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1 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen F … Kraft in der x Richtung V … Volumen der Probe … Suszeptibilität der Probe H … magnetische Feldstärke dH/dx.

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Präsentation zum Thema: "1 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen F … Kraft in der x Richtung V … Volumen der Probe … Suszeptibilität der Probe H … magnetische Feldstärke dH/dx."—  Präsentation transkript:

1 1 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen F … Kraft in der x Richtung V … Volumen der Probe … Suszeptibilität der Probe H … magnetische Feldstärke dH/dx … Gradient der Feldstärke Die (magnetische) Suszeptibilität charakterisiert die magnetischen Eigenschaften der Werkstoffe

2 2 Weitere Parameter … die auf das Material wirkende Kraft … Permeabilität (ähnlich wie dielektrische Konstante: = 1 + P/[ 0 E]) … magnetische Induktion … Magnetisierung … magnetischer Strom (B … magnetische Stromdichte) … Magnetisierung und magnetisches Moment

3 3 Magnetische Eigenschaften von Werkstoffen … und Antiferromagnetisch und Ferrimagnetisch

4 4 Wechselwirkung mit externem magnetischen Feld Werkstoff Wechselwirkung Diamagnetisch – wird ausgestoßen Paramagnetischwerden Ferromagnetisch unterschiedlich Antiferromagnetisch stark Ferrimagnetisch hineingezogen

5 5 Diamagnetismus Änderung des inneren oder des atomaren elektrischen Stroms im externen magnetischen Feld: Änderung der Winkelgeschwindigkeit der stark gebundenen Elektronen Rotation (kreisförmige Bewegung) der freien (metallischen) Elektronen

6 6 Diamagnetismus Das interne magnetische Feld im Werkstoff (Magnetisierung M) wirkt gegen das externe magnetische Feld (H), so dass die magnetische Induktion (B) im Werkstoff klein ist. Ideal diamagnetisch sind Supraleiter im supraleitenden Zustand (Meissner Effekt) … negativ in diamagnetischen Materialien

7 7 Paramagnetismus Ohne ein externes magnetisches Feld (H = 0) gibt es keine Magnetisierung des Werkstoffs (M = 0), weil magnetische Momente einzelner Atome (Elektronen) zufällig orientiert sind. Im externen magnetischen Feld (H > 0) werden magnetische Momente einzelner Atome (Elektronen) in einer Richtung orientiert M > 0. Temperaturschwingungen der Atome wirken gegen die Orientierung der magnetischen Momente die Suszeptibilität ist temperaturabhängig.

8 8 Paramagnetismus H M (a) … Curie Gesetz (b), (c) … Curie-Weiss Gesetz für Paramagnetisches Material (d) … diamagnetisches Material … Curie … Curie-Weiss

9 9 Paramagnetismus Bedeutung der Konstanten C und im Curie und Curie-Weiss Gesetz Magnetismus der atomaren Elektronen (Orbitalelektronen) n … Anzahl der magnetischen Momente (Atome) Theorie des molekularen Feldes

10 10 Spin Paramagnetismus Zusätzlicher Effekt zum Orbitalmagnetismus Elemente mit 3d Elektronen (Besetzung der Elektronenzustände laut Hund): Fe: 3s 2, 3p 6, 3d 6 Spin-magnetisch Co: 3s 2, 3p 6, 3d 7 Spin-magnetisch Ni: 3s 2, 3p 6, 3d 8 Spin-magnetisch Cu: 3s 2, 3p 6, 3d 10 Spin-nichtmagnetisch Zn: 3s 2, 3p 6, 3d 10 Spin-nichtmagnetisch

11 11 Elemente mit 3d Elektronen

12 12 Ferromagnetismus Die wichtigsten Merkmale der ferromagnetischen Werkstoffe Anordnung der magnetischen Momente unterhalb von T c Sättigung der Magnetisierung Übergang ferromagnetisch paramagnetisch bei T c Temperaturabhängigkeit von M s

13 13 Magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele 770°C 1131°C 358°C 15,8°C

14 14 Einfluss der Eigenspannung (Realstruktur) Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen Nickel (fcc)Eisen (bcc)

15 15 Einfluss der Orientierung der Kristallite (Realstruktur) Auf magnetische Eigenschaften von ferromagnetischen Werkstoffen Kristallanisotropie der magnetischen Eigenschaften (der Magnetisierung) Gemessen wird der Mittelwert der physikalischen Eigenschaft Beispiel: Eisen, Einkristall

16 16 Permanente Magnete Breite Hysteresekurve

17 17 Werkstoffe für permanente Magnete

18 18 Magnetoelastische Effekte Magnetostriktion Änderung der Länge (der Gitterparameter) des magnetischen Kristalls im magnetischen Feld Spontane Magnetostriktion Änderung der Länge (der Gitterparameter) des magnetischen Kristalls im eigenen magnetischen Feld Beobachtet in manchen Materialien unter T c – bei der Anordnung der magnetischen Momente

19 19 Spontane Magnetostriktion ErCo 2 RT: Fd-3m LT: R-3m = 90° 90°

20 20 Spontane Magnetostriktion Spaltung von kristallographisch (nicht) äquivalenten Linien im Röntgenbeugungsexperiment

21 21 Magnetostriktion Koeffizienten der Magnetostriktion in Er(Co,Ge) 2 und Er(Co,Si) 2

22 22 Er(Co 1-x Si x ) 2 Anstieg des Gitterparameters (des Volumens der Elementarzelle) bei tiefen Temperaturen Anordnung der magnetischen Momente magnetische Wechselwirkung zwischen einzelnen Atomen Änderungen in der Kristallstruktur

23 23 Antiferromagnetismus Anordnung der magnetischen Momente unterhalb von T c (T N … Néel Temperatur) Beispiele: MnO, UN (fcc, Fm3m, NaCl Struktur), MnF 2 Antiparallele Anordnung der magnetischen Momente Negative kritische Temperatur: Suszeptibilität im paramagnetischen Bereich

24 24 Experimentelle Methode zur Untersuchung der Orientierung der magnetischen Momente Neutronenbeugung Wechselwirkung Neutronen – Atome (Neutronen und Protonen) Information über die Kristallstruktur (ähnlich wie bei der Röntgenbeugung, nur die Auflösung ist schlechter) Wechselwirkung Neutronen (magnetische Momente der Neutronen) – magnetische Momente der untersuchten Atome Information über die magnetische Struktur

25 25 Magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen – Beispiele UN T N = 53K - = 247 K

26 26 Einfluss der Realstruktur Auf magnetische Eigenschaften von antiferromagnetischen Werkstoffen Dünne Schichten von UN Unterschiedliche Beschichtungstemperatur unterschiedliche Eigenspannung, Kristallitgröße, Dichte der Strukturdefekte Entwicklung einer scheinbaren ferromagnetischen Komponente bei tiefen Temperaturen unausgewogene magnetische Momente

27 27 Ferrimagnetismus Spontane Anordnung der magnetischen Momente und Hysterese unterhalb der Curie-Temperatur wie in ferromagnetischen Werkstoffen Ferrimagnetikum ist ein keramischer Werkstoff (Ferrite – FeO.Fe 2 O 3, NiO.Fe 2 O 3, CuO.Fe 2 O 3, …) mit Spinell-Struktur

28 28 Suszeptibilität und Magnetisierung ferrimagnetischer Werkstoffe NiO.Fe 2 O 3

29 29 GMR Effekt Riesiger Magnetowiderstand in Multilagenschichten dia ferro dia ferro H = 0 dia ferro dia ferro H > 0 Diamagnetische Werkstoffe: Cu, Ag, Au Ferromagnetische Werkstoffe: Fe, Co, Ni I I

30 30 Physikalisches Prinzip von GMR Unterschiedlich starke Streuung der Elektronen mit unterschiedlichem Spin Antiferromagnetische Kopplung zweier ferromagnetischer Schichten über eine diamagnetische Schicht

31 31 Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld Definition von GMR:

32 32 Änderung des elektrischen Widerstandes im äußeren magnetischen Feld System: Co/Cu

33 33 Wichtige Parameter magnetischer Multilagenschichten Wahl der Werkstoffe (diamagnetisch, ferromagetisch) Dicke der einzelnen Schichten Grenzflächenqualität (Grenzflächenrauhigkeit) und Grenzflächenmorphologie Untersuchungsmethoden Widerstandsmessung im variablen magnetischen Feld XRD, Neutronenbeugung TEM Anwendungen Sensoren fürs magnetische Feld (Leseköpfe für Festplatten) Magnetische Ventile (Spin- Ventile)

34 34 Einfluss der Dicke des Spacers Co Cu. Co Cu 50x Auf die magnetischen Eigenschaften der Multilagenschichten

35 35 Lesekopf in der Festplatte Vorteile: Sehr kleine Dimensionen [(Co 11Å/ Cu 22 Å) x 50] = = 1650 Å = 165 nm = m

36 36 Dichte der gespeicherten Information


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