Mysteries magnetit
Figyelembe vett anomáliák Fe3O4 magnetit, a mágneses tulajdonságokat alacsony hőmérsékletű átmenetet (Tt = 100-120 K). Ezek megértése anomáliák vált lehetővé bevezetése után az elképzelést, hogy az ugráló elektronok magnetit alacsony hőmérsékleten (T
1. csodás STONE
Magnetit - ásványi mágneses vas - kevert oxid vas és Fe3O4 egyik összetevője vasérc. A komponenseket a vasérc is hematit (a-Fe2O3), maghemit (g-Fe2O3), pyrrhotite (FeS1,1) és más vegyületek, a vas, amelyek eltérően magnetit gyengébb mágneses tulajdonságokkal.
Iron Age - az időszak az emberi fejlődés, amely eljött a terjedését vasgyártás és ötvözetei, időtartama több mint háromezer éve. A vas adott erőteljes ösztönzést kialakulásához az emberi civilizáció. Nem meglepő tehát, hogy az emberek meg akarták tudni, hogy a szerkezet és fizikai tulajdonságait a kiindulási anyagok az acélipar - vasérc alkatrészeket. Különösen érdekes keltett erős mágneses terek magnetit. Ez a tulajdonság a magnetit emberek tudták már az ókorban.
A VI században a kínaiak ismert jelensége vonzereje vas darab magnetit. A kínai irodalmi alkotások I-III században a mágneses mutatót a déli (a progenitor a tájoló) nevezzük egy jól ismert eszköz.
A mágneses magnetit ásványi ismert volt az ókori Görögországban és Rómában. Az egyik a munkálatok a Platón, a görög filozófus, írt több mint kétezer évvel ezelőtt, azt mondja a csodálatos mágneses kő, amely nem csak önmagában vonzza a vas tárgyak, hanem átadja az erejét (vagyis felmágnesezi) az elemeket úgy, hogy azok képesek megtenni ugyanaz. Mindez az ókorban tartották titokzatos, csodálatos jelenségek. Magnetit sújtott emberek, ezért évszázadokon magnetit használták trükkök, kuruzslás (lzhelecheniya mágnes), ő volt az a téma a legfantasztikusabb spekuláció és történetek a csodálatos kő. Mindazonáltal, függetlenül a használata is eszközök, például iránytű nagy szerepet játszott a felfedezés új földeket és országok között. Tehát magnetit ezen a területen az emberi tevékenység hozzájárult a civilizáció fejlődését.
A mi korunkban, mágneses magnetit keresitek az geológusok és geofizikusok különösen foglalkozó paleomagnetism (a „régi” mágnesesség). Paleomagnetism - az ingatlan kőzetek, és elsősorban a magnetit, kivéve szerzett korábbi korszakokban maradék mágnesezettség okozta hatására a Föld mágneses terét. Paleomagnetism Lehetséges, hogy tanulmányozza az evolúció a geomágneses mező és a folyamatok a földkéreg, hogy történt az ősi időkben.
2. magnetit nem ferromágneses,
Az elején a modern megértéséhez a mágneses anyag tulajdonságait, beleértve a magnetit, rakták csak a XX században a fejlesztési elképzelések a természet ferromágnesség és antiferromagnetism. Az egyik első volt ezen a területen a francia fizikus Pierre Weiss, aki megalkotta az első elmélet ferromágnesség. Weiss gondolta magnetit ferromágneses. Ugyanakkor egy másik fizikus - Louis Neel (később Nobel-díjas munkája a mágnesesség) 1948 [1] megállapította, hogy a magnetit nem ferromágneses, és nem kompenzált antiferromagnet, azaz ferromagnet - a kifejezés első alkotta Neel (a szó „ferrit”). Ahhoz, hogy megértsük, mi az, szükségünk van néhány információ a kristály kémiai magnetit és az elmélet a mágnesesség.
Magnetit családjába tartozik ferrit amelynek spinellszekezetü az ásványi. A köbös spinell kristályrácsba ami képződik nagy méretű oxigén anionok O2 -, intersticiális (pozíciók) helyezkedik már a kisebb kation Fe3 + és a Fe2 +. Azonban, ezek lehetnek körül négy anionok O2 - (tetraéderes vagy A-helyzetben), és hat anionok O2 - (oktaéderes vagy B-helyzetben). Tanulmányok már régóta kimutatták, hogy a magnetit kristályszerkezet egy úgynevezett in-vert spinell:
(Fe3 +) [Fe2 + Fe3 +] O4.
E szerint a struktúra, egy B-helyzetben (szögletes zárójelben) kell keverjük kétszer több, vas kationokkal, mint az A-helyzetben (kerek zárójelben), így, ez nagyon lényeges a B pozíciók fele vas kationokkal vegyértékű 2+ [Fe2 +] és a másik fele - a vegyértéke 3+ [Fe3 +]. Az A pozíciók mindössze kationok (Fe3 +).
Most viszont, hogy az elmélet a mágnesesség. Mágnesesség anyag elektronokkal. Minden elektron tömegét és töltését kívül van belső perdület - centrifugálás (az angol spin -. Forgás), és ennek következtében - a spin mágneses momentummal ms. A mennyiség ms elektron fogadó egység a mágneses momentumát atomok és kationok. Ezt nevezik a Bohr magneton, és jelöljük mV.
Mágneses centrifuga pillanat Ms kation Fe3 + (3d 5) 5 MB. és a kation Fe2 + (3d 6) - 4 MB (számának megfelelően a kompenzálatlan elektronok a 3D-elektron héj, amelyek ezen kationok). Ms centrifugálás pillanatok a vas kationokkal vannak elrendezve hatása alatt egy bizonyos típusú elektronok közti kölcsönhatást a szomszédos 3d-héj kationok nevezzük a csere. Ez a kvantum elektrosztatikus kölcsönhatást, amelynek mechanizmusa fontos szerepet játszanak elektron spin irányba S.
Három fő típusa a mágneses rendelés: ferromágneses, antiferromágneses és ferrimágneses. Ennek eredményeként ez a rendezés az anyag spontán végbemegy (spontán) mágnesezettség (spontán, abban az értelemben, hogy előfordul a hiányában egy külső mágneses mező H). Van - a nettó mágneses momentum egységnyi térfogatú mágnes (száma asszony egyirányú mágneses pörgetést 1 cm3). Néha a használati érték ss - specifikus spontán mágnesezettség (Ms egyirányú szám 1 g anyagot).
Antiferromágneses és ferromágneseket ferrimagnets különbözik attól, amit az említett kicserélődési kölcsönhatás vezet periodikus irányváltást a kristályban centrifugálás pillanatok Ms kationok a szemközti (ábra. 1).
A tanulmány az ilyen típusú anyagok mágneses rendelési beadott ábrázolása mágneses sublattices. Ábra. 1 kationok, betű utal, m, amelyek forog felfelé irányú formában egy sublattice spontán mágnesezettség (ss) m. amint azt az N betű (azaz ellenkező centrifugálás irány) - egy másik sublattice mágnesezettség (ss) n. Ábra. 1, hogy az antiferromágneses kapott mágnesezettség ss = (ss) m - (ss) n értéke nulla, míg a ferromágneses anyagok ez egy véges érték. Az utóbbi abból a tényből fakad, hogy a mágneses momentum a kationok sublattices eltérő nagyságúak. Továbbá, a mágneses kationok sublattices eltérő lehet. Pontosan ez a helyzet a magnetit.
A nagyobb számú mágneses magnetit kationok B pozíciójában, és azok képezik a sublattice mágnesezettség (ss) In. és egy minimális számú ilyen kationok pozíciókban található A, alkotnak sublattice mágnesezettség (ss) A. A kapott (ferrimágneses) mágnesezettség magnetit
ss = (ss) In - (SS) A = 9MB - 5Mb = 4Mb.
Destruction rendelési ferrimágneses magnetit termikus mozgás jön létre a Curie-hőmérsékletű Tc = 850 K. Ezen a hőmérsékleten, azt végzik fázisátmenet típusú mágneses érdekében-rendellenesség.
A további megfontolás magnetit tulajdonságainak Fontos megjegyezni, hogy ez ellentétben más spinell ferritek van egy magas koncentrációjú úgynevezett ugráló elektronok. Ezek párok között jöhet létre a kationok Fe3 + és a Fe2 +, található a oktaéderes oldalakon.
Hopping elektron - egyik 3d-elektron kation Fe2 + alacsony energia termikus gerjesztési - levált az utóbbi, és mozog, hogy a kation Fe3 +, átalakítva azt Fe2 +. Az elektron ezután elválasztjuk a kation Fe2 + és mozog az ellenkező irányban, stb.:
Fe2 + (3d 6) Fe3 + (3d 5).
hopping elektronok átmennek a mintán, ami a félvezető tulajdonságait alkalmazva a minta elektromos potenciálkülönbség magnetit. Az utóbbi, azonban anomális ezekben az anyagokban, ami az alacsony mobilitás a hopping elektronok.
A magnetit (összehasonlítva más spinell ferritek), a koncentráció a hopping elektronok nagy (számuk száma megegyezik az Fe2 + kationok pozíciók B), így jelentős mértékben hozzájárulnak a kialakulásához mágneses tulajdonságai alacsony hőmérsékleten (lásd. A következő szakaszban).
3. PUZZLE alacsony hőmérsékletű átmenetet (Tt = 100-120 K)
Annak ellenére, hogy a hatalmas számú tanulmány a mágneses magnetit, akár az utóbbi időben voltak érthetetlen, sőt titokzatos. Az utóbbiak közé tartozik továbbá az úgynevezett alacsony hőmérsékletű transzformációs fordul elő, hogy a hőmérséklet Tt = 100-120 K. Ez a konverzió fedezték fel több mint 75 évvel ezelőtt. Holland tudós Verweij [2] feltételezték, hogy ez az átalakulás szerkezete (pontosabban, az elektronikus-strukturális) jellege, nevezetesen a kationok Fe3 + és a Fe2 +, vannak oktaéderes pozíciójába (B pozíció) hőmérsékleten T <Тt испытывают послойное упорядочение. При этом данное упорядочение происходит не перемещением катионов, а путем перескоков электронов. В области температур Т> Tt elektronikusan szerkezeti racionalizálása által elpusztított termikus gerjesztések. Verwey hipotézis nagy érdeklődést váltott ki, és szült egy patak kísérleti és elméleti kutatások. Azonban a fejlődés ezen vizsgálatokban nem volt kritika a Verwey modell szerint. Ezen túlmenően, a tapasztalati tények kaptunk, ami nem fér bele ez a modell. Ezek a következők.
1. [3, 4] kimutatták, hogy a görbe ss (T) megközelíti a magnetit hőmérséklet Tt a nagy hőmérséklet csökkenése spontán mágnesezettség megjelenik (ábra. 2). Ez azt jelzi, hogy ebben a hőmérséklet-tartományban következik be razouporyadochenie mágneses magnetit. Amint az a 2. szakaszban, a mágneses razouporyadochenie ferromágneses és ferrimágneses anyagok, azaz, a fázisátalakulás a rend-betegség akkor fordul elő, amikor közeledik a Curie pontot TC. De az átmenet mágneses sorrendben-rendellenesség Tt nem olyan, mint az átmenetet a TC.
Tulajdonságok átmeneti mágneses rend-rendellenesség Tt azonosítottak a vizsgálat magnetit paraprocess és az ezzel járó hatások a régióban az átmenet. Mi paraprocess? Ez sorrendjét a mágneses momentum a kationok (zavart hőmozgás) növekvő külső mágneses tér a DH. Ez akkor fordul elő, amikor a mágnesezettség a mágnesezettség DSS paraprocess. Az arány a DSS / DH = cp nevezzük paraprocess érzékenységet. Paraprocess eléri maximális intenzitású (maximális érzékenységet cp) a régióban a mágneses fázisátalakulások a rend-betegség, azaz, amikor a TC és TT átmenetek. Ezek magasságra cp kísérő magasságra változtatni hatások, mint például magnetosztrikció, mágneses, stb szorítkozunk ebben a cikkben a funkciók egy ilyen jelenség, nevezetesen a magnetokalorikus hatás -. A magnetit hőmérséklet-változás DT adiabatikus mágnesezés az utóbbi (vagyis a gyors felvétele terén DH) . Szerint ismert termodinamikai képletű, ez a változás
ahol Cp, H - hőkapacitása a minta, a származék
jellemzi a lejtőn a érintő a görbe ss (T). A legnagyobb emelkedő az érintési pontok a görbe bekövetkezik ss (T), amely megfelel a legtöbb gyors változása a mágneses sorrendben, azaz a mágneses fázisátalakulások sorrendben-rendellenesség.
A TC-származék DSS / dT (T növekedés során) negatív, és ezért, aláírja DT, képlet szerint (1) pozitív, amint az megfigyelhető kísérletileg. A régióban az átmenet Tt az említett származék egy pozitív jel (T növekedés során), ábrán látható módon. 2 és a DT maximális hatás, képlet szerint (1), negatívnak kell lennie.
Csak egy ilyen maximális DT-hatást (3.) Volt egy időben talált magnetit Tt Ural kutatók VP Kraszovszkij, IG Fakidovym [5], és több mint 30 éve rejtély maradt számára a magnetit és nem magyarázható a segítségével Verwey hipotézisét.
A vázlatos ábra. 5, és a piros görbe mutatja a hőmérsékletfüggését sublattice mágnesezettség. Kivonása az ordináta a görbe (hivatkozási jellel jelöltük 1) a görbe ss (T), a magnetit (lásd. A 2-es görbe látható. 5, a) megkapjuk kísérletileg megfigyelt görbe ss (T) magnetit recesszió ss mágnesezettség. Ábra. 5b ábra vázlatosan mutatja maximumokat magnetokalorikus hatást hőmérsékleten Tt és a magnetit TS. Így, a hőmérséklet Tt nem más, mint a hőmérséklete rendezetlenné magnetoelectron sublattice.
Ennek alátámasztására magyarázata előfordulása átmenet Tt jelzi a következő tény. Ábra. 4b három sublattice magnetit struktúra látható léptéket mennyiségben spin mágneses momentuma a sublattice. Nagysága a pillanatban a sublattice <е> jelentése
20% -a a kapott centrifugálási pillanatban sublattices B és A, ami megegyezik a nagysága a pangást a spontán mágnesezettség közelében Tt magnetit ábrán. 2.
Ebből az következik, hogy az átalakulás Tt magnetit nem strukturális és elektronikus átmenete Verviers, egy speciális típusú mágneses átmenet a sorrendben-rendellenesség, amely magnetoelectron sublattice <е> hőmérsékleten Tt.
4. EGYÉB nem teljesen nyilvánosságra jelenségek magnetit
Először meg kell, hogy tartalmazza az értékeket a anomáliák a mágneses anizotrópia állandó K1 és a magnetostrikció ls. A fontossága a tanulmány ezek az állandók az, hogy meghatározzák a során a mágnesezettség görbe és hiszterézis tulajdonságok magnetit. Rendellenességek értékek K1 és LS magnetit származó összehasonlítjuk azokat megfelelő állandók kobalt CoFe2O4 ferrit. Ha CoFe2O4 közel szobahőmérsékleten K1 és ls elérheti a nagyon magas értéket, akkor a magnetit, nagyon kicsi a fenti hőmérséklet-tartományban. Eközben az elméleti megfontolások alapján, az úgynevezett modell-ion anizotrópia és magnetosztrikció paraméterek K1 és ls legyen hasonló nagyságrendű mindkét anyag esetében.
Ezekben az anyagokban döntő szerepet játszanak a kationok Fe2 + (3d 6) és Co2 + (3d 7). Megjegyezzük, hogy a kation Fe3 + (3d 5) után elhanyagolható mértékben járulnak hozzá az értéket a K1 és ls. mivel azt félig tele 3d-héjelektronokkal és ezért nincs orbitális impulzusmomentum. Ez csak a spin mágneses momentuma, és annak elektron felhő van szferikussága (izotróp) konfiguráció. A kationcsapdaként orbitális pillanat ML, hogy a cloud válik aszfericitással (anizotrop), hogy csak ki kell helyezni a kationok Fe2 + és Co2 +. Elektromos kölcsönhatása az elektron felhő anizotrop kristályos (elektrosztatikus) mező ferrit kristály (keletkező elsősorban az oxigén anionok O 2 -), és okoz a megjelenése jelentős mennyiségben K1 és ls. de sokkal kisebb, mint, például a ritkaföldfém-vas-gránát és az intermetallikus vegyületeket. Az a tény, hogy a kationok Fe2 + és Co2 + 3D-elektron héj a periférián a mag elektronok, és ezért befolyásolják a kristály mező olyan erős, hogy erősíti orbitális impulzusmomentumok (a jelenség a „befagyasztása” orbitális impulzusmomentum). Azonban ez a „befagyasztása” hiányos. A kationok Fe2 + és Co2 + nem fagyott orbitális impulzusmomentum a DM. Az elmélet szerint, a magnetit és CoFe2O4 a Fe2 + és Co2 + fagyott része a DML közel azonos, és meg kell határoznia megközelítőleg azonos paraméterekkel K1 és ls ezekben az anyagokban. Azonban ez nem történik meg.
Mi akadályozza megvalósítása nagy mennyiségben K1 és ls magnetit? A [3] javasolták, hogy a hőmérséklet-tartomány T> Tt. ahol hopping elektronok magnitorazuporyadochennom állapotban (azaz a rájuk minimális lokalizálása a csere mezőt a vas kationokkal), mozognak gyorsan közötti kationok Fe2 + és Fe3 +. Ez vezet a közbenső vegyértékű vasat kationokat csökkentett orbitális szögmomentummal DML. amely a valószínű oka, hogy a paraméterek a K1 és ls magnetit a vizsgált hőmérséklet-tartomány kicsi összehasonlítva azokkal megvalósított CoFe2O4 (ebben a ferrit hopping elektronok nem). Azonban, amikor közeledik az átmenet Tt lefékeződik hopping elektronok miatt a határoló hatásának negatív csere mező által létrehozott kombinált sublattice vas, és ebben a hőmérséklet-régió (különösen erősen, amikor közeledik Tt) kationok Fe2 + mutatnak erősebb annak orbitális tulajdonságait, ezáltal növelve lehetőségek K1 és ls. Más szóval, úgy tűnik, teljes erővel terén Tt mechanizmus a single-ion anizotrópia.
Megértése hatásainak magnetit, látszólag a közelmúltban világos és még kriptikus (jellegétől alacsony hőmérsékletű transzformációs Tt. Rendellenességek a mágneses anizotrópia és a magnetostrikciós) vált lehetővé bevezetése után az elképzelést, hogy magnetit hopping elektronok hozzájárulnak a kialakulásához mágneses tulajdonságai (modell <магнитоэлектронной> sublattice). Hopping elektronok okozhat magnetit vezetőképesség és hozzájárulnak a kialakulásához mágneses tulajdonságai (együtt a kationok Fe2 + és Fe3 +). Ez összhangban van az általános modern elméleti elképzeléseket a természet a ferromágneses tulajdonságú vas és más 3d-mágnesek, nevezetesen, hogy a 3d-elektronok az atomok a fémek részt vesz a villamos vezetőképesség és mágneses rendelés.