פרומגנטיות

חומר פֶרוֹמגנטי (באנגלית: Ferromagnetism) הוא חומר ההופך מגנטי כשהוא נמצא בשדה מגנטי חיצוני ונשאר מגנטי כשהוא יוצא מהשדה. פרומגנטיות היא צורה של מגנטיות המוכרת מאוד מחיי היומיום, כגון פעולת המגנטים על המקרר. מקור השם במילה Ferrum – ברזל בלטינית. תופעת הפרומגנטיות הייתה מוכרת כבר בעולם העתיק.

כל המגנטים הקבועים הם פרומגנטים או פרימגנטים. בעבר שימש המונח פרומגנט לתיאור כל חומר שיכול להראות מגנטיזציה ספונטנית, כלומר מומנט מגנטי נטו בהיעדר שדה מגנטי חיצוני. הגדרה כללית זו עדיין נמצאת בשימוש, אך בשנים האחרונות זוהו סוגים שונים של מגנטיזציה ספונטנית כאשר יש יותר מיון מגנטי אחד בתא היחידה של החומר, דבר שהוביל להגדרה פחות כללית של "פרומגנטיות" המשמשת כאבחנה^{[דרושה הבהרה]} שונה מפרימגנטיות.

חומר מוגדר כ"פרומגנטי" במובן המצומצם של המושג רק אם כל היונים המגנטיים שלו מוסיפים תרומה חיובית למגנטיזציה נטו. אם חלק מהיונים המגנטיים מפחיתים מהמגנטיזציה נטו (אם הם נמצאים במצב של אנטי-סידור), אז החומר הוא "פרימגנטי". אם כל היונים מסודרים נגדית כך שהמגנטיזציה נטו היא אפס, למרות הסידור המגנטי, אז מדובר באנטי פרומגנט. כל מערכי הסידור הללו מתרחשים רק בטמפרטורות שמתחת לרמה קריטית מסוימת, הנקראת טמפרטורת קירי (עבור פרומגנטים ופרימגנטים) או טמפרטורת ניל (עבור אנטי פרומגנטים).

חומרים פרומגנטיים

מבחר של חומרים פרומגנטיים עם טמפרטורת קירי שלהם במעלות קלווין.
חומר	טמפרטורת קירי (מעלות קלווין)
קובלט	1,388
ברזל	1,043
FeOFe2O3	858
NiOFe2O3	858
CuOFe2O3	728
MgOFe2O3	713
MnBi	630
ניקל	627
MnSb	587
MnOFe2O3	573
Y3Fe5O12	560
CrO2	386
MnAs	318
Gd	292
Dy	88
EuO	69

ישנם מספר חומרים גבישיים המראים תכונות פרומגנטיות (או פרימגנטיות). הטבלה שלמעלה מראה כמה מהם, יחד עם טמפרטורת קירי שלהם, הטמפרטורה שמעליה הם מפסיקים להראות מגנטיזציה ספונטנית.

סגסוגות מתכת פרומגנטיות שמרכיביהן אינם פרומגנטיים בצורתם הטהורה, נקראות סגסוגות האוזלר, על שם פריץ האוזלר (Fritz Heusler).

ניתן להכין סגסוגות מתכת פרומגנטיות אמורפיות (לא גבישיות) על ידי קירור מהיר מאוד של סגסוגת נוזלית. לסגסוגות אלו יש את היתרון שתכונותיהן הן כמעט איזוטרופיות (לא מסודרות לאורך ציר של הגביש); דבר זה מסתיים בכפיינות נמוכה, איבוד חשל איטי, חדירות מגנטית גבוהה, והתנגדות חשמלית גבוהה. חומר טיפוסי כזה הוא סגסוגת מתכת-מטלואיד, המכילה כ-80% מתכת מעבר (בדרך כלל ברזל, קובלט או ניקל) והשאר מטלואיד (בור, פחמן, צורן, זרחן או אלומיניום) אשר מוריד את טמפרטורת ההתכה.

הסבר פיזיקלי לתופעת הפרומגנטיות

הפרומגנטיות נובעת משני אפקטים קוונטים: ספין ועקרון האיסור של פאולי.

הספין של האלקטרון, בשילוב עם התנע הזוויתי האורביטלי שלו, גורם למומנט דיפול מגנטי ויוצר שדה מגנטי. בחומרים רבים (בייחוד באלה עם קליפת ערכיות מלאה), המומנט המגנטי הכולל של כל האלקטרונים הוא אפס, כלומר הספינים נמצאים בזוגות של מעלה ומטה. רק אטומים עם קליפות מלאות באופן חלקי (ספינים לא מזווגים) יכולים להיות בעלי מומנט מגנטי נטו בהיעדר שדה מגנטי חיצוני. לחומר פרומגנטי יש אלקטרונים רבים בעלי מאפיינים כאלה, ואם הם מסודרים בסדר מסוים הם יוצרים שדה מקרוסקופי מדיד.

דיפולים קבועים אלה, המכונים גם "ספינים" אף על פי שבדרך כלל הם כוללים את התנע הזוויתי האורביטלי, נוטים להסתדר במקביל לשדה המגנטי החיצוני, תופעה הנקראת פאראמגנטיות. אולם, פרומגנטיות כוללת תופעה נוספת: הדיפולים נוטים להסתדר באופן ספונטני, ללא כל שדה מופעל.

לפי האלקטרומגנטיות הקלאסית, שני דיפולים מגנטיים סמוכים יטו להסתדר בכיוונים מנוגדים (מה שייצור חומר אנטי פרומגנטי). לעומת זאת, ניתוח קוונטי מראה כי הדיפולים יטו להסתדר באותו כיוון. הדבר נובע מעקרון האיסור של פאולי או ליתר דיוק ממשפט הספין סטטיסטיקה – אלקטרונים הם פרמיונים ולכן פונקציית הגל הכוללת שלהם צריכה להיות אנטי סימטרית להחלפה ביניהם. כאשר הספינים באותו כיוון (מצב סימטרי), פונקציית הגל המרחבית צריכה להיות אנטי סימטרית. במקרה 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 במצב זה.

במרחקים ארוכים מסדר גודל של אטומים רבים יתרון חילוף האנרגיה מתבטל על ידי הנטייה הקלאסית של דיפולים להסתדר בצורה מנוגדת. זו הסיבה שהדיפולים בחומר פרומגנטי לא ממוגנט אינם מסודרים. במקום זאת, הם מתארגנים לאזורים מגנטיים, הידועים גם כאזורי וייס, שמסודרים (ממוגנטים) בטווח קצר, אבל בטווח ארוך אזורים סמוכים מסודרים זה כנגד זה. המעבר בין שני אזורים, בו המגנטיזציה משתנה בהדרגה מכיוון אחד לאחר, נקרא קיר האֵזור והוא דק מאוד בקנה מידה אטומי (מכסה מרחק של בערך 300 אטומים עבור ברזל).

כתוצאה מכך, לגוש ברזל במצב אנרגיה מינימלי (לא ממוגנט) יש בדרך כלל מומנט מגנטי קטן או אפסי. אולם, אם הוא מונח בשדה מגנטי חיצוני מספיק חזק, האזורים יתארגנו מחדש במקביל לשדה, ויישארו מאורגנים מחדש כאשר השדה יכובה, ובכך ייצרו מגנט "קבוע". המגנטיזציה הזו כתוצאה מהפעלת שדה חיצוני מתוארת על ידי עקומת היסטרזיס (חשל). אף על פי שתצורה זו של אזורים מסודרים באותו כיוון אינה בעלת אנרגיה מינימלית, היא מהווה מצב מטסטבילי אשר יכול להימשך זמן רב – קיימות דוגמאות של מגנטיט על קרקעית האוקיינוס ששמרו על מגנטיות במשך מיליוני שנים. אולם, ניתן להרוס את המגנטיזציה על ידי הרפיה – חימום החומר ואז קירורו בהיעדר שדה חיצוני.

ככל שהטמפרטורה עולה האנטרופיה מתחרה עם הנטייה הפרומגנטית של הדיפולים להסתדר. כאשר הטמפרטורה עולה מעבר לנקודה מסוימת, הנקראת טמפרטורת קירי, מתרחש מעבר פאזה מסדר שני והמערכת לא שומרת יותר על המגנטיזציה הספונטנית, אף על פי שהיא עדיין מגיבה לשדה חיצוני באופן פאראמגנטי. מתחת לטמפרטורה זו, מתרחשת שבירת סימטריה ספונטנית ונוצרים אזורים פרומגנטיים בהיעדר שדה חיצוני.

טמפרטורת קירי עצמה היא נקודה קריטית, שבה באופן תאורטי הסוספטיביליות המגנטית היא אינסופית, ואף על פי שאין רק מגנטיזציה, קיימים אזורים פרומגנטיים בגדלים שונים המתהפכים באופן אקראי.^{[דרושה הבהרה]}

פרומגנטיות חריגה

בשנת 2004 דווח כי אלוטרופ מסוים של פחמן, ננו-קצף פחמני, הראה פרומגנטיות. האפקט דועך לאחר מספר שעות בטמפרטורת החדר, אבל נשאר יותר זמן בטמפרטורות נמוכות. החומר הוא גם מוליך למחצה. ישנה דעה כי חומרים אחרים בעלי צורה דומה, כגון תרכובות איזו-אלקטרונית של בורון ניטריד, עשויות להיות פרומגנטיות. הסגסוגת ZnZr₂ היא גם פרומגנטית מתחת לטמפרטורה של 28.5K.

מקורות

• Charles Kittel, Introduction to Solid State Physics (Wiley: New York, 1996).
• Neil W. Ashcroft and N. David Mermin, Solid State Physics (Harcourt: Orlando, 1976).
• John David Jackson, Classical Electrodynamics (Wiley: New York, 1999).
• E. P. Wohlfarth, ed., Ferromagnetic Materials (North-Holland, 1980).
• "Nanofoam makes magnetic debut," Physics World 17 (5), 3 (May 2004).
• "Heusler alloy," Encyclopedia Britannica Online, retrieved Jan. 23, 2005.
• F. Heusler, W. Stark, and E. Haupt, Verh. Der Phys. Ges. 5, 219 (1903).
• Sergei Vonsovsky Magnetism of elementary particles (Mir Publishers, Moscow, 1975).

קישורים חיצוניים

• science/ferromagnetic-domain פרומגנטיות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)
• פרומגנטיות, דף שער בספרייה הלאומית