Maddelerin manyetik sistemleri ve manyetik dipol momentleri arasında çok keskin bir ilişki bulunur. Maddedeki mıknatıslanmışlık manyetik moment atomik iç akımlardan kaynaklanır. Bu akım elektronların eksenlerinde ve çekirdek etrafında; protonların ise sadece kendi ekseninde dönmesinden dolayı oluşur. Manyetik moment ( ) atomik teoriye göre üç kaynaktan meydana gelir;
1- Elektronlar eksenleri çevresinde dönmesiyle oluşan spin açısal momentumu [S] 2- Atomun dış katmanında bulunmakta olan elektronların, çekirdeğin etrafında
dönmesiyle meydana gelen açısal momentum [L]
20
Bir elektronun, manyetik momente olan yörüngesel katkısı o katmanın açısal momentumuyla doğru orantılıdır. Belirtilen bu oran e/2me şeklinde olup elektronun kütlesine ve yüküne bağlıdır. Elektronun yükü negatif olduğundan dolayı L ve μ iki vektör birbirleri ile ters yönlüdür. Bir maddenin manyetik özellikleri, mevcut katıdaki manyetik dipol momentinin sıcaklığa ve dış alanla olan ilişkisindeki etkileşimlere ve bu etkileşimden kaynaklı uzaysal yönelimlerine bağlıdır. Tüm bu özellikler manyetik dipol momentlerinin genel davranışlarının maddeye dışardan uygulanan manyetik alanın ve sıcaklığın bir fonksiyonel türevi olduğunu belirtir.
Manyetik momentlerin hareketleri bir faz aralığı ile senkronize edilecek olursa, bu madde ne tür faz aralığında ise belirtilen o fazın en alttaki enerji basamağında olduğu anlaşılmalıdır. Ayrıca manyetik olan maddeler belirli faz değerinde olup manyetizasyon, elektriksel iletim, duygunluk oranı, ses iletilmesi gibi bir takım fiziksel değişimler o maddenin başka bir faz değerine geçtiğinin göstergesidir. Manyetik maddelerdeki faz değişmeleri ya da geçişleri belirli bir Tc değerine sahip olan kritik geçiş sıcaklığında karakterizasyonlaşır. Bu faz değerlerini sınıflandıracak olursak bu işlem χ duygunluk oranı dikkate alınarak yapılmalıdır.
Ortamdan ortama göre değişen manyetik duygunluk maddesel ortamın bir ölçüsüdür. Manyetik moment oluşturan atomlar manyetik alan ile aynı yönde ya da bu manyetik alana zıt yönlüdür. Bundan dolayı ya çekilir ya da itilirler. Bir maddenin duygunluğu manyometre adı verilen cihaz aracılığı ile ölçülerek manyetik maddenin hangi sınıfta olduğunu saptanabilir. Bu ölçümün sonucunda bulunan duygunluk işareti ve duygunluktaki büyüklük o maddenin hangi türden özellik gösterdiğini belirler. Mıknatıslanma vektörü yardımıyla maddedeki manyetik durum anlatılabilir. Birim hacimde bulunan net manyetik momente mıknatıslanma (M) denilir. Mıknatıslanma işareti ve büyüklüğü kadar H değeri de maddenin manyetik özelliklerini karakterize etmek için önemlidir (Pang ve ark. 2012). Manyetik sistemler, paramanyetik, antiferromanyetik, ferromanyetik, diamanyetik ve ferrimanyetik olarak sınıflandırılırlar. Bu kısımda manyetik maddelerde yapılan bu sınıflandırmanın temelinde olan kavramlar verilecektir.
21
3.7.1. Diamanyetizma
Net manyetik momente sahip olmayan birçok malzeme vardır. Bunun nedeni elektronik yapılarıdır. Bu malzemelerin mıknatıslanmasının sıfır olmasının nedeni her ne kadar katı ya da sıvı oluştursa bile dışarıdan herhangi bir manyetik alan uygulamasının olmayışıdır. Ancak az da olsa manyetik moment oluşursa bunun kaynağı dıştan manyetik alan uygulanmasıdır. Bu manyetik momenti indükleyen ise dışarıdan uygulanan manyetik alandır. İndüklenmiş manyetik moment, uygulanmış olan manyetik alanla ters yöndedir. Bundan dolayı manyetik alanla ters yönde bir mıknatıslanma meydana gelir. Böyle maddelere diamanyetik madde adı verilir. Dışarıdan uygulanan manyetik alanı hangi yönde olursa olsun diamanyetik maddeler bu alana zıt yönde mıknatıslanma özelliği gösterip alandaki zayıf tarafa yönelme eğilimi gösterirler. Uygulanan manyetik alan karşısında her madde atomlar ve moleküllerinden oluştuğundan esasında diamanyetiktir. Diamanyetizmayı bütün yörüngeleri dolu olan maddelerde görmemiz mümkündür (Toplan 1998).
