Классификация веществ по магнитным свойствам

Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию [8].

Магнитные свойства веществ определяются их атомной структурой. Магнетизм атомов порождается следующими причинами:

1) наличием у электрона спинового магнитного момента, который связан с соответствующим механическим моментом электрона;

2) орбитальным движением электронов в атоме, создающим орбитальные магнитные моменты;

3) магнитным моментом атомного ядра. Он составляет ≤10³ спинового магнитного момента электрона, поэтому не является определяющим.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие магнитные моменты атомов. Единицей измерения магнитного момента атомов является магнетон Бора (μ_B):

(5.1)

где e=1,6∙10^-19Кл, , h=6,62∙10^-24Дж∙с, m=9,1∙10^-31кг.

Основные величины, характеризующие магнитные свойства материалов: намагниченность М, А/м: , где χ – магнитная восприимчивость; – напряженность магнитного поля, А/м; магнитная индукция B, Тл:

, где μ₀=4π∙10^-7Гн/м, µ – относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума.

Все вещества по магнитным свойствам делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (рис. 5.1).

Диамагнетики состоят из атомов, в которых имеется полная взаимная компенсация орбитальных и спиновых магнитных моментов. Основные пара- метры диамагнетиков имеют следующие значения: χ<0, |χ|≈10^-5, µ=0,9999 и не зависит от . Физическая природа диамагнетизма связана с явлением прецессии. Если на электрон, вращающийся по своей орбите, действует внешнее магнитное поле H, то оно стремится развернуть орбиту электрона перпендикулярно H. Это создает дополнительный индуцированный магнитный момент, направленный противоположно полю. Диамагнетизм наблюдается в природе у всех веществ.

Диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля. К диамагнетикам относятся: водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Hg, Pb, B, Ga, Sb, а также графит, стекло и др.

Парамагнетики имеют постоянные магнитные моменты, но взаимодействие между элементарными магнитными диполями мало, в результате чего при обычных температурах под действием теплового движения молекул они располагаются так, что результирующий магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление расположения магнитных моментов атомов и тело оказывается намагниченным (рис.5.2, а). Основные параметры парамагнетиков имеют следующие значения: χ>0, χ≈10^-5…10^-2, µ≈1,001 и практически не зависит от . С повышением температуры возрастает разориентирующее действие теплового движения и намагниченность убывает.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов выполняется закон Кюри , где С – постоянная Кюри; Т – температура, К, для переходных парамагнитных металлов – закон Кюри - Вейсса , где ∆ – постоянная Вейсса (см. рис. 5.2).

Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. К ним относятся: кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pd и др.

Ферромагнетики – вещества, атомы которых имеют конечный магнитный момент. Магнитные моменты атомов взаимодействуют таким образом, что они выстраиваются параллельно друг другу в пределах определенных областей, называемых доменами. Ферромагнетики в большинстве случаев имеют кристаллическую структуру.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков χ>0, имеет значения до сотен тысяч и миллионов. Величина χ имеет сложную зависимость от Т и Н (см. рис.5.3). При Т>Т_K вещество становится парамагнитным (T_К – температура Кюри,равная 1043К для чистого Fe, 631К – для Ni, 1404К – для Co).

Для ферромагнетиков характерно наличие гистерезиса, т.е. В зависит не только от Н, но и от предшествующей истории образца (т.е. от величины и направления магнитного поля, действовавшего ранее) (рис.5.4). Гистерезис обусловлен необратимостью процессов намагничивания. Параллельное расположение спинов соседних атомов называется атомным ферромагнитным порядком, который характеризуется спонтанным (самопроизвольным) намагничиванием до состояния технического насыщения, в пределах доменов. Направления магнитных моментов всех доменов равновероятны, и результирующий магнитный момент равен нулю. Линейные размеры доменов составляют от единиц до десятков микрометров. Атомный ферромагнитный порядок возникает благодаря электростатической энергии взаимодействия между микрочастицами. Эта энергия зависит от взаимной ориентации спинов и называется обменной энергией. Обменная энергия в ферромагнетиках может быть определена из равенства:

(5.2)

где А – обменный интеграл; – скалярное произведение спинов соседних электронов.

Зависимость А как функция а от d представлена на рис.5.5, где a – параметр решетки; d – диаметр незаполненных электронных оболочек, участвующих в образовании обменной связи. При a/d>1,5, А>0 возникает самопроизвольное намагничивание. При A<0 выгодным становится антипараллельное расположение спинов у соседних атомов. Зависимость A(a/d) позволяет объяснить возникновение ферромагнитных свойств сплавов из неферромагнитных компонентов, например марганца с висмутом, сурьмой и др.

Критерием ферромагнетизма являются: 1) наличие внутренних незаполненных оболочек в атомах; 2) А>0.

Антиферромагнетики имеют антипараллельное расположение атомов, А<0 (теория антиферромагнетизма и ферромагнетизма называется теорией Нееля). Антиферромагнетики имеют сложную решетку, состоящую из двух подрешеток, намагниченных противоположно. При Т=0 магнитный момент вещества равен нулю. При повышении температуры антипараллельное расположение спинов постепенно нарушается, и магнитная восприимчивость возрастает, достигая максимума при Т_Н – температуре Нееля (рис.5.6). При Т>Т_Н вещество становится парамагнетиком. У этих материалов χ≈10^-5…10^-3 и практически не зависит от Н в слабых полях. В сильных полях имеется сложная зависимость.

К антиферромагнетикам относятся редкоземельные металлы: Ce, Pr, Nd, Sm и Eu, а также Cr и Mn, многие окислы, хлориды, фториды, сульфиды, карбонаты переходных металлов, например, MnO, MnCl₂, