Igazgató: Prof. BÁRSONY István DSc, H-1525 Budapest, Konkoly-Thege M. út 29-33, Tel.:+361-3922225, Fax:+361-3922226

MFA Nyári Iskola Középiskolásoknak

A MÁGNESSÉG VONZÁSÁBAN... avagy A MÁGNESES MEMÓRIÁK
(MTA MFA, osztály)

A jelentkezéssel kapcsolatos információk ITT.

Dr. KÁDÁR György A MÁGNESSÉG VONZÁSÁBAN... avagy A MÁGNESES MEMÓRIÁK
Témavezető: Dr. KÁDÁR György, Tel.:392-2222-2593, Épület:26, Szoba:124/a, E-mail:kadargy@mfa.kfki.hu,kadar.gyorgy@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)


A mágnesség titokzatos jelensége több mint 3000 éve izgatja a kíváncsi emberek fantáziáját. Plinius római történetíró idézett egy legendát, amely szerint egy Magnesz nevű görög pásztor tapasztalta először, hogy hegyi legelőjén egy kődarab magához ragadja vashegyű botja végét. Azt a mágnes-vasérc (magnetit) darabot bizonyára egy villám erős árama tudta olyan vonzóvá, mágnesessé tenni. Szokratész megemlíti, hogy a mágnes-vasérccel mágnesezni lehet egy vaspálcát. Az ókori Egyiptomban úgy tartották, hogy a mágnes-vasérc a Föld istennő unokájának a csontja és Kolumbusz előtti maya legendák is szólnak a mágneses vasércről. Korábban más jelenségeknél nem volt tapasztalható mágnesekhez hasonló rejtélyes erő, amikor két test látható összeköttetés nélkül vonzhatja és közvetlen érintés nélkül taszíthatja egymást. Ez a kétféle (északi és déli) pólusra sarkított anyagdarabok között ható titokzatos erő aztán sok babonás hiedelemnek és tudományoskodó téveszmének is forrása lett. Érdekességként említhetjük, hogy mágneses elven működő "örökmozgó" szerkezetek ötleteinek hosszú sorát írták le, sőt szabadalmaztatták az elmúlt századokban.
kínai mágneses kanál
1. ábra. Iránytűként használható kínai mágneses kanál.

Arról is tudunk, hogy mintegy kétezer esztendeje a kínaiak használtak egy "Délre mutató" eszközt, egy mágnes-vasércből készült kanalat. Ez a mellékelt képen látható kanál a súlyeloszlása miatt egyetlen ponton érintkezett a vízszintes asztallal, és bármilyen időjárás mellett a delelő Nap irányába tudott fordulni. Ma is úgy tudjuk, hogy az Északi Sarkcsillag irányát a végtelen tengerek bármely pontján borús időben is biztonsággal kijelölő iránytű kínai találmány. Ez tette lehetővé Kolumbusz Kristóf vállalkozását a Föld körülhajózására és így Amerika fölfedezését 1492-ben, az újkor hajnalán...

A mágnesség jelenségének és a mágneses anyagoknak a tudományos igényű megfigyelése és vizsgálata ez után majd csak az újkorban, a 16. században kezdődött el. Sir William Gilbert angol tudós gömb alakú magnetit-golyók vizsgálata során arra a következtetésre jutott, hogy "Magnus magnes ipse est globus terrestis", vagyis "Maga a Föld glóbusza egy hatalmas mágnes". A Föld mágnességének, északi és déli mágneses pólusainak felismerése mellett azt is megállapította, hogy a mágneses anyagok elég magas hőmérsékleten elveszítik a mágnességüket.

A mágneses pólusok (és az elektromos töltések) között ható erők törvényszerűségét a 18. század végén Coulomb állapította meg gondos mérési eredményei alapján. Hans-Christian Oersted dán tudós érdeme az áram mágneses hatásának felismerése 1820-ban és André Marie Ampére még ugyanabban az évben a jelenség kísérleti vizsgálata nyomán leírta a természetes mágnesség eredetére vonatkozó elméletét. Eszerint a mágneses anyagok parányi elektromágnesekből épülnek fel, amelyeket az anyagban folyó köráramok hoznak létre. A ferromágneses (megmaradó állandó mágnesezettségű) anyagokban ezek a kicsiny mágnesek mind ugyanabba az irányba állnak be, így az anyag teljes térfogata mágneses lesz. Ez a kép alapvető lényegét tekintve ma is helytálló.