3.7.2. Ferromanyetizma
Diprosyum, kobalt, godolinyum, nikel ve demir oldukça güçlü manyetik maddelerdir ve bu maddeler ferromanyetiktir. Bu ferromanyetik maddeler dışarıdan uygulanan zayıf olan manyetik alanda dahi spinleri paralel yönelmiş şekilde çalışmakta olan atomik dipol momentlere sahiptirler. Dışarıdan uygulanmakta olan manyetik alan değişirse ya da kaldırılırsa birbirlerine paralel yönelmiş dipol momentler konumlarını değiştirmezler. Bu durum dipol momentlerin birbirleriyle olan etkileşimlerinden ileri gelir. Bu etkileşimin nedeni kuantum mekaniksel etkileşimden kaynaklanır. Bu durum komşu dipol momentlerin paralel biçimde konumlanmasına izin verir. Ferromanyetik maddelere etki eden çekme kuvveti oldukça fazladır. Bundan dolayı paramanyetik ve diamanyetik maddelere etki eden çekim kuvveti, dışarıdan uygulanan alanın karesiyle doğru orantılı olmasına karşın ferromanyetik maddeler de manyetik alanın şiddetiyle orantılıdır. Bundan dolayı ferromanyetik maddeler diğer manyetik maddelere kıyasla dışarıdan uygulanan değişimlerden pek etkilenmezler (Toplan 1998).
22
3.7.3. Antiferromanyetizma
Antiferromanyetik maddeler ferromanyetik maddelerin tersi olarak adlandırılır. Antiferromanyetik maddelerde spinlerin yönelimi ters yönlüyken ferromanyetik maddeler aynı yönlüdür. Antiferromanyetizma Neel tarafından çıkarılmıştır. Bu maddelerin duygunluğu bütün sıcaklık değerlerinde pozitiftir ve oldukça küçüktür. Ancak sıcaklık değerleri düştükçe duygunluğu önce artar sonrasında ise T=T
N olarak verilen Neel sıcaklık bağıntısında maksimum sıcaklık değerine geçip azalmaya başlar. Bu madde T
N Neel sıcaklık bağıntısındaki değerin altında ise antiferromanyetik, üzerinde ise paramanyetiktir. Antiferromanyetik maddelerde, T
N Neel sıcaklık değerinin altındaki sıcaklıkta birbirine zıt yönelen spinlerin eğilimleri, bu sıcaklık değer aralığındaki termal enerjiye kıyasla fazladır. Bu sebeple bu maddeleri, iki alt örgüden meydana gelen, ters yönde mıknatıslanmış ve iç içe girmiş maddeler şeklinde düşünebiliriz. Bu alt örgüleri kendi kendine mıknatıslanmış olan örgüler olarak görebiliriz. Yani antiferromanyetik maddedler kendiliğinden mıknatıslanmazlar (Turhan 2012).
3.7.4. Ferrimanyetizma
Ferrimanyetik maddeler kimyalarında farklı iki manyetik iyon bulundururlar. Bir takım seramik malzeme çeşitlerinde farklı tip iyonlar değişik manyetik olan momentlere içerir. Bu magnetik moment birbirlerine zıt ve paralel uzamış şekildedir. Bu momentlerin bileşkesi birbirlerine ters yönlü olan manyetik momentlerin farkıdır. Ferrimanyetik maddeler manyetik alan eşliğinde ferromanyetik maddelerle benzerlik gösterirler. Bir tür iç etkileşimle ferrimanyetik, ferromanyetik ve antiferromanyetik maddeler şeklinde kendi içlerinde sıralanırlar. Manyetik dipol momentlerini paralel konumlandırmaya çalışan bu etkileşim, ferromanyetik maddelerde pozitif olmasına karşın antiferromanyetik ve ferrimanyetik maddelerde negatif haldedir (Toplan 1998).
Antiferromanyetik ve ferrimanyetik maddeler birbirlerine göre ters yönlü konumlanmış ve iç içe geçmiş manyetik dipol momentlere sahiptir. Ferrimanyetik olan maddelerde manyetik momentlerin boyutları farklı olduğundan dolayı ferromanyetik
23
maddeler gibi kendiliğinden oluşan mıknatıslanma özelliğine sahiptir. Buna karşın antiferromanyetik maddelerde böyle bir durum söz konusu değildir (Toplan 1998).
Antiferromanyetik, ferrimanyetik ve ferromanyetik maddelerde, her bir manyetik moment diğer bir manyetik momentten kaynaklanan bir alan görür.
Ferromanyetik ve ferrimanyetik maddelerin sıcaklık değişimlerine bağlı duygunluk grafikleri şekil 3.9' da gösterilmektedir.
Şekil 3.9. Ferromanyetikve ferrimanyetik maddeler için sıcaklıkla değişim (1/)-T grafiği (Scherrer 1998)
3.7.5. Paramanyetizma
Bulundukları malzemenin manyetik özelliklerine katkıda bulunan serbest elektronlar, bir ya da daha çok çiftlenmiş elektrona sahip moleküllerden oluşurlar ve kalıcı manyetik momentlere sahiptir. İçeriğinde bu tarz moleküller bulunduran bu maddelere manyetik alan uygulanmamışsa molekküllerin manyetik momentleri rastgele konumlanır ve mıknatıslanmasının vektörel şematiği sıfır olur. Çünkü birçok molekülün toplamı alınmaktadır. Fakat sisteme manyetik alan uygulandığında rastgele yönlerde konumlanmış olan dipol momentlerin yönleri değişim göstererek manyetik alanla aynı yönde olma eğilimi gösterirler. Ayrıca bu durumda dipollerin enerjisi düşer. Uygulanmakta olan manyetik alan geri çekilirse mıknatıslanma sıfır olacaktır. Böyle nitelikli maddelere paramanyetik madde adı verilir. Bu maddeler dış alanda uygulanan alanın daha fazla olduğu tarafa doğru yönelirler. Paramanyetik maddelerde manyetik alanın içine doğru çeken bir kuvvetin olduğu bilinir. Etkiyen bu kuvvetin büyüklüğü diamanyetik maddelere etkiyen kuvvetle hemen hemen aynıdır. Ancak paramanyetik maddelerdeki kuvvet sıcaklık azaldığında yükselir ve mutlak sıfır derecesinde maksimum değerlere ulaşır. Paramanyetik maddelerde mıknatıslanma manyetik alana
24
ve ortamdaki sıcaklık değerlerine bağlı olarak değişiklik gösterir. Bu durum ilk olarak Pierre Curie tarafından gözlemlenmiş ve maddenin mıknatıslanma değişimlerinin mutlak sıcaklıkla ters; manyetik alanla doğru orantılı olduğu saptanmıştır. Curie yasasıyla verilen bu bağıntıyı; M=CH/T şeklinde formülüze edilmiştir. C, Curie sabitidir ve malzemeye has moleküllerin manyetik momentiyle ilişkilidir. Çok düşük sıcaklık değerlerinde veya çok yüksek manyetik alanlarda bütün moleküllerin mıknatıslanma konumları manyetik alanla aynı tarafa yönelir ve doyum değerine gelir. Böylece M ve H değerleri paramanyetik maddeye ters orantılı olur. Ayrıca manyetik maddelerin (ferrimanyetik ya da ferromanyetik) sıcaklık değerleri Curie'nin kritik sıcaklık noktasına geldiğinde veya bu sıcaklığı geçtiğinde paramanyetik madde konumuna ulaşır. Böylece manyetik olan faz geçişine işaret eder. Fe gibi atomların manyetik dipol momentleri Curie sıcaklık değerinin altında belirli şekilde paralel konumlandığı için ferromanyetiktir. Buna karşın geçiş sıcaklık değerinin üzerindeyse paramanyetik faz değerine sahip olurlar diyebiliriz (Tüzemen 2007).