Магнитные свойства радиоматериалов

Первопричиной магнитных свойств радиоматериалов являются внутренние скры­тые формы движения электронов. Для объяснения магнитных свойств материалов с достаточным приближением можно пользоваться моделью Бора. При орбиталь­ном движении электронов в атомах возникают орбитальные магнитные моменты, а при вращении электронов вокруг своей оси — спиновые магнитные моменты. Результирующий орбитальный магнитный момент определяют путем суммирова­ния орбитальных магнитных моментов отдельных атомов. У полностью заполнен­ных оболочек он равен нулю. Аналогично определяют результирующий спино­вый магнитный момент, который также равен нулю при полностью заполненных оболочках. Результирующий магнитный момент атома определяется суммирова­нием результирующих орбитальных и спиновых магнитных моментов.

Любой материал, независимо от того, обладают или не обладают атомы материа­ла собственным магнитным моментом, при помещении его в магнитное поле при­обретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема материала называют намагниченностью:

Намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где k_м — безразмерный коэффициент, характеризующий способность материала намагничиваться в магнитном поле и называемый магнитной восприимчивостью.

Намагниченное тело, находясь во внешнем магнитном поле, создает собственное магнитное поле, которое суммируется с внешним полем. В результате суммарная магнитная индукция становится равной

(1.29)

Здесь = 4*π*10^-7 Гн/м — магнитная постоянная, μ — относительная магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитная индукция В поля в дан­ном веществе больше, чем магнитная индукция B_о в вакууме. По реакции на внешнее магнитное поле все материалы делят на пять групп:

◙ диамагнетики;

◙ парамагнетики;

◙ ферромагнетики;

◙ антиферромагнетики;

◙ ферримагнетики.

Диамагнетики — это материалы, атомы которых не обладают собственным магнит­ным моментом. При помещении такого материала в магнитное поле в нем индуци­руется магнитный момент, направленный навстречу направлению поля, поэтому магнитная восприимчивость k_M отрицательна и составляет -(10^-6-10^-7). К таким материалам относятся золото, серебро, медь, кремний, германий и ряд других.

Парамагнетики — это материалы, атомы которых обладают собственным магнит­ным моментом. Под действием внешнего поля магнитные моменты атомов ори­ентируются в направлении поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна и составляет 10^-3-10^-6. К этим материалам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и ряд других.

Ферромагнетики — это материалы, в которых атомы, обладающие собственным магнитным моментом, расположены настолько близко друг к Другу, что между ними возникает обменное взаимодействие, приводящее к уменьшению энергии системы взаимодействующих атомов. При таком взаимодействии происходит обмен электронами недостроенных внутренних электронных оболочек атомов, в результате чего магнитные моменты взаимодействующих атомов приобретают одинаковое направление. Атомы с одинаковым (параллельным) направлением магнитных моментов группируются в микроскопические области, называемые доменами. Размеры и форма доменов определяются из условия минимума свобод­ной энергии системы. Энергетически выгодна структура с боковыми замыкающи­ми доменами, показанная на рис. 1.35.

При такой структуре доменов магнитный поток замыкается внутри образца, а за его пределами магнитное поле отсутствует. Под воздействием внешнего магнит­ного поля изменяются размеры и границы доменов и происходит намагничива­ние образца, при этом магнитная восприимчивость достигает 10⁵-10⁶. Подобны­ми свойствами обладают железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.

Антиферромагнетики — это материалы, в которых в результате обменного взаи­модействия происходит антипараллельная ориентация магнитных моментов ато­мов, поэтому собственный магнитный момент у таких материалов отсутствует. Для антиферромагнетиков характерна невысокая положительная магнитная вос­приимчивость (10^-3-10^-5). Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, некоторых редкоземельных элементов и ряда соединений на основе металлов пе­реходных групп.

Ферримагнетики — это материалы, в которых обменное взаимодействие проис­ходит косвенно, через немагнитные ионы кислорода. B результате такого взаимо­действия образуются магнитные моменты, ориентированные в противоположные стороны, но их количество неодинаково, поэтому у ферримагнетиков существует собственный магнитный момент. Подобно ферромагнетикам они обладают вы­сокой магнитной восприимчивостью. Ферримагнетизмом обладают соединения оксида железа (Fe₂O₃) с оксидами других металлов. Примером может служить со­единение оксида железа с оксидом никеля (NiO), называемое ферритом никеля, формула которого может быть записана как NiFe₂O₄.

Чтобы понять природу ферримагнетизма, необходимо рассмотреть структуру крис­талла феррита, элементарная ячейка которого представляет собой куб, содержащий восемь структурных единиц NiFe₂O₄. Тридцать два крупных отрицательных иона кислорода в элементарной ячейке расположены так, что они соприкасаются друг с другом, в промежутках между ними расположены более мелкие положительные ионы железа и никеля. В восьми промежутках расположена половина трехва­лентных ионов железа, каждый из которых окружен четырьмя ионами кислоро­да. Такое положение ионов железа называют А-положением. Эти ионы имеют одинаковую ориентацию магнитных моментов и образуют первую подрешетку. В шестнадцати других промежутках расположена другая половина трехвалент­ных ионов железа и восемь двухвалентных ионов никеля, каждый из которых ок­ружен шестью ионами кислорода. Такое положение ионов называют В-положением. Эти ионы образуют вторую подрешетку, в которой магнитные моменты ионов имеют направление, противоположное направлению магнитных моментов в первой подрешетке. Учитывая описанный характер распределения ионов и ис­пользуя стрелки для указания магнитных моментов, структурную формулу фер­рита никеля можно представить в виде

Здесь в круглых скобках указаны ионы, занимающие А-положение, а в квадрат­ных — ионы, занимающие В-положение. При такой структуре магнитные момен­ты трехвалентных ионов железа компенсируются, и спонтанное намагничивание вызывается магнитными моментами двухвалентных ионов никеля.