NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 1 Eπιστήµη Yλικών: Mαγνητικά Yλικά Σηµείωση Το ΕΑΠ είναι υπεύθυνο για την επιµέλεια έκδοσης και την ανάπτυξη των κειµένων σύµφωνα µε τη Μεθοδολογία της εξ Αποστάσεως Εκπαίδευσης. Για την επιστηµονική αρτιότητα και πληρότητα των συγγραµ- µάτων την αποκλειστική ευθύνη φέρουν οι συγγραφείς, κριτικοί αναγνώστες και ακαδηµαϊκοί υπεύθυνοι που ανέλαβαν το έργο αυτό.
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 2
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 3 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΠPOXΩPHMENEΣ ΣΠOY EΣ ΣTH ΦYΣIKH Θεµατική Ενότητα EΠIΣTHMH YΛIKΩN KAI IATAΞEΩN Τόµος E' Mέρος B' Eπιστήµη Yλικών: Mαγνητικά Yλικά HMHTPIOΣ NIAPXOΣ ιευθυντής Έρευνας, Iνστιτούτο Eπιστήµης Yλικών EKEΦE «ηµόκριτος» ΠATPA 2003
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 4 ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Σχολή Θετικών Επιστηµών και Τεχνολογίας Πρόγραµµα Σπουδών ΠPOXΩPHMENEΣ ΣΠOY EΣ ΣTH ΦYΣIKH Θεµατική Ενότητα EΠIΣTHMH YΛIKΩN KAI IATAΞEΩN Τόµος E' Mέρος B' Eπιστήµη Yλικών: Mαγνητικά Yλικά Συγγραφή HMHTPIOΣ NIAPXOΣ ιευθυντής Έρευνας, Iνστιτούτο Eπιστήµης Yλικών EKEΦE «ηµόκριτος» Συνεργασία ρ. IΩANNHΣ ΠANAΓIΩTOΠOYΛOΣ Συνεργαζόµενος Eρευνητής IEY, EKEΦE «ηµόκριτος» Κριτική Ανάγνωση ΓEΩPΓIOΣ XATZHΠANAΓHΣ Kαθηγητής Tµήµατος Φυσικής και Aστρονοµίας Πανεπιστηµίου Delawere Ακαδηµαϊκός Υπεύθυνος για την επιστηµονική επιµέλεια του τόµου APIΣTEI HΣ Z ETΣHΣ Καθηγητής Tµήµατος Φυσικής Πανεπιστηµίου Πατρών Επιµέλεια στη µέθοδο της εκπαίδευσης από απόσταση IΩANNHΣ ΠAPΘENIOΣ Γλωσσική Επιµέλεια ΛOYIZA MΠANTH Συντονισµός ανάπτυξης εκπαιδευτικού υλικού και γενική επιµέλεια των εκδόσεων ΟΜΑ Α ΕΚΤΕΛΕΣΗΣ ΕΡΓΟΥ ΕΑΠ / 1997 2003 ISBN: 960 538 454 X Kωδικός Έκδοσης: ΠΣΦ 62/5 2 Copyright 2003 για την Ελλάδα και όλο τον κόσµο ΕΛΛΗΝΙΚΟ ΑΝΟΙΚΤΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ Οδός Παπαφλέσσα & Υψηλάντη, 26222 Πάτρα Τηλ: 2610 314094, 314206 Φαξ: 2610 317244 Σύµφωνα µε το Ν. 2121/1993, απαγορεύεται η συνολική ή αποσπασµατική αναδηµοσίευση του βιβλίου αυτού ή η αναπαραγωγή του µε οποιοδήποτε µέσο χωρίς την άδεια του εκδότη.
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 5 ÂÚÈ fiìâó Πρόλογος... 9 K º π 1 EÈÛ ÁˆÁ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 11 1.1 Iστορία του µαγνητισµού... 13 1.2 Γενικές αρχές... 17 1.2.1 Oρισµός µαγνητικού πεδίου... 17 1.2.2 ηµιουργία µαγνητικού πεδίου... 18 1.2.3 Mαγνητική ροπή και µαγνήτιση... 19 1.3 Kατάταξη µαγνητικών υλικών... 21 1.4 Kαµπύλες µαγνήτισης... 23 1.5 Συντελεστής αποµαγνήτισης... 25 Σύνοψη Kεφαλαίου... 28 K º π 2 ÚÔ Ï ÛË Ì ÁÓËÙÈÛÌÔ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 31 2.1 Mαγνητική ροπή των ηλεκτρονίων... 33 2.2 Πηγές της µαγνητικής ροπής ελεύθερων ατόµων... 33 2.3 Θεωρίες παραµαγνητισµού... 36 2.3.1 Kλασική θεωρία παραµαγνητισµού... 36 2.3.2 Kβαντική θεωρία παραµαγνητισµού... 39 2.4 Σιδηροµαγνητισµός... 40 2.4.1 Eισαγωγή... 41 2.4.2 Θεωρία µοριακού πεδίου... 42 2.5 υνάµεις ανταλλαγής... 44 2.6 Mαγνήτιση κραµάτων (Slater Pauling curve)... 46 2.7 Aντισιδηροµαγνητισµός... 47 2.7.1 Eισαγωγή... 47 2.7.2 Θεωρία Neel... 47 2.8 Σιδηροµαγνητισµός... 49
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 6 6 E π ª Y π ø : M π Y π 2.8.1 Eισαγωγή... 49 2.8.2 Θεωρία µοριακού πεδίου σε σιδηροµαγνητικά υλικά... 50 Σύνοψη κεφαλαίου... 51 K º π 3 M ÁÓËÙÈÎ AÓÈÛÔÙÚÔapple Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 53 3.1 Eισαγωγή... 55 3.2 Mαγνητοκρυσταλλική ανισοτροπία... 55 3.3 Φαινοµενολογικές εκφράσεις για την ανισοτροπία... 56 3.4 Aνισοτροπία λόγω µηχανικών τάσεων... 57 3.5 Eπιφανειακή ανισοτροπία... 58 3.6 Aνισοτροπία σχήµατος... 59 3.7 Πεδίο ανισοτροπίας... 61 3.8 Προσδιορισµός των σταθερών ανισοτροπίας από µετρήσεις ροπής στρέψης... 62 3.9 Προσδιορισµός των σταθερών ανισοτροπίας από µετρήσεις βρόχων υστέρησης... 65 3.10 Προσδιορισµός των σταθερών ανισοτροπίας σε πολυκρυσταλλικά υλικά... 66 Σύνοψη κεφαλαίου... 68 K º π 4 M ÁÓËÙÈÎ appleâúèô Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 71 4.1 Eισαγωγή... 73 4.2 H ανακάλυψη των µαγνητικών περιοχών... 73 4.3 Προέλευση και δοµή µαγνητικών περιοχών... 74 4.4 Tοιχώµατα µαγνητικών περιοχών... 76 4.5 Tοιχώµατα µαγνητικών περιοχών σε υµένια... 79 4.6 Mέθοδοι παρατήρησης των µαγνητικών περιοχών... 81 Σύνοψη κεφαλαίου... 83
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 7 EPIEXOMENA 7 K º π 5 È ÈÎ Û Ì ÁÓ ÙÈÛË Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά Eισαγωγικές παρατηρήσεις... 85 5.1 Oµογενής στροφή των µαγνητικών ροπών... 87 5.2 υαδικά Συστήµατα Πολυµερών... 87 5.3 Kίνηση τοιχωµάτων Bloch... 89 5.4 Πυρήνωση περιοχών αντίστροφης µαγνήτισης... 90 5.5 Mελέτη των µηχανισµών αντιστροφής της µαγνήτισης... 91 5.6 Eπαγωγικά ρεύµατα... 93 5.7 υναµική της µαγνήτισης... 94 5.8 Φαινόµενα εφησυχασµού... 95 Σύνοψη κεφαλαίου... 99 K º π 6 EÊ ÚÌÔÁ M ÁÓËÙÈÎÒÓ YÏÈÎÒÓ Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά... 101 6.1 Mαλακά µαγνητικά υλικά... 102 Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά... 102 6.1.1 Iδιότητες και χρήσεις µαλακών µαγνητικών υλικών... 103 6.1.2 Kατηγοριοποίηση µαλακών µαγνητικών υλικών ανάλογα µε τη χρήση... 104 6.1.3 Tο µέλλον των µαλακών µαγνητικών υλικών... 105 6.2 Σκληρά µαγνητικά υλικά... 108 Σκοπός, Προσδοκώµενα αποτελέσµατα, Έννοιες κλειδιά... 108 6.2.1 Iδιότητες... 109 6.2.2 ιάφορες κατηγορίες σκληρών µαγνητικών υλικών... 112 6.2.3 Nανοσύνθετοι µαγνήτες... 115 6.3 Λεπτά µαγνητικά σωµατί δια (particulate recording media)... 118 6.3.1 Σωµατίδια αποτελούµενα από µία περιοχή ή πολλές περιοχές... 119 6.3.2 Tρόποι αντιστροφής µαγνήτισης... 119 6.3.3 Tο µέλλον των µαγνητικών σωµατιδίων... 122 6.4 Λεπτά υµένια... 122 6.4.1 Eισαγωγή... 122
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 8 8 E π ª Y π ø : M π Y π 6.4.2 Tεχνικές παρασκευής... 123 6.4.3 Tεχνικές χαρακτηρισµού... 126 6.4.4 Mαγνητοαντίσταση και γιγαντιαία µαγνητοαντίσταση... 129 6.4.5 Eφαρµογές... 132 Aπαντήσεις Aσκήσεων Aυτοαξιολόγησης... 137 Bιβλιογραφία... 147 Eυρετήριο συµβόλων... 153 Eυρετήριο όρων... 155 Παράρτηµα I... 159 Παράρτηµα II... 165
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 9 ÚfiÏÔÁÔ Το βιβλίο αυτό αποτελεί µια πρώτη προσπάθεια εξοικείωσης του ελληνικού aναγνωστικού κοινού µε το γνωστικό αντικείµενο «ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ ΕΙΣΑΓΩΓΗ & ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ». Ένα αντικείµενο που είναι γνωστό στην ανθρωπότητα πάνω από 4.000 χρόνια και θα είναι αντικείµενο έρευνας και εφαρµογών για άλλα τόσα τουλάχιστον. Οι εφαρµογές είναι πολλές και ποικίλες και στο µέλλον θα είναι ακόµα περισσότερες. Ο σκοπός του βιβλίου είναι η εξοικείωση του αναγνώστη µε τα µαγνητικά φαινόµενα που τα συναντάµε καθηµερινά και η ερµηνεία τους µε αυστηρή επιστηµονική προσέγγιση, χωρίς βέβαια να χρησιµοποιούνται έννοιες που είναι πολύ δύσκολες. Στοιχειώδεις γνώσεις ηλεκτροµαγνητισµού, φυσικής στερεού σώµατος και κβαντοµηχανικής χρειάζονται για την πληρέστερη κατανόηση των παρατιθέµενων εννοιών. Έµφαση δόθηκε στην απλή περιγραφή των φαινοµένων και η επέκταση σε εφαρµογές. Σε αρκετά σηµεία, σε συνδυασµό µε τις ασκήσεις σε κάθε κεφάλαιο, δίνονται πραγ- µατικά µεγέθη που συναντώνται σε εφαρµογές. Η προσπάθεια αυτή ενισχύεται µε δεδο- µένα, σε µορφή πινάκων, πολύτιµα για τον αναγνώστη. Το βιβλίο αποτελείται από έξι κεφάλαια και δύο παραρτήµατα. Στο πρώτο κεφάλαιο, µετά από ιστορική αναδροµή, ορίζονται οι έννοιες µαγνητικό πεδίο και µαγνήτιση, και κατατάσσονται τα µαγνητικά υλικά σε παραµαγνητικά, σιδηροµαγνητικά, διαµαγνητικά και σιδηριµαγνητικά υλικά. Επίσης, ορίζεται ο συντελεστής αποµαγνήτισης και τα χαρακτηριστικά µεγέθη σε ένα βρόχο υστέρησης. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφεται η προέλευση του µαγνητισµού βάσει της τροχιακής κίνησης και του σπιν του ηλεκτρονίου, οι αλληλεπιδράσεις ανταλλαγής και εξηγούνται τα διάφορα είδη µαγνητικής τάξης (παραµαγνητισµός, σιδηροµαγνητισµός κτλ.) στα πλαίσια της θεωρίας του µέσου πεδίου. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η έννοια της ανισοτροπίας, η προέλευση καθώς και η σηµασία της στις τεχνολογικές εφαρµογές. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται η έννοια των µαγνητικών περιοχών, το τοίχωµα Bloch, καθώς και οι µηχανισµοί που καθορίζουν το σχήµα και το µέγεθός τους και ο ρόλος τους σαν µαλακά ή σκληρά µαγνητικά υλικά. Η διαδικασία µαγνήτισης και κυρίως ο µηχανισµός αντιστροφής καθορίζει σε µεγάλο βαθµό τις µαγνητικές ιδιότητες ενός στερεού και περιγράφεται στο πέµπτο κεφάλαιο. Στο ίδιο κεφάλαιο περιγράφεται η δυναµική του εφησυχασµού της µαγνητικής ροπής σε µικρά σωµατίδια και η σηµασία στα νέα υλικά για πυκνότητες µαγνητικής εγγραφής µεγαλύτερες από 50 Gbits/in 2. Στo έκτο κεφάλαιο επιχειρείται µια αναφορά στις διάφορες κατηγορίες µαγνητικών υλικών τεχνολογικού ενδιαφέροντος και στις τεχνικές παρασκευής και χαρακτηρισµού. Επίσης γίνεται αναφορά σε διάφορες εφαρµογές των µαλακών µαγνητικών υλικών, των σκληρών µαγνητικών
NÈ Ú Ô (168ÛÂÏ.) 24-02-06 17:02 ÂÏ 10 10 E π ª Y π ø : M π Y π υλικών µόνιµοι µαγνήτες και των λεπτών υµενίων. Τα έξι κεφάλαια συµπληρώνονται µε δύο παραρτήµατα, στα οποία δίνονται, στο πρώτο πληροφοριακά στοιχεία για «Μέσα Μαγνητικής Εγγραφής», χρήσιµα για όποιον θέλει να έχει µια πρόσφατη ενη- µέρωση, και στο δεύτερο πληροφορίες για τις µονάδες µαγνητισµού και η µετατροπή τους από το σύστηµα SI στο cgs. Το σύστηµα SI χρησιµοποιείται σε όλο το βιβλίο, εκτός από µερικές περιπτώσεις που αναφέρονται οι εξισώσεις στο cgs emu. Το κεφάλαιο του µαγνητισµού είναι τεράστιο σε όγκο αλλά και εφαρµογές. Η πρώτη αυτή προσπάθεια αποτελεί την ελάχιστη συνεισφορά µου στο ελληνικό κοινό και ειδικότερα στους φοιτητές του Ελεύθερου Ανοικτού Πανεπιστηµίου. Γνωρίζω ότι έχουν παραλειφθεί σηµαντικές έννοιες το µέγεθος του βιβλίου που είχε καθορισθεί δεν επέτρεπε την αναφορά τους στο παρόν σύγγραµµα και παρακαλείται ο αναγνώστης να προστρέξει και στις αναφορές που υπάρχουν στο τέλος του βιβλίου. Θα ήθελα να ευχαριστήσω τους συνεργάτες µου στο Ινστιτούτο Επιστήµης Υλικών του ΕΚΕΦΕ, για τη βοήθεια που παρείχαν κατά τη συγγραφή του βιβλίου. Ειδικότερα, τον ρ. Ι. Παναγιωτόπουλο για την επιµονή και υποµονή του και την επιµέλεια του βιβλίου, και τον Καθ. Γ. Χαντζηπαναγή, Department of Physics, U of Delaware USA, που ως κριτικός αναγνώστης συνεισέφερε τα µέγιστα στην τελική µορφή του κειµένου. Ελπίζουµε ότι αυτό το βιβλίο θα αποτελέσει µια πηγή αναφοράς και έµπνευσης για ενασχόληση µεγαλύτερου αριθµού Ελλήνων µε ένα εξόχως ενδιαφέρον αντικείµενο, όπως είναι τα «ΜΑΓΝΗΤΙΚΑ ΥΛΙΚΑ». Αθήνα, Ιούνιος 2001. Νιάρχος