη φύση έχουν μαγνητικές ιδιότητες και αντιδρούν με το εξωτερικό μαγνητικό πεδίο. Οι ιδιότητες αυτές εξαρτώνται από τα ηλεκτρόνια των στοιχείων που αποτελούν τα υλικά. Ο μαγνητισμό ς των άλλων υποατομικών σωματιδίων των ατόμων είναι αμελητέος. Η μαγνητική ροπή του πυρήνα των ατόμων είναι μόνο περίπου το ένα χιλιοστό εκείνης των ηλεκτρονίων που περιβάλλουν τα άτομα. Η μαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων που υπάρχει ανεξάρτητα από εξωτερικά πεδία, εκφράζεται με τον τέταρτο κβαντικό αριθμό ή μαγνητικό κβαντικό αριθμό του spin, (m S ). και οφείλεται στην περιστροφή των ηλεκτρονίων γύρω από τον εαυτό τους. Λαμβανομένου υπ όψη ότι η περιστροφή του ηλεκτρονίου μπορεί να είναι μόνο δεξιόστροφη ή αριστερόστροφη, ο m S έχει μόνο δύο τιμές (θετική και 1 αρνητική ) με την ίδια αριθμητική τιμή ( ). Τα ηλεκτρόνια τοποθετούνται 2 στις διάφορες υποστοιβάδες με εναλλαγή στο πρόσημο του spin, σύμφωνα με την απαγορευτική αρχή του Pauli ότι δεν μπορούν να υπάρχουν ηλεκτρόνια στο ίδιο άτομο με ίδιους όλους τους κβαντικούς αριθμούς. 5.2 Μαγνητική διάκριση των υλικών Σύμφωνα με τις σύγχρονες αντιλήψεις η μαγνητική κατάσταση των υλικών διακρίνεται στις παρακάτω πέντε βασικές κατηγορίες: α. Διαμαγνητισμός (διαμαγνητικά υλικά) β. Παραμαγνητισμός (παραμαγνητικά υλι κά) γ. Σιδηρομαγνητισμός (σιδηρομαγνητικά υλικά) δ. Σιδηρομαγνητισμός (σιδηρο μαγνητικά υλικά) ε. Αντισιδηρομαγνητισμός (αντισιδηρομαγνητικά υλικά) 97

2 Τυπικά οι παραπάνω κατηγορίες υλικών, ως προς τη μαγνητική συμπεριφορά τους, διακρίνονται από την τιμή και το πρόσημο της μαγνητικής επιδεκτικότητας ( magnetic susceptibility) Κ Μ ( K M μαγνήτιση (magnetization) σε πεδίου) σε A m M H Κ Μ όπου Μ είναι η και Η είναι η ένταση του μαγνητικού A και επίσης από την αντίδραση της Κ Μ στη θερμότητα και την m ένταση εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Τα διαμαγνητικά υλικά έχουν αρνητική επιδεκτικότητα με τιμές 10-5, που είναι σχεδόν ανεξάρτητη από τη θερμοκρασία και την ένταση του πεδίου. Τα διαμαγνητικά υλικά συνήθως απωθούνται έξω από ένα ανομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Τα παραμαγνητικά υλικά έχουν θετική Κ Μ, με τιμές της τάξης του 10-2 μέχρι 10-5 στη θερμοκρασία περιβάλλοντος. Για τα περισσότερα παραμαγνητικά η τιμή του Κ Μ, εξαρτάται από τη θερμοκρασία. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν υψηλή θετική τιμή Κ Μ (μέχρι 10 6 ) και δείχνουν σύνθετη μη-γραμμική εξάρτηση της Κ Μ από τη θερμοκρασία και το εξωτερικό πεδίο. Τα σιδηρομαγνητικά υλικά έχουν παραπλήσιες ιδιότητες προς αυτές των σιδηρομαγνητικών υλικών. Τα αντισιδηρομαγνητικά υλικά έχουν Κ Μ 10-3 μέχρι 10-5 που εξαρτάται κατά ιδιαίτερο τρόπο από τη θερμοκρασία. Κατά την άνοδο της θερμοκρασίας από 0 0 Κ, το Κ Μ αυξάνεται μέχρι μια μέγιστη τιμή σε ορισμένη θερμοκρασία που ονομάζεται σημείο NEEL (T N ) και κατόπιν αρχίζει να μειώνεται. 5.3 Εξήγηση μαγνητικών χαρακτηριστικών των υλικών 1. Διαμαγνητικά υλικά Τα υλικά αυτά έχουν συμπληρωμένες στάθμες με ίσο αριθμό ηλεκτρονίων με θετικό και αρνητικό πρόσημο για κάθε άτομο, ώστε η μαγνητική ροπή κάθε ατόμου να είναι μηδενική εξ αιτίας της αμοιβαίας εξουδετέρωσης των SPIN. Σχηματική παράσταση ενός διαμαγνητικού υλικού από άποψη ροπών των 98

3 ατόμων που δίδεται στο σχήμα 5.1. Κάθε άτομο έχει μηδενική μαγνητική ροπή. Σχήμα 5.1: Διαμαγνητικό υλικό 2) Σιδηρομαγνητικά υλικά Τα υλικά αυτά έχουν συνολικά μη-μηδενική μαγνητική ροπή. Η μη μηδενική ροπή των ηλεκτρονίων των ατόμων των υλικών αυτών προκύπτει από το εξής φαινόμενο: Σε ορισμένα στοιχεία (κυρίως στα μεταβατικά στοιχεία σίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο, στις λανθανίδες (γαδολίνιο) όταν μια ενεργειακή στοιβάδα δεν είναι συμπληρωμένη είναι δυνατόν τα spin να μη αλληλοεξουδετερωθούν. Με βάση την αρχή Pauli «δύο ηλεκτρόνια με ίδιο spin δεν μπορούν να βρίσκονται στην ίδια υποστάθμη». Επομένως, αναγκαστικά ορισμένα ηλεκτρόνια θα μεταπηδήσουν σε άλλες στάθμες ενέργειας, εφ όσον η διαφορά ενέργειας είναι μικρή. Για παράδειγμα, ο σίδηρος έχει ηλεκτρονική διαμόρφωση: Is 2 2s 2 2p 6 3s 3 3p 6 3d 6 4s 2. Λαμβανομένου υπ όψη ότι η 3d υποστοιβάδα μπορεί να δεχθεί μέχρι και 10 ηλεκτρόνια είναι φανερό ότι υπάρχει «κενό». Η 4s υποστοιβάδα με δύο ηλεκτρόνια αντίθετου spin αποτελεί τη στοιβάδα σθένους. Από ενεργειακή άποψη η 4s υποστοιβάδα βρίσκεται χαμηλότερα από την 3d και γι αυτό το λόγο προτιμάται από τα δύο ηλεκτρόνια. Τα 10 ηλεκτρόνια της 3d έχουν του παρακάτω κβαντικούς αριθμούς: n l ml ms 1/2-1/2 1/2-1/2 1/2-1/2 1/2-1/2 1/2-1/2 99

4 Είναι λοιπόν φανερό ότι από τα 6 ηλεκτρόνια της 3d μόνο τα 2 έχουν αντιπαράλληλο spin με εξουδετερωμένες μαγνητικές ροπές. Η τελική ροπή του ατόμου του σιδήρου είναι μη-μηδενική. Η κατανομή των spin επηρεάζουν ηλεκτροστατικές επιδράσεις μεταξύ των γειτονικών ατόμων. Αν η από σταση των ατόμων είναι μεγάλη η αλληλοεπίδραση είναι μικρή και η θερμική κίνηση ευνοεί την τυχαία κατανομή των spin, ώστε να μη εμφανίζεται ροπή. Αντίθετα αν η απόσταση είναι μικρή, η αλληλοεπίδραση είναι ανίσχυρη να υπερνικήσει τις ατομικές δυνάμεις. Η κατάλληλη συνθήκη για την εμφάνιση του σιδηρομαγνητισμού είναι: 1,5-2 φορές ατομική ακτίνα, μεγαλύτερη από την ακτίνα ζώνης που περιέχει τα ηλεκτρόνια με όμοια spin. Στα στοιχεία Fe, Ni, Co η συνθήκη ισχύει, ενώ στα στοιχεία Ti, Cr, Mn δεν ισχύει. Σχηματική παράσταση σιδηρομαγνητικού υλικού δίδεται στο σχήμα 5.2. Σχήμα 5.2: Σιδηρομαγνητικό υλικό 3) Αντισιδηρομαγνητικά υλικά Είναι τα υλικά στα οποία τα άτομα έχουν τελική μαγνητική ροπή, αλλά τα spin διατάσσονται αντιπαράλληλα με αποτέλεσμα οι μαγνητικές ροπές να αφαιρούνται και η τελική ή μαγνητική ροπή να είναι μηδενική. Σχηματική παράσταση αντισιδηρομαγνητικού υλικού δίδεται στο σχήμα 5.3. Τα spin έχουν «ταξινομημένη» δομή. Σχήμα 5.3: Αντισιδηρομαγνητικό υλικό 100

5 4) Σιδηρομαγνητικά υλικά Τα σιδηρομαγνητικά υλικά αποτελούνται από δύο άτομα με διαφορετικό μέγεθος μαγνητικής ροπής, ώστε σε κάθε περίπτωση ακόμη και αρνητική επίδρασης το συνολικό αποτέλεσμα δεν είναι μηδέν. Τυπικό παράδειγμα σιδηρομαγνητικού υλικού αποτελεί ο μαγνητίτης που αποτελείται α πό οξείδια δισθενούς και τρισθενούς σιδήρου ( FeO. Fe 2 O 3 ). Τα ιόντα Fe -2 και Fe -3 έχουν διαφορετικές τιμές μαγνητικής ροπής. Τα υλικά που παρουσιάζουν σιδηρομαγνητισμό ονομάζονται φερρίτες. Σχηματική παράσταση σιδηρομαγνητικού υλικού δίδεται στο σχήμα 5.4. Σχήμα 5.4: Σιδηρομαγνητικό υλικό. 5) Παραμαγνητικά υλικά Τα υλικά στα οποία οι αλληλοεπιδράσεις των ατόμων οδηγούν σε τυχαία κατανομή των spin όπως π.χ. στο βολφράμιο δεν παρουσιάζεται μαγνήτιση, και λέγονται παραμαγνητικά. Σχηματική παράσταση δίδεται σ το σχήμα 5.5. Σχήμα 5.5: Παραμαγνητικό υλικό. 101

6 5.4 Μαγνητικές περιοχές και καμπύλη υστέρησης Σε ορισμένα μαγνητικά υλικά (π.χ. σίδηρος) η μαγνήτιση εξαφανίζεται ή εκδηλώνεται μετά την επίδραση του μαγνητικού πεδίου, ενώ στα σιδηρομαγνητικά υλικά, σε κάθε περίπτωση, θα έπρεπε σε θερμοκρασίες κάτω από τη θερμοκρασία Curie, να εμφανίζονται μαγνητικές ιδιότητες. Τούτο οφείλεται στην ύπαρξη, όπως πρόβλεψε ο Weiss, μαγνητικών περιοχών. Ενώ δηλαδή, σε κάθε περιοχή οι μαγνητικές ροπές των ατόμων προσανατολίζοντ αι ομοιόμορφα, σε διαφορετικές περιοχές ο προσανατολισμός είναι διαφορετικός με αποτέλεσμα ο τελικός μαγνητισμός να είναι μηδενικός. Μετά ή κατά την επίδραση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου οι μαγνητικές περιοχές (περιοχές WEISS) προσανατολίζονται και το υλικό εμφανίζει μαγνητικά χαρακτηριστικά μαγνήτη. Τα ερωτήματα που δημιουργούνται σχετικά με την συμπεριφορά αυτή των μαγνητικών υλικών είναι: α. Γιατί υπάρχουν οι μαγνητικές περιοχές. β. Πόσο το πάχος των «τοιχωμάτων των μαγνητικών περιοχών» γ. Με ποιό μηχανισμό εξαφανίζονται οι μαγνητικές περιοχές με την αύξηση της έντασης ενός εξωτερικού μαγνητικού πεδίου. Το πρώτο ερώτημα έχει σχετικά εύκολη απάντηση. Λαμβάνοντας υπ όψη την ενεργειακή «οικονομία» της φύσης οι μαγνητικές περιοχές υπάρχουν διότι είναι ενεργειακά οι πιθανότερες. Η δημιουργία μαγνητικών περιοχών είναι η «πλέον συμφέρουσα» ενεργειακά λύση μεταξύ δύο ακραίων περιπτώσεων: του ομοιόμορφου προσανατολισμού όλων των μαγνητικών ροπών σε μια κατεύθυνση και του τελείως ανομοιόμορφου προσανατολισμού πολύ μικρών περιοχών ή και μέχρι απλών ατόμων. Λόγοι «ισορροπίας» λοιπόν επιβάλλουν τη δημιουργία μαγνητικών περιοχών. Για να δοθεί απάντηση στο δεύτερο ερώτημα θα πρέπει να εξηγηθούν οι μαγνητικές ιδιότητες των απλών κρυστάλλων. Στο παρακάτω σχήμα 5.6, δίδεται η μεταβολή Β-Η για το σίδηρο σε τρεις διαφορετικές κατευθύνσεις του κρυστάλλου. 102

7 Σχήμα 5.6: Μαγνήτιση κρυστάλλου σιδήρου. Όπως φαίνεται από το σχήμα η κατεύθυνση ΑΖ είναι η κατεύθυνση εύκολης μαγνήτισης, ενώ αντίθετα οι κατευθύνσεις ΑΡ και ΑΕ είναι κατευθύνσεις δυσκολότερης μαγνήτισης, δηλαδή ο σίδηρος μαγνητίζεται ευκολότερα κατά μήκος των ακμών του κρυστάλλου από ότι κατά μήκος των διαγωνίων του. Αυτό φυσικά δεν σημαίνει ότι όλα τα υλικά συμπεριφέρονται κατά τον ίδιο τρόπο. Στο νικέλιο, ένα άλλο υλικό με δομή κύβου, έχει κατευθύνσεις εύκολης και δύσκολης μαγνήτισης αντίστροφες από ότι ο σίδηρος. Το φαινόμενο της διαφοροποίησης των ιδιοτήτων ενός υλικού σε σχέση με τις κρυσταλλογραφικές διευθύνσεις, ονομάζεται ανισοτροπία και οι εσωτερικές δυνάμεις που προκαλούν την ιδιότητα αυτή λέγονται ανισοτροπικές δυνάμεις. Αν θεωρηθούν δύο γειτονικές μαγνητικές περιοχές με αντίθετη μαγνήτιση, η αλλαγή της πολικότητας της μαγνητικής ροπής γίνεται σταδιακά από τη μια περιοχή στην άλλη. Η περιοχή αυτή της αλλα γής πολικότητας ονομάζεται τοίχωμα της μαγνητικής περιοχής. Σε υλικά μα ανισοτροπικές δυνάμεις μικρές, η μεταβολή πολικότητας είναι αργή και το «τοίχωμα» έχει σχετικά μεγάλο πάχος π.χ. 10μ. Αντίθετα η υψηλή ανισοτροπία οδηγεί σε ταχεία αλλαγή κατεύθυνσης των μαγνητικών ροπών και μικρό πάχος τοιχωμάτων π.χ. 0,3μ. Σχηματική παράσταση της δημιουργίας «τοιχώματος» δίδεται στο σχήμα

8 Σχήμα 5.7: Σχηματισμός τοιχώματος μαγνητικής περιοχής. Όταν ο μονοκρύσταλλος του σιδήρου δεν έχει μαγνητισθεί μπορεί να υπ οτεθεί ότι υπάρχουν πολλές μαγνητικές περιοχές και ο μαγνητισμός κάθε περιοχής έχει μια από τις «εύκολες» έξι (6) κατευθύνσεις. Με την εφαρμογή του μαγνητικού πεδίου κατά την κατεύθυνση (π.χ. ΑΖ) και την σταδιακή αύξηση της έντασής του, συμβαίνει σταδιακά προσανατολισμός μέχρις ότου όλος ο κρύσταλλος αποκτήσει μόνο μια μαγνητική περιοχή. Λόγω της ευκολίας μετακίνησης των ορίων (τοιχωμάτων) των μαγνητικών περιοχών το απαιτούμενο μαγνητικό πεδίο για μαγνητικό κορεσμό είναι μικρό. Αν η διεύθυνση του μαγνητικού πεδίου είναι κατά την ΑΕ, τα τοιχώματα των μαγνητικών περιοχών θα μετακινηθούν αρ χικά, όπως και προηγουμένως μέχρ ι να μείνουν μόνο τρεις «εύκολες» κατευθύνσεις, συγκεκριμένα οι ΑΖ, ΑΟ και ΑΣ, δηλαδή αυτές που αναλύονται με συνιστώσες κατά την κατεύθυνση Α Ε. Αυτό επιτυγχάνεται με μικρή ένταση του μαγνητικού πεδίου αλλά κατόπιν (από το σημείο Κ και μετά στην καμπύλη Β-Η) απαιτείται ισχυρό πεδίο, διότι η αύξηση μαγνήτισης προϋποθέτει αλλαγή της κατεύθυνσης των μαγνητικών ροπών που γίνεται μόνο όταν υπερκαλυφθ ούν οι εσωτερικές δυνάμεις ανισοτροπίας. Κατά τον ίδιο τρόπο εξηγείται και η μαγνήτιση ενός πολυκρυσταλλικού υλικού που δεν είναι τίποτε άλλο παρά ένα σύνολο μονοκρυστάλλων. Η καμπύλη μαγνήτισης ενός πολυκρυσταλλικού υλικού παρουσιάζει τη μορφή του σχήματος 5.8. Η καμπύλη μαγνήτισης λαμβάνεται κατά τη μεταβολή του εξωτερικού πεδίου Η, σε συνάρτηση της μαγνητικής επαγωγής Β (Η μαγνητική επαγωγή ή ροή έχει μονάδα το T esla, ΙΤ=Ι.Ν.Α -1 ). Η καμπύλη αυτή είναι γνωστή και σαν βρόγχος υστέρησης (H ysterisis loop). Η αρχική καμπύλη μαγνήτισης που περιγράφεται από τα σημεία 1,2,3,4,5 ονομάζεται παρθενική καμπύλη και λαμβάνεται κατά την πρώτη μαγνήτιση του υλικού. 104

9 Με την αύξηση του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, αυξάνεται η μαγνητική επαγωγή, μέχρι μια μέγιστη τιμή (σημε ίο 5) που ονομάζεται μαγνήτιση κορεσμού (Β ma x ). Σχήμα 5.8: Καμπύλη μαγνήτισης σιδηρομαγνητικού υλικού. Αν κατά την λήψη της καμπύλης 1-5 χρησιμοποιηθεί συσκευή υψηλής ευαισθησίας θα εμφανιστεί κλιμακωτή μεταβολή. Η κλιμακωτή μεταβολή δείχνει ότι η μαγνήτιση του υλικού δεν είναι συνεχής αλλά γίνεται με άλματα (άλματα Barkhausen) που αποτελεί ένδειξη σταδιακού προσανατολισμού των διαφορετικών μαγνητικών περιοχών. Κατά την μείωση της έντασης του μαγνητικού πεδίου από την μέγιστη τιμή (σημείο 5) λαμβάνεται η καμπύλη 5,6,7. Στο σημείο 7 και για μηδενική τιμή του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου, η μαγνητική επαγωγή λαμβάνει τη τιμή B t που ονομάζεται παραμένουσα μαγνήτιση (RESIDUAL MAGNETIZATION). Η Β t δείχνει ότι και μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού πεδίου, μερικές περιοχές θα παραμείνουν, κοινά, προσανατολισμένες με αποτέλεσμα η συνολική μαγνητική ροπή στο υλικό να έχει μη -μηδενική τιμή. Τούτο συμβαίνει στους μόνιμους μαγνήτες. Συνέχιση της μεταβολής Β-Η με αρνητικές τιμές Η, δηλαδή με αλλαγή πολικότητας του μαγνητικού πεδίου η καμπύλη ακολουθεί τα σημεία 7,8,9,10. Στο σημείο 8 η μαγνήτιση του υλικού μηδενίζεται. Η τιμή της έντασης του εξωτερικού μαγνητικού πεδίου που προκαλεί μηδενισμό της Β, ονομάζεται συνεκτική δύναμη ή συνεκτική αντοχή πεδίου (COERSIVE FORCE, 105

10 COERSIVE FIELD STRENGTH). Οι περιοχές 4,5 και 9,10 δείχνουν ότι η περιστροφή από την «εύκολη» στη «δύσκολη» κατεύθυνση είναι αντιστρεπτή. Λόγω της ύπαρξης όλων των ειδών των ατελειών στα πραγματικά υλικά η καμπύλη παρουσιάζει κλιμακωτή μορφή. Αύξηση τ ης έντασης του Η πέρα από το σημείο δεν αυξάνει την τομή του Β. Όπως και προηγούμενα λαμβάνεται η Β ma x με διαφορετικό μόνον πρόσημο. Στο σημείο 12 λαμβάνεται επίσης η μαγνήτιση Β t. Το εμβαδόν του βρόγχου υστέρησης , εξαρτάται από τις τιμές Β ma x και Β t. 5.5 Μαγνητικές ιδιότητες των ατόμων Οι μαγνητικές ιδιότητες των ατόμων εξηγούνται με τις παρακάτω δύο αρχές: 1. Άτομα με πλήρεις στοιβάδες δεν έχουν μαγνητικές ροπές διότι αυτές αλληλοεξουδετερώνονται. 2. Τα spin τοποθετούνται μέσα στα άτομα έτσι, ώστε να λαμβάνεται η μέγιστη τιμή μαγνητικής ροπής χωρίς να παραβιάζεται η αρχή του Pauli. Από τα παραπάνω είναι φανερό ότι τα στοιχεία της ομάδας 0 (ευγενή αέρια π.χ. He, Ne) δεν έχουν μαγνητική ροπή. Το υδρογόνο, το λίθιο, ο άργυρος έχουν μαγνητικές ιδιότητες διότι έχουν ένα εξωτερικό ηλεκτρόνιο. Το βόριο με ηλεκτρονική διαμόρφωση: 1s 2,2s 2 2p 1 έχει ένα ηλεκτρόνιο στην εξωτερική του στοιβάδα και παρόμοια ο άνθρακας έχει δύο ηλεκτρόνια: 1s 2 2s 2 2p2p και το άζωτο τρία: 1s 2 2s 2 2p2p2p. Παρόμοια το χρώμιο και το μαγγάν ιο έχουν πέντε ηλεκτρόνια στην 3d υποστοιβάδα με μηεξουδετερωμένα spin. Ο σίδηρος έχει τέσσαρα μη-εξουδετερωμένα ηλεκτρόνια από άποψη μαγνητικής ροπής, το κοβάλτιο τρία και το νικέλιο δύο. Σχηματική παράσταση δίδεται στο σχήμα 5.9. Όπως ήδη έχει αναφ ερθεί στα στοιχεία, Mn, Cr λόγω απόστασης γειτονικών ατόμων δεν εμφανίζεται τελικά ροπή. Όπως έχει ήδη αναφερθεί οι μαγνητικές ιδιότητες των ατόμων οφείλονται στις μαγνητικές ιδιότητες των ηλεκτρονίων τους. Οι ιδιότητες αυτές μπορούν να μετρηθούν στη συσκευή Stern-Gerlach, όπου κάθε άτομο μπορεί να θεωρηθεί σαν ξεχωριστή ενότητα. Σχηματική παράσταση της συσκευής δίδεται στο σχήμα

11 1s 2s 2p 3s 3p 3d 4s B C N Cr Mn Fe Co Ni Σχήμα 5.9: Ηλεκτρονική διαμόρφωση στοιχείων. Πείραμα STERN-GERLACH Άτομα ενός υλικού (κατ αρχάς χρησιμοποιήθηκε Ag) θερμαίνονται μέχρι εξάτμισης σε κλίβανο και στη συνέχεια μέσω διαφραγμάτων φθάνουν, όσα κινούνται ευθύγραμμα, και εφόσον δεν είναι μαγνητικά, σε στόχο. Όσα άτομα έχουν μαγνητική ροπή θα παρουσιάζουν αποκλίσεις στο κατακόρυφο επίπεδο του στόχου. Οι αποκλίσεις θα είναι ανάλογες των μαγνητικών ιδιοτήτων των ατόμων. Η συμπεριφορά αυτή των ατόμων στην αέρια κατάσταση εξηγείται, διότι τα άτομα βρίσκονται σε αρκετή απόσταση μεταξύ τους. Στα στερεά, τα άτομα βρίσκονται κοντά και οι ξεχωριστές μαγνητικές ιδιότητες συνδυάζονται για τη δημιουργία τελικής μαγνητικής ροπής. Τα ηλεκτρόνια που είναι συνήθως υπεύθυνα για το χημική δεσμό είναι επίσης υπεύθυνα και για τις μαγνητικές ιδιότητες. Όταν π.χ. άτομα Νa και CΙ συνδέονται για το σχηματισμό ΝaCI, το ηλεκτρόνιο της στοιβάδας σθένους του Να μετακινείται στο άτομο του χλωρίου προς συμπλήρωση της εξωτερικής στοιβάδας αυτού. Έτσι και το νάτριο και το χλώριο σε μορφή ιόντων αποκτούν συμπληρωμένες στοιβάδες και το ΝaCI δεν είναι μαγνητικό. Με όμοιο τρόπο σε ενώσεις με ομοιοπολικό δεσμό, όπου συνδυάζονται ηλεκτρόνια με αντίθετο spin, το τελικό αποτέλεσμα είναι η τελική μηδενική ροπή. 107

12 Σχήμα 5.10 : Πείραμα Stern-Gerlqach. Από τη μελέτη του στερεού χρωμίου προκύπτει ότι τούτο θα πρέπει να είναι παραμαγνητικό στερεό, λόγω των ελεύθερων ηλεκτρονίων και το σχηματισμό μαγνητικών ατόμων στο κρυσταλλικό πλέγμα. Τούτο πράγματι συμβαίνει πάνω από μια ορισμένη θερμοκρασία γνωστή σαν θερμοκρασία NEEL (για το χρώμιο 475Κ). Κάτω από τη θερμοκρασία αυτή, τα SPIN των γειτονικών ατόμων αποκτούν ταξινομημένη αντιπαράλληλη δομή. Το γεγονός αυτό εξηγείται με την απαγορευτική αρχή του PAULI, σύμφωνα με την οποία δύο ηλεκτρόνια δε μπορούν να βρίσκονται στην ίδια στάθμη εκτός αν έχουν αντιπαράλληλα SPIN. Οι ίδιες αντισιδηρο μαγνητικές ιδιότητες παρατηρούνται και σ ένα αριθμό ενώσεων π.χ. MnO, MnS, FeO και επίσης στο μαγγάνιο (θερμοκρασία NEEL 100 K). 5.6 Mαλακοί μαγνήτες Οι μαλακοί μαγνήτες έχουν υψηλές τιμές B ma x, δηλαδή μεγάλο βαθμό μαγνήτισης του υλικού. Αντίστοιχα οι τιμές B t των υλικών είναι μικρές, με αποτέλεσμα το εμβαδόν της κλειστής καμπύλης (βρόγχος υστέρησης) να είναι μικρό. Οι μαλακοί μαγνήτες πρέπει να έχουν μεγάλη μαγνητική δι απερατότητα για να χρειάζεται μικρότερο εξωτερικό πεδίο Η, για την ίδια επαγωγή Β max. Επίσης η συνεκτική δύναμη Η C, πρέπει να είναι μικρή, δηλαδή να αποπροσανατολίζεται μετά την απομάκρυνση του εξωτερικού πεδίου. Ο ιδανικός μαλακός μαγνήτης πρέπει να ακολουθεί την παρθενική καμπύλη, κάθε φορά μαγνητίζεται. Επίσης πρέπει οι συνολικές απώλειες που περιλαμβάνουν τις απώλειες υστέρησης και τις απώλειες λόγω διννορευμάτων 108

13 (EDDY CURRENT) σε WATT/KG πρέπει να είναι μικρές. Πίνακας μαλακών μαγνητικών υλικών δίδεται παρακάτω (πίνακας 34). Πίνακας 34: Μαλακά μαγνητικά υλικά Β ma x Μαγνητική Απώλεια ανά Υλικό W/m 2 διαπερατότητα ρ κύκλο υστέρησης ΜΑΧ Ω.Μ J/KG.HZ σίδηρος 2, ,03 Fe-4% Si 1, ,02 RERMALLOY (78% Ni-22% Fe) 1, , ,0005 SUPERMALLOY 0, ,0001 Φερρίτης Μn-Zn (MnZn(Fe 2 O 3 ) ,2 0,001 Για εφαρμογές στα ραδιοφωνικά εξαρτήματα και στους πυρήνες τηλεφωνικών συσκευών χρησιμοποιούνται υλικά με βρόγχο υστέρησης γραμμικής μορφής, που παράγονται με κονιομεταλλουργία ή με ειδική θε ρμική κατεργασία. Σίδηρος με περιεκτικότητα 2% σε πυρίτιο και μικρή ποσότητα θείου, με κατάλληλη θερμική κατεργασία χρησιμοποιείται σε ηλεκτρικές εφαρμογές. Το πυρίτιο αυξάνει την αντίσταση που σημαίνει μείωση των απωλειών από διννορεύματα. Σίδηρος με μεγα λύτερη περιεκτικότητα σε πυρίτιο έχει ακόμη καλλίτερα χαρακτηριστικά (βλέπε και πίνακα) και χρησιμοποιείται σε μετασχηματιστές αλλά έχει μεγάλη ευθραυστότητα και δεν συνιστάται για περιστρεφόμενα εξαρτήματα (κίνδυνος θραύσης). Σε περιπτώσεις, όπου απαιτείται υλικό με ελάχιστες απώλειες και το κόστος δεν αποτελεί πρόβλημα, όπως π.χ. σε υποβρύχια καλώδια και μετασχηματιστές ραδιοσυχνοτήτων χρησιμοποιείται PERMALLOY. Ακόμη καλλίτερα αποτελέσματα χαρακτηρίζουν τον μαγνήτη SUPERMALLOY που περιέχει λίγο μολυβδαίνιο και μαγγάνιο επιπλέον των συστατικών του PERMALLOY. Η καμπύλη μαγνήτισης του SUPERMALLOY δίδεται παρακάτω (σχήμα 5.11). Για μείωση των επιδράσεων ανισοτροπίας σχετικά πρόσφατα κατασκευάζονται μαγνήτες από άμορφα υλικά. Αυτό επιτυγχάνεται με απότομη ψύξη ( C ανά sec) και στη συνέχεια ανόπτηση στους 300 C, 109

14 κατασκευάσθηκε μαγνητικό υλικό σε μορφή στενόμακρων λουρίδων με πάχος 50μ και πλάτος μερικά χιλιοστόμετρα. Το κύριο πλεονέκτημα της μεθόδου αυτής είναι η ευκολία παραγωγής και το χαμηλό κόστος, ενώ τ ο λαμβανόμενο προϊόν έχει περίπου τις ίδιες ιδιότητες με τα εμπορικά κράματα. Σε εφαρμογές ισχύος π.χ. μετασχηματιστές, τα κλασικά υλικά είναι φθηνότερα αλλά τα άμορφα υλικά έχουν λιγότερες απώλειες. Σχήμα 5.11: Καμπύλη μαγνήτισης SUPERMALLOY. Οι φερρίτες ανήκουν στα σιδηρομαγνητικά υλικά και έχουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον από πρακτική άποψη διότι έχουν μονωτικές ιδιότητες. Έτσι μειώνουν τις απώλειες λόγο δινορρευμάτων και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υψηλές συχνότητες. Η κύρια εφαρμογή τους είναι σε υψηλ ές συχνότητες σε μετασχηματιστές και σωληνοειδή σάρωσης τηλεοράσεων ( Television Scanning Coils). Ειδικοί τύποι χρησιμοποιούνται σε κυκλώματα μικροκυμάτων και σε πυρήνες μνήμης υπολογιστών. Με κατάλληλο συνδυασμό διαφόρων χημικών στοιχείων είναι δυνατόν να λαμβάνονται υλικά με διαφορετικό σχήμα και μέγεθος καμπύλων υστέρησης. Ο γενικός τύπος των φερριτών είναι ΜΟ. Fe 2 O 3, όπου Μ είναι μέταλλο τύπου Ni, Zn, AI, Mg. Όταν το μέταλλο είναι ο σίδηρος το υλικό έχει τον τύπο Fe 3 O 4 (μαγνητίτης). Δηλαδή το πρώτο υλικό (φυσικό προϊόν) που έγινε γνωστό για τις μαγνητικές του ιδιότητες ήταν ουσιαστικά σιδηρο μαγνητικό. Ο φερρίτης Mn-Zn χρησιμοποιείται σε μετασχηματιστές υψηλών συχνοτήτων -χαμηλών απωλειών. Οι φερρίτες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε συστήματα αποθήκευσης υπολογιστών, λόγω των μονωτικών ιδιοτήτων τους (δεν έχουν απώλειες λόγω δινορρευμάτων) και επειδή έχουν δύο σταθερές καταστάσεις ικανές για 110

15 αποθήκευση μιας μονάδας (bit) πληροφορίας. Βέβαια σε υπολογιστές τελευταίας τεχνολογίας τα στοιχεία μνήμης είναι κατασκε υασμένα από ημιαγωγούς, χωρίς αυτό να σημαίνει τον παραγκωνισμό των φερριτών. Ήδη βρίσκεται σε εξέλιξη η μνήμη της μαγνητικής «φυσσαλίδας» ( Μagnetic Bubble Domain Memory). 5.7 Σκληροί ή μόνιμοι μαγνήτες Στους σκληρούς ή μόνιμους μαγνήτες οι τιμές Β t και Η C είναι υψηλές. Τα υλικά των σκληρών μαγνητών ταξινομούνται στις παρακάτω κατηγορίες. α. Χυτά κράματα Fe-Ni-AI και Fe-Ni-Al-Co με προσθήκη και άλλων στοιχείων, όπως χαλκός, τιτάνιο, νιόβιο. Τα κράματα Fe-Ni-AI αποτελούν τα βασικά υλικά των μόνιμων μαγνη τών. Στα κράματα αυτά σχηματίζεται φάση από κατακρήμνιση κατόπιν χρονοσκλήρυνσης. Η κατακρημνιζόμενη φάση είναι της μορφής Fe 2 NiAL, με δομή όμοια με εκείνη του σιδήρου ( bcc) και είναι μαγνητική. Η συνεχής φάση αποτελείται από Νi-AI και είναι ασθενώς μαγνητική. Το σύστημα που προκύπτει θα είναι μη-μαγνητικό υπόστρωμα με μαγνητικές περιοχές. Υλικά με τέτοια δομή έχουν υψηλή τιμή Η C (μαγνήτες AlNi). Για την ενίσχυση των ιδιοτήτων των Fe-Ni-AL προστίθενται και άλλα μέταλλα όπως το κοβάλτιο και ο χαλκός. Η μαγνητική δομή επιτυγχάνεται με θερμομαγνητική κατεργασία σε μαγνητικό πεδίο ΚΑ/m και ψύξη από θερμοκρασία C σε 500 C. Η κατεργασία αυτή προσανατολίζει τη μαγνητική φάση και το υλικό γίνεται μαγνητικά ανισότροπο. Η θερμομαγνητική κατεργασία είναι χρήσιμη για κράματα με υψηλή περιεκτικότητα σε κοβάλτιο (κράματα με 20-25% σε Co παρουσιάζουν αύξηση της ενέργειάς κατά 80%. Η Η C παραμένει πρακτικά αμετάβλητη ενώ αυξάνεται η Β t. 111

16 β) Μαγνήτες από κόνεις Οι μαγνήτες που κατασκευάζονται με κονιομεταλλο υργία υποδιαιρούνται σε: μετάλλου-κεραμικού, μετάλλου-πλαστικού, οξειδίων και μικροκόνεων. Οι μαγνήτες μετάλλου-κεραμικού, παρασκευάζονται με συμπίεση κόνεων χωρίς τη χρήση συνδετικής ύλης και πυροσυσσωμάτωση ( sintering) σε υψηλή θερμοκρασία. Οι μαγνήτες αυτοί είναι ελάχιστα κατώτεροι από τους μεταλλικούς αλλά κοστίζουν πολύ λιγότερο. Οι μαγνήτες μετάλλου-πλαστικού κατασκευάζονται από κόνεις μετάλλων και μονωτικό πλαστικό συνδετικό υλικό. Με τη χρήση θερμότητας και συμπίεσης, το συνδετικό υλικό πολυμερίζετα ι. Σε σχέση με τους χυτούς μαγνήτες οι μαγνήτες αυτοί έχουν μικρότερες τιμές μαγνητικών χαρακτηριστικών αλλά υψηλότερη ειδική αντίσταση, χαμηλότερη πυκνότητα και είναι σχετικά φθηνοί. Οι μαγνήτες οξειδίων, περιλαμβάνουν μαγνήτες Ba-Fe τύπου ΒαΟ. 6Fe 2 O 3 (μαγνήτης Feroba). Σε σχέση με τους χυτούς μαγνήτες οι μαγνήτες οξειδίων έχουν υψηλή Η C και χαμηλή παραμένουσα επαγωγή. Β t. Η ειδική αντίσταση των οξειδίων Ba-Fe είναι πολύ μεγαλύτερη από εκείνη των μεταλλικών μαγνητών και για το λόγο αυτό είναι κατάλληλοι για μαγνητικά κυκλώματα που εκτίθενται σε υψήσυχνα ρεύματα. Από άποψη κόστους έχουν μόνο το 1/10 της τιμής των μαγνητών Fe-Ni-Co-Al. Μειονεκτήματα των μαγνητών αυτών είναι οι μικρές μηχανικές ιδιότητες και η μεγάλη εξάρτηση των μαγνητικών χαρακτηριστικών από τη θερμοκρασία. γ) Μαγνήτες από άλλα υλικά Στην κατηγορία αυτή ανήκουν:οι ελαστικοί μαγνήτες, οι μαρτενσιτικοί χάλυβες, τα κράματα ψυχρής κατεργασίας και υπό ανάπτυξη υλικά. Το κυριότερο μειονέκτημα των μεταλλικών μαγνητών είναι ότι έχουν υψηλή σκληρότητα και ευθραυστότητα. Επίσης το υψηλό κόστος των πλαστικά παραμορφωμένων μαγνητικών κραμάτων που είναι απαλλαγμένοι από το μειονέκτημα αυτό δεν επιτρέπει την ευρύτερη χρησιμοποίηση. Κατά τα τελευταία χρόνια χρησιμοποιούνται ελαστικοί μαγνήτες, που μπορούν να πάρουν οποιοδήποτε σχήμα μπορεί να πάρει το λάστιχο. Τέτοιοι 112

17 μαγνήτες είναι γνωστοί και σαν «μαγνητικά λάστιχα» και χρησιμοποιούνται σε οικιακές συσκευές (π.χ. ψυγεία) και αλλού. Οι μαγνήτες αυτοί παράγονται με ελαστικό σαν συνδετικό σε μείγμα με λεπτή σ κόνη μόνιμου μαγνήτη. Συχνά σαν σκόνη μόνιμου μαγνήτη χρησιμοποιείται μαγνητικό οξείδιο τύπου ΒαΟ. 6Fe 2 O 3. Οι μαρτενσιτικοί χάλυβες με άνθρακα λιγότερο από 1% και προσθήκη βολφραμίου ή χρωμίου, χρησιμοποιούνταν στο παρελθόν για τη κατασκευή μονίμων μαγνητών αλλά τώρα η χρήσης τους έχει περιορισθεί και θεωρούνται ξεπερασμένα αν και έχουν κάποιες εφαρμογές. Στα κράματα ψυχρής κατεργασίας ανήκουν ο μαγνήτης VICALLOY, τα κράματα χαλκού-νικελίου με προσθήκη σιδήρου κ.α. Στον πίνακα 35 δίδονται τα χαρακτηριστικά μ ερικών σκληρών μαγνητών. Στο σχήμα 90 δίδεται η μεταβολή Β-Η για τους σκληρούς μαγνήτες ALNICO 9 και ALNICO 5. Σε σύγκριση με τις τιμές του σχήματος 5.12, να σημειωθεί η διαφορά κλίμακας κατά 10 4 (ένταση μαγνητικού πεδίου). Στα υπό ανάπτυξη υλικά ανήκουν και δύο ακόμη κατηγορίες υλικών: τα Garnets και τα ελικομαγνητικά υλικά (Helimagnets). Τα Garnets είναι υλικά που κρυσταλλώνονται σε ορισμένο κρυσταλλικό σύστημα. Σε σχέση με τις μαγνητικές τους ιδιότητες, ο αντιπροσωπευτικός τύπος των ενώσεων αυτών είναι του υτρίου-σιδήρου (Υ 3 Fe 5 O 12 ) που είναι σιδηρομαγνητικό υλικό για ειδικό λόγο. Το spin των ατόμων του ιτρίου είναι αντίθετο προς αυτό των ατόμων του σιδήρου, ώστε οι μαγνητικές ροπές θα ήσαν αντιπαράλληλες, αν οι τροχιακές μαγνητικές ροπές ήσαν μικρές. Αλλ ά η τροχιακή μαγνητική ροπή του ιτρίου είναι μεγάλη, η μεγαλύτερη από αυτή του spin, με αντίθετη κατεύθυνση. Έτσι η τελική μαγνητική ροπή των ατόμων του υτρίου είναι στην ίδια κατεύθυνση με αυτή των ατόμων σιδήρου και η ένωση είναι σιδηρομαγνητική. Στα ελικομαγνητικά υλικά τα SPIN σε κάθε ατομική στοιβάδα είναι στην ίδια κατεύθυνση αλλά τα SPIN γειτονικών στοιβάδων βρίσκονται υπό γωνία π.χ. 129 C στο MnO 2 κάτω από ορισμένη θερμοκρασία, με αποτέλεσμα τη δημιουργία ενός είδους έλικας. Η δομή αυτή δεν έχει βρε ι ακόμη πρακτική εφαρμογή. 113

18 Σχήμα 5.12: Χαρακτηριστικά μαγνητών ALNICO5 και ALNICO Εξάρτηση μαγνήτισης από τη θερμοκρασία Κύριο χαρακτηριστικό των σιδηρομαγνητικών στοιχείων είναι η εξάρτηση της ικανότητας μαγνήτισης των από την θερμοκρασία. Πάνω από μια ορισμένη για κάθε υλικό θερμοκρασία, που είναι γνωστή σαν θερμοκρασία Curie τα σιδηρομαγνητικά υλικά χάνουν τον μαγνητισμό τους και γίνονται παραμαγνητικά. Η μαγνητική επαγωγή B ή μαγνητική ροή (magnetic flux ή induction) είναι ίση με: Β = μ.η όπου: μ είναι η μαγνητική διαπερατότητα του υλικού. Η μαγνητική διπολική ροπή Μ ανά μονάδα όγκου (ή ένταση μαγνήτισης), όπως έχει ήδη αναφερθεί είναι ίση με: Μ = Κ Μ.Η (όπου Κ Μ είναι η μαγνητική επιδεκτικότητα του υλικού). Επίσης η Μ είναι ίση με: M C H, όπου C είναι η σταθερά Curie και θ T είναι η θερμοκρασία Curie. Η σταθερά Curie είναι ίση με: C N M 2 M 3k o όπου: Ν Μ ο αριθμός μαγνητικών διπόλων ανά μονάδα όγκου M η μαγνητική ροπή μ 0 είναι η μαγνητική διαπερατότητα κενού k η σταθερά του Planck. Από τις παραπάνω εξισώσεις προκύπτει ότι : K M C T 114

19 Όταν λοιπόν η θερμοκρασία Τ είναι μικρότερη από την χαρακτηριστική θερμοκρασία θ, τότε η Κ Μ γίνεται αρνητική και το υλικό παραμαγνητικό. Ενδεικτικά δίδεται η σχετική μεταβολή της μαγνήτισης του Fe με τη θερμοκρασία δίδεται στο σχήμα Πίνακας 35: Κράματα σκληρών μαγνητών Υλικό Α. Μαρτενσιτικοί χάλυβες 1. 0,6%C 2. 0,6%C-6%W 3. 1%C-6%Cr 4. 1%C-9%Cr-3%Co 5. 1%C-9%Cr-15%Co 6. 0,90%C-4%W-6%Cr-35%Co 7. 0,9%C-1%Mn B. Kράματα με σκλήρυνση από κατακρήμνιση 1. ΑΙΝΙ (25Ni-13AI-4Cu) 2. AINICO 1 (18Ni-10AI-6Cu-12Co) 3. AINICO 5 (14Ni-8AI-3Cu-24Co) 4. AINICO 9 5. AICOMAX II (IINi-8AI-6Cu-25Co) 6. COLUMAX (13Ni-8AI-3Cu-24Co- 0,7Nb) Β t W/M 2 0,9 1,1 0,95 0,72 0,8 0,9 0,9 0,6 0,73 1,25 1,05 1,3 1,3 H c BH ma x A/M W.A/M 3 2, , , , , , , , , , , Γ. Κράματα ψυχρής κατεργασίας 1. VICALLOY 2. CUNIFE (Cu-Ni-Fe) 3. CUNICO (Cu-Ni-Co) Δ. Φερρίτες 1. FERROBA 1 (BaO.6Fe 2 O 3 ) 2. FERROBA III (BaO.6Fe 2 O 3 ) 3. FERROXDYR Br B C ,23 9, ,34 1, ,35 1,

20 Σχήμα 5.13: Μεταβολή σχετικής μαγνήτισης με τη θερμοκρασίας για τον σίδηρο. Οι θερμοκρασίες CURIE για τα σιδηρομαγνητικά στοιχεία είναι: σίδηρος: 770 C, κοβάλτιο: C, νικέλιο: 358 C, γαδολίνιο: 16 C Με κατάλληλες προσμίξεις το σημείο Curie μεταβάλλεται, γεγονός που έχει σημαντικές πρακτικές εφαρμογές. Για παράδειγμα τα υλικά που χρησιμοποιούνται σε κινητήρες, γεννήτριες, μετασχηματιστές, αυτόματους διακόπτες, μόνιμους μαγνήτες κ.α. πρέπει να διατηρούν τις μαγνητικές τους ιδιότητες και σε θερμοκρασίες πάνω α πό την μέγιστη προβλεπόμενη. Κράματα εξ άλλου που χρησιμοποιούνται σε φασματογράφους μαζών π.χ. νικελίου - σιδήρου πρέπει να μη μαγνητίζονται και να έχουν σημείο Curie κάτω από τη θερμοκρασία λειτουργίας. 5.9 Εφαρμογή(Case study):κατασκευή μαγνητικών ταινιών Οι μαγνητοταινίες χρησιμοποιούνται για την καταγραφή ήχων και εικόνων. Οι περισσότερο χρησιμοποιούμενες ταινίες, είναι οι στερεές μεταλλικές από ανοξείδωτο χάλυβα, οι διμεταλλικές και οι πλαστικές με επίστρωση μαγνητικής σκόνης. Παρακάτω θα ασχοληθούμε με μαγνητικές ταινίες από πλαστικό με επίστρωση μαγνητικών κόνεων. Η κυριότερη απαίτηση από μια ταινία μαγνητοφώνου ή βίντεο, είναι η διατήρηση της μαγνήτισης χωρίς απώλειες για πολύ χρόνο και μετά από πολλές φορές χρησιμοποίηση. 116

21 Η απώλεια της μαγνήτισης μπορεί να οφείλεται στους παρακάτω κυρίως λόγους: 1) Απώλεια πάχους 2) Απώλεια απόστασης μεταξύ κεφαλής (συσκευής) και ταινίας 3) Εσωτερική απομαγνήτιση λόγω επιδράσεων των σωματιδίων μεταξύ τους. Οι κυριότερες ιδιότητες που πρέπει να έχει ένα υλικό για ελ αχιστοποίηση των απωλειών μαγνήτισης και βελτιστοποίηση της απόδοσης της ταινίας είναι: 1) Τα μαγνητικά σωματίδια θα πρέπει να έχουν μικρό μέγεθος (μικρότερο από 0,05μ) για να έχουν ομοιόμορφη μαγνήτιση ή μεγάλο (πάνω από 1μ) για να δίνουν χαμηλό «θόρυβο». Η ομοιομορφία σχήματος και μεγέθους σημαίνει ομοιογένεια ιδιοτήτων. 2) Υψηλή συνεκτικότητα για καταγραφή των υψηλών συχνοτήτων. Όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα, τόσο πιθανότερος είναι ο απομαγνητισμός των μαγνητικά μαλακών σωματιδίων στην επιφάνεια της τ αινίας. Για το λόγο αυτό απαιτούνται υλικά υψηλής Η C και B t, ώστε να αντέχουν στις επιδόσεις απομαγνήτισης. Υψηλή H C λαμβάνεται με αύξηση της μαγνητοκρυσταλλικής ανισοτροπίας. 3) Υψηλή πυκνότητα και ικανότητα διεύθυνσης (κατευθυντικότητα). 4) Χρονική και θερμοκρασιακή σταθερότητα, ώστε οι μαγνητοταινίες να αντέχουν σε αποθήκευση και την επίδραση χημικών ουσιών. Τα κυριότερα υλικά που χρησιμοποιούνται σαν μαγνήτες σε μορφή κόνεων προς επικάλυψη των ταινιών είναι: 1) Το γ-fe 2 O 3. Οι ιδιότητες του γ-fe 2 O 3 προσδιορίζονται κυρίως από το σχήμα και το μέγεθος των ουσιών από τις οποίες λαμβάνεται. Οι διαδοχικές αντιδράσεις με τις οποίες λαμβάνεται το γ -Fe 2 O 3 είναι: FeOOH Fe O 2 2 H 2 / H O C ( ) Fe O Fe O C 2 3 2) Μη στοιχειομετρικό γ-fe 2 O 3. Μετά από πειραματική έρευνα βρέθηκε ότι σε κάποιο στάδιο μεταξύ Fe 3 O 4 και γ-fe 2 O 3 οι τιμές του H C είναι σημαντικά υψηλότερες από εκείνες του μαγνητίτη. Το λαμβα νόμενο μη- 117

22 στοιχειομετρικό γ-fe 2 O 3 χρησιμοποιείται στις ταινίες βίντεο. Πρόσφατα οι ταινίες αυτές χρησιμοποιούν μη-στοιχειομετρικό γ-fe 2 O 3 «εμβολιασμένο» κοβάλτιο. 3) Διοξείδιο του χρωμίου (CrO 2 ). Eδώ και χρόνια υπάρχει η αμφισβήτηση γύρω από τη φθορά λόγω τριβής που μπορούν να προκαλέσουν τα σωματίδια του CrO 2 (και φυσικά οι ταινίες CrO 2 ), τη σταθερότητα των επιδράσεων των ταινιών και τη πραγμα τική ανάγκη για ένα τέτοιο υλικό στη μαγνητοφώνηση αφού για τη διαπίστωση της υπεροχής του CrO 2, απαιτείται διακόπτης πόλωσης. Η αμφισβήτηση υπάρχει ακόμη, αν και μερικά από τα μειονεκτήματα του οξειδίου του χρωμίου έχουν βελτιωθεί όπως π.χ. έχει αυξηθεί η σταθερότητα και η φθορά η σταθερότητα και η φθορά λόγω τριβής δεν είναι μεγάλη σε σύγκριση με αυτή των ταινιών Fe 2 O 3. Επίσης έχουν κατασκευασθεί ταινίες με διπλή επίστρωση, μια με CrO 2 που δίνει καλή απόδοση στις υψηλές συχνότητες και μια γ -Fe 2 O 3 που δίνει καλή απόδοση στις χαμηλές συχνότητες. 4) Επιταξιακά προσροφημένο κοβάλτιο σε γ-fe 2 O 3. Tο κοβάλτιο αυξάνει δραστικά την H C του γ-fe 2 O 3. Η επίστρωση αυτή των ταινιών λαμβάνεται με αντίδραση του γ-fe 2 O 3 με διαλύματα περιέχοντα ιόντα κοβαλτίου. Η επίστρωση τελικά έχει ένα στρώμα Fe 3 O 4 ή γ-fe 2 O 3 βελονοειδούς μορφής και πάνω από αυτό ένα άλλο λεπτό στρώμα ένωσης του κοβαλτίου με επιταξιακή δομή (επιταξιακή δομή σημαίνει ότι το κοβάλτιο ακολουθεί την κρυσταλλική δομή του Fe 2 O 3. 5) Μεταλλικά σωματίδια. Όταν το μήκος κύματος που πρόκειται να μαγνητοφωνηθεί είναι πολύ μικρό, όμοιο με το μέγεθος των μεταλλικών σωματιδίων της επίστρωσης, τότε κανένα υλικό δεν μπορεί να εξουδετερώσει τις μεγάλες απώλειες μαγνήτισης που συμβαίνουν. Τούτο καθιστά αναγκαία τη χρησιμοποίηση υλικών με εσωτερική μαγνήτιση πολύ πιο υψηλή από αυτή των υλικών που αναφέρθηκαν και επίσης υψηλή H C. Τέτοια υλικά είναι μεταλλικά με βελονοειδή μορφή π.χ. σίδηρος ή κράματα κοβαλτίου. Οι κυριότερες προσπάθειες για κατασκευή και βελτίωση τέτοιων ταινιώ ν γίνεται στην Ιαπωνία, Γερμανία, Ολλανδία και ΗΠΑ. 118

23 Αν και θα φαινόταν ότι περαιτέρω βελτίωση στην ποιότητα των μαγνητοταινιών δεν είναι απαραίτητα ωστόσο υπάρχουν ακόμη μερικά desibells που χωρίζουν τη ποιότητα των ταινιών από τους δίσκους. Η βελτίωση θα έλθει πιθανότατα από την έρευνα στα σταθερά ή ασταθή κολλοειδή αιωρήματα μεταλλικών οξειδίων και από τη βελτίωση των μεταλλικών σωματιδίων. 119