A 19. század második felében Michael Faraday kísérleti és James Clark Maxwell elméleti munkájával, a Maxwell-egyenletek felfedezésével alakult ki a modern elektromágnesség klasszikus elmélete, amely egységbe foglalja az elektromosság, a mágnesség és a fizikai fénytan jelenségeinek matematikai leírását. A 20. században folytatódott a mágneses anyagok és jelenségek megismerésére irányuló, fontos új eredményeket hozó kísérleti és elméleti alapkutatás (lásd pl. a szupravezetés és a mágnesség kapcsolatát), azonban az utóbbi évtizedekben talán nagyobb jelentőséget tulajdoníthatunk a ferromágneses anyagok műszaki alkalmazása terén elért eredményeknek.

Ferromágneses hiszterézis görbe
2. ábra. Ferromágneses anyag hiszterézisgörbéje.

A megmaradó mágnesezettségű ferromágneses anyagok mérnöki alkalmazásainak szempontjából igen fontos szerepet kapott a mágnesezési görbéknek vagy hiszterézis görbéknek, a mágnesezettség (M) külső mágneses tértől (H) való függésének a tanulmányozása. Egy árammal átjárt tekercsben az áramerősséggel arányos mágneses tér keletkezik, amelynek növelésével a ferromágneses anyagban növekszik a mágnesezettség. Elég nagy térben a mágnesezettség nem növekszik tovább, hanem telítésbe (Ms) megy. Innen visszafelé csökkentve a külső tér nulla értékénél a mágnesezettség még nem csökken nullára, és a megmaradó értékét remanens mágnesezettségnek (Mr) nevezzük. Negatív térérték, a koercitiv erő (Hc) értéke kell ahhoz, hogy a mágnesezettség nullára csökkenjen. A mágnesezési görbe szimmetrikus, negatív tereknél -Ms értéken telítődik, -Mr a remanens érték és -Hc a koercitív erő. A kétféle irányban felvett görbék az M(H) síkon egy területet zárnak be, amely az egy oda-vissza mágnesezési ciklusban elnyelt energiatartalmat jellemzi. Most néhány alkalmazási példán bemutatjuk a hiszterézisgörbe szerepét.

  • Transzformátor vasmagok. Az elektromos hálózati energiát nagy távolságokra a veszteségek csökkentése végett célszerű nagy feszültséggel és kis árammal szállítani, viszont a háztartásokban veszélyes lenne a túl nagy feszültség, ezért magyar mérnökök (Déry-Bláthy-Zipernovszky) által kifejlesztett váltóáramú transzformátorral szokás a feszültséget le- és feltranszformálni. A transzformátorok primér és szekundér tekercse egy vasmagra van tekercselve és másodpercenként 50-szer váltakozik bennük az áram iránya és nagysága. Nyilvánvaló, hogy a vasmag átmágnesezése a hiszterézishurok területével arányos hővé alakult energiaveszteséget okoz (ez az ún. vasveszteség). Célszerű tehát, ha a vasmag a lehető legkisebb hiszterézis területű, ún. lágymágnesből készül.

  • Kemény mágnesek. Az elektromos motorokban általában állandó mágnesek és árammal átjárt tekercsű elektromágnesek vonzó és taszító mechanikai kölcsönhatásának célszerű váltakoztatásával érik el a forgó mozgást. Itt az állandó mágnesnek minél erősebbnek (nagy Mr) és minél stabilabbnak (nagy Hc), tehát minél nagyobb hiszterézis-területűnek kell lennie. Manapság a legnagyobb energiatartalmú állandó mágnesek ritkaföldfém-vas ötvözetek, pl. NdFeB tartalmú anyagok.

  • Digitális memóriák. A számítógépi háttérmemóriák két ellentétes irányban mágnesezett kisterületű tartományokban (mágneses doménekben) tárolják a 0 és 1 bitekből álló információt. Itt a mágneses anyag kiválasztásánal a hiszterézishurkot négyzet alakúra célszerű választani, ami nulla térben a beírt információ határozott megtartását, és a koercitív erő értékénél a mágnesezettség határozott átfordulását biztosítja.

  • Analóg memóriák. A szórakoztatóiparban használt mágneses adathordozó audio és video szalagokon a beírt jelekkel arányos, stabilan megmaradó, jól kiolvasható mágneses állapotokat kell előállítanunk. A hiszterézishurok lineáris felmenő ágán a mágnesezettség a bemenő jellel arányos lesz a szalag beíró feje körüli kis tartományban. A továbbfutó szalagon nulla mágneses térben megmaradó mágnesezettség hordozza a később kiolvasható audio vagy video jelet.

    A nyári iskola ideje alatt az eddig leírt alapvető ismeretek további bővítésével megtudhatjuk, hogy miért is adományozták mágneses szakembereknek a 2007 évi fizikai Nobel-díjat?




  • 51. Országos Középiskolai Fizikatanári Ankét, Békéscsaba, 2008. Június 6.
    (Letöltés PPT-ben, 1,5 MByte)


    DIA_01

    ÁRAMOK A MÁGNESES
    NANORÉTEGEKBEN
    (GMR - Nobel díj 2007)







    Kádár György
    MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi
    Kutatóintézet



    DIA_02


    A mágnesség (magnetosztatika) jellemző fizikai mennyiségei:

    Mágneses gerjesztő tér: H (A/m)
    elektromos áram hozza létre
    egyenes drót körül H=I/(2πR)
    n menetű, l hosszúságú tekercsben H=nI/l

    Mágneses indukció: B (Tesla)
    vákuumban B=μ0H, anyagi közegben B=μ0H+M

    Mágnesezettség: M (Tesla)
    A vonzó anyagtudomány alapvető mennyisége



    DIA_03


    A klasszikus fizika fogalmaival mágnesezettség (mágneses momentumsűrűség) nem létezhet.


    A köráram mágneses momentumot hoz létre, de a körpályán gyorsuló töltés sugároz, energiát veszít, táplálás nélkül időben nem állandó, nem statikus.

    A kvantumelmélet atommodelljeiben az elektronhéj zárt térfogatban marad, mozog, perdülete, impulzusmomentuma van mégsem sugároz.

    Ilyen töltésmozgással már keletkezhet statikus mágnesezettség.



    DIA_04


    Az atomok "alkatrészeinek": minden elektronnak van saját perdülete (SPIN), ezért elemi mágneses momentuma, de akkor az atomoknak is lehet

    Az elektronszerkezettől függ, hogy egy atom (ion) mágneses momentuma nulla - diamágneses atom vagy nem nulla - paramágneses atom



    DIA_05

    A mágneses anyagok típusai
    DIA_05


    DIA_06

    DIA_06


    DIA_07

    Ferromágnesek,

    külső gerjesztő tér nélkül is van mérhető mágneses momentum, (spontán) mágnesezettség (-vektor).

    DIA_07
    Északi és Déli pólusaik olyan mágneses teret hoznak létre, mint amilyen a pozitív és negatív elektromos töltések - DIPÓLUS - elektromos tere




    DIA_08


    Szétválaszthatóak-e a pólusok, amint az elektromos töltések?

    Létezik-e mágneses monopólus?

    A köráram mágneses terének geometriai formája elég távolról nézve pontosan olyan, mint az elektromos dipólus vagy a kicsiny rúdmágnes tere.

    A mágneses momentum mindig impulzusmomentummal rendelkező elektromos töltések - (köráramok?!?) - mozgásával jön létre.

    Köráram, melynek nincs két pólusa?
    Nincs mágneses monopólus! (DIRAC?)




    DIA_09


    A rendezett mágneses szerkezetű anyagok (ferro-, antiferro-, ferrimágnesek) egy bizonyos hőmérséklet (Curie-pont) fölött elvesztik rendezettségüket, paramágnesesek lesznek.

    A rendezetlenítő hőhatás energiáját (kT) összehasonlíthatjuk az egymás melletti atomi dipólusok kölcsönhatási energiájával.
    (jól ismert és kipróbált formulával kiszámítható)

    A dipól-dipól kölcsönhatás kb. 10 000-szer kisebb Curie-pontot adna. Vagyis nem elég a rendeződéshez!



    DIA_10


    A korai molekulaszerkezeti számítások
    (Werner Heisenberg és Teller Ede)
    kimutatták, hogy a H2 molekulában a két elektron Coulomb taszítási energiájához egy korrekciót, az elektronok spinjeinek kölcsönös helyzetétől függő kicserélődési energia tagot kell még hozzávenni,
    ennek alakja: E=-J12S1S2
    J12 kicserélődési integrál függ az anyag atomi szerkezetétől és az atomok távolságától is:
    FM: J12>0, illetve AFM: J12<0
    ennek nagyságrendje már alkalmas az atomi mágneses
    momentumok rendezett sorbaállításához

    (kb. 10 000-szerese a dipól-dipól energiának)



    DIA_11

    Fémekben alternatív magyarázat:

    DIA_11
    Azonban:
    A lokalizált momentumok kicserélődési kölcsönhatása az átmeneti fémek rendezett mágneses (ferromágneses) szerkezeteinek magyarázatára is alkalmas


    P: elektronspin polarizáció




    DIA_12


    Tehát az atomi momentumok
    párhuzamosítását (
    vagy antiparallal beállását az antiferromágneses anyagokban ) a kicserélődési kölcsönhatás intézi, de tapasztalati tény, hogy pl. kristályos ferromágneses anyagokban a momentumok bizonyos kristálytani irányok mentén "szívesebben" párhuzamosodnak:
    vannak ún. könnyű és nehéz irányok, vagyis
    a kristályos mágneses anyag anizotróp



    DIA_13

    DIA_13


    DIA_14

    A kicserélődés és az anizotrópia miatt tehát az anyag mágnesezettsége mindenütt azonos irányú lenne.

    De így az anyagból kiszóródott mágneses tér igen nagy energiát halmozna fel, ezért az anyagban különböző mágnesezettség-irányú tartományok (domének) alakulnak ki, hogy a kiszóródott terek "rövidre" záródhassanak.

    DIA_14_1



    DIA_15

    Hiszterézis

    DIA_15_1



    DIA_16

    DIA_16


    DIA_17

    DIA_17

    Memóriaanyagokban négyszög alakú határozott koercitív erejű, de nem túl nagy remanenciájú hiszterézis



    Audio-video szalagokban nagy remanenciájú, megdőlt fel- és lefutású hiszterézis





    DIA_18

    DIA_18


    DIA_19

    Hogyan is működik a Winchester?

    DIA_19_1



    DIA_20

    Óriás Mágneses Ellenállásváltozás
    Giant Magneto-Resistance - GMR

    Alapjelenség: ha az elektromos áramot szállító elektronok mágneses momentuma azonos irányú az áramot vezető mágneses fém mágnesezettségével, akkor az ellenállás kisebb, mintha ellentétes irányú lenne.

    Mi történik, ha két mágneses rétegen kell az áramnak áthaladni, amelyeket nem-mágneses fémréteg választ el?

    Nanotechnológia! A rétegvastagság nanométer méretű!



    DIA_21

    DIA_21


    DIA_22

    DIA_22


    DIA_23

    DIA_23


    DIA_24

    DIA_24
    Mágneses alagút-átmenet félvezető rétegekből:

  • Ga1-xMnxAs (x=4.0%,50 nm) / AlAs (3 nm)/Ga1-xMnxAs (x=3.3%, 50 nm) réteg-szerkezet normált mágnesezettsége 8K hőmérsékleten, 333 mm hosszú mintában




  • Ga1-xMnxAs (x=4.0%, 50 nm) /AlAs (1.6 nm) / Ga1-xMnxAs (x=3.3%, 50 nm) réteg-szerkezet alagút-átmeneti mágneses ellenállás-változása (TMR) 200 mm átmérőju mintában





  • DIA_25

    Az IBM cég longitudinális MR és GMR szenzor szerkezetei

    DIA_25_1



    DIA_26

    Spinszelep és transzverzális Spin-valve GMR

    DIA_26_1



    DIA_27

    SPINTRONIKA!!! "Improved pinning effect in PtMn/NiFe system..." (Appl. Phys. Letters, 85 (2004) 5281)

    8. E. Krén, G. Kádár, L. Pál, J. Sólyom, P. Szabó, T. Tarnóczi: "Magnetic structures and exchange interactions in the Mn-Pt system"
    Physical Review, 171, 574, (1969)
    8.1. B. Antonini, Phys. Letters, 30A 310 (1969)
    8.2. B. Antonini, Phys. Rev., 187 611 (1969)
    ...
    8.84. Dai B., Appl. Phys. Letters, 85 (22) 5281-5283 (2004)
    8.85. Rickart M., J. Appl. Physics, 97 (10) no. 10K110 (2005)
    8.86. Eriksson T., J. Alloys and Compounds, 403 19 (2005)
    8.87. Umetsu RY, J. Phys. Soc. Jpn, 75 104714 (2006)
    8.88 Lee DC, J. Phys. Chemistry B, 110 20906 (2006)
    8.89. Ho CH, IEEE Trans. Magnetics, MAG-42 3069 (2006)
    8.90. Bonakdarpour A, J. Electrochem. Soc., 153 A1835 (2006)
    8.91. Umetsu RY, Appl. Phys. Letters, 89 052504 (2006)
    8.92. Meyer G, Phys. Rev. B., 73 214438 (2006)
    8.93. Fujii J, Phys. Rev. B, 73 214444 (2006)
    8.94. Tsunoda M, J. Magn. Magn. Materials, 304 55 (2006)
    8.95. Franco N, Mater. Sci. Forum, 514-516: 314 (2006)
    8.96. Umetsu RY, Mater. Transactions, 47 2 (2006)
    8.97. Mougin A, Phys. Rev. B, 73 024401 (2006)




    DIA_28

    DIA_28



    ELÉRHETŐSÉGEK:
    Témavezető: Dr. KÁDÁR György, Tel.:392-2593, Bp. XII. Konkoly-Thege M. út 29-33, Épület:26, Szoba:124/a, E-mail:
    kadargy@mfa.kfki.hu,kadar.gyorgy@ttk.mta.hu, GEarth:(KFKI_26)

    Utolsó frissítés: Thu, 10 May 2012 18:03:46 GMT, Számláló: