פרומגנטיות
המגנטיות היא הפעלת כח בין שני גופים המשרים שדה מגנטי. לכל חומר ישנה תגובה אחרת לשדה מגנטי חיצוני כאשר סוג ומבנה החומר הם הגורמים העיקריים לתכונות המגנטיות של חומרים בטמפרטורה נתונה. פרומגנטיות היא תכונה של חומר שבו קיימת מגנטיזציה (שדה מגנטי פנימי) גם בהעדר שדה מגנטי חיצוני. בגלל תכונותיהם המיקרוסקופיות, חומרים מגנטים כיום, משמשים כאבני הבניין לזיכרון מחשב.
בניסוי זה נחקור התנהגות פרומגנטית, ונקבל את תלות המגנטיזציה בשדה מגנטי חיצוני - תופעת ההיסטרזיס (hysteresis).
רקע תיאורטי
המגנטיות בחומר נובעת מהמומנט המגנטי של האלקטרונים שבו. אחד מהגילויים של הפיזיקה המודרנית היא ההבנה שבנוסף למסה ומטען, לאלקטרון ישנו ספין שנובע מהתנע הזוויתי שלו. לספין ערכים בדידים, וביחס לשדה מגנטי, הוא יכול מכוון למעלה-up או למטה-down. המגנטיזציה מוגדרת להיות סך השדה המגנטי מכל האלקטרונים בחומר. באטומים עם קליפות מלאות באלקטרונים, המגנטיזציה תתאפס כיוון שסך הספינים של האלקטרונים מבטלים אחד את השני. באטומים בהם הקליפות החיצוניות לא מלאות לגמרי, תהיה מגנטיזציה. הספינים מעדיפים אנרגטית להסתדר בכיוון שדה מגנטי חיצוני שיופעל עליהם, בחומרים פאראמגנטים קיימת מגנטיזציה בחומר בנוכחות שדה מגנטי, כאשר המגנטיזציה קטנה ומתאפסת עם השדה החיצוני. חומרים פרומגנטים יעדיפו סידור מגנטי גם בהעדר שדה מגנטי חיצוני. תופעה זו קשורה לסוג הפרומגנטיות בחומר. ישנם חומרים הנקראים Localised Ferromagnets, בהם המומנט המגנטי נובע מהאלקטרונים הממוקמים בכל אטום, לאלקטרונים אלו אין כולת לנוע בכל הגביש ולכל אטום ישנו מומנט מגנטי משלו. זהו ההסבר העומד בבסיסו של מודל Heisenberg , והוא מתאים לחומרים מסוימים דוגמת MnO ו Gd.
אופציה שנייה היא שהאלקטרונים שהספין שלהם אחראי למומנט המגנטי בחומר הם אלקטרוני ההולכה אשר יכולים לנוע בכל הגביש ומכאן שמם - Itinerant Ferromagnets. השיקול האנרגטי במערכות אלו מתואר על ידי קריטריון Stoner. בפשטות ניתן להסביר שמערכת מצד אחד תהיה העדפה לסידור האלקטרונים באותו כיוון ספין, כך http://en.wikipedia.org/wiki/Exchange_interaction אנרגיית ה-exchange] יורדת כיוון שבמקרה זה האלקטרונים יהיו רחוקים יותר זה מזה (יחסית למקרה בו הם עם ספינים בכיוונים הפוכים ופונקציית גל מרחבית סימטרית) ולכן הדחייה האלקטרוסטטית ביניהם קטנה יותר. מצד שני, לפי עקרון האיסור של פאולי, שני אלקטרונים בעלי אותו ספין לא יכולים להמצא באותה רמת אנרגייה, כך שיש צורך למלא רמות אנרגיה גבוהות יותר. במערכות אלו, תהיה העדפה למצב מגנטי מסודר כאשר העלות האנרגטית למלא ברמות האנרגיה מצבים עם ספינים מקבילים תהיה קטנה מהרווח באנרגית ה-exchange. דוגמא למתכות מסוג זה הן (Fe) והברזל (Co) הקובלט ,(Ni) הניקל.
התכונות הפרומגנטיות של החומר משתנות כתלות בטמפרטורה. בטפפרטורה נמוכה הספינים ייטו לסידור פנימי, אולם עם עליית הטמפרטורה החומר המגנטיזציה הפנימית שלו תקטן עד לטמפרטורה קריטית שמעליה החומר מאבד את תכונותיו הפרומגנטיות. טמפרטורה זו נקראת "טמפרטורת קירי" (curie temperature) על שמו של החוקר פייר קירי (Pierre Curie), שגילה אותה.
חומר פרומגנטי יעדיף להתפצל לאיזורים מגנטים (smagnetic domain) השונים בכיוון המגנטיזציה שלהם, על מנת להוריד את האנרגיה המגנטוסטטית שלהם. בתחילה, בגלל כיווני המגנטיזציה השונים של איזורים המגנטים, המגנטיזציה של פרומגנטים ללא שדה מגנטי חיצוני היא אפס. כאשר מפעילים שדה חיצוני, האיזורים מסתדרים עם כיוון השדה, כך שבשדה מספיק חזק האיזורים מתאחדים לאיזור אחיד בכיוון השדה, ראו איור 1.
לולאת חשל (hysteresis)
כאשר מפעילים על דגם פרומגנטי שדה מגנטי חיצוני, הספינים מסתדרים בכיוון השדה החיצוני, כך שהמגנטיזציה בחומר תעלה עד למצב רוויה. במצב זה, כל הספינים מסודרים בכיוון השדה והגדלת השדה המגנטי החיצוני לא תשנה יותר את השדה מגנטי הפנימי בחומר. לולאת חשל מודדת את תלות השדה המגנטי הפנימי בחומר בשדה החיצוני המופעל, איור 2 מציג לולאת חשל אופיינית לחומר פרומגנט.
בנקודה A השדה הפנימי שווה ל-0 בגלל סידור ה-domains, כאשר מעלים את השדה החיצוני, [math]\displaystyle{ B_0 }[/math] , השדה הפנימי, [math]\displaystyle{ B }[/math], גדל, בשל הסתדרות הספינים, עד למצב רוויה, [math]\displaystyle{ B_s }[/math], (נקודה B) בו כל הספינים מכוונים עם השדה. מכאן והילך השדה הפנימי גדל לינארית עם השדה החיצוני. כאשר מקטינים את השדה החיצוני המגנטיזציה המושרה בחומר אינה חוזרת להיות כמו בתהליך הראשוני, וגם כאשר השדה חיצוני מתאפס, קיים בחומר הפרומגנטי שדה מגנטי הנקרא שדה מגנטי שיורי [math]\displaystyle{ B_r }[/math] (נקודה C), וזוהי המגנטיזציה הספונטאנית בחומר. כדי לאפס את המגנטיזציה הספונטאנית, יש להפעיל שדה מגנטי חיצוני [math]\displaystyle{ Bc }[/math] (נקודה D) בכיוון הפוך לשדה ההתחלתי, שדה זה נקרא שדה הקוהרסיביות (Coercive field). תופעה זו נקראת היסטרזיס (חשל), כלומר המגנטיזציה תלויה בעבר המגנטי של הדגם.
פרמאביליות - [math]\displaystyle{ \mu_r }[/math]
הפרמביליות של הריק היא היחס בין השדה מגנטי החיצוני, [math]\displaystyle{ B }[/math] לשדה מגנטי המושרה בריק, [math]\displaystyle{ H }[/math]. גודל זה הוא גודל קבוע השווה ל-: [math]\displaystyle{ \mu_0 = 4\pi\times 10^{-7}\frac{H}{m}\approx 1.2566\times 10^{-6}\frac{H}{m} }[/math].
פרמאביליות של חומר היא יחסית לזו שבריק ומוגדרת להיות :
[math]\displaystyle{ \mu_{r} = \frac{\mu}{\mu_{0}} }[/math]
כאשר [math]\displaystyle{ \mu \!\ }[/math] היא הפרמאביליות של החומר, בריק על פי ההגדרה מתקיים [math]\displaystyle{ \mu_r=1 \!\ }[/math].
הפרמביליות מהווה מדד לתגובה המגנטית של החומר לשדה מגנטי חיצוני, ובדומה לסוספטביליות חשמלית גם כאן מוגדרת סוספטביליות מגנטית, [math]\displaystyle{ \chi_m \!\ }[/math], המתיחסת לפרמביליות כמו: [math]\displaystyle{ \mu = \mu_r \mu_0 = (1+\chi_m)\mu_0 \!\ }[/math].
לכן מתקיים: [math]\displaystyle{ \vec{B}=\mu\vec{H}=\mu_0(1 +\chi_m)\vec{H}=\mu_0(\vec{H}+\vec{M}) }[/math],
כאשר [math]\displaystyle{ \vec{M}=\chi_m\vec{H} }[/math]
היא המגנטיות של החומר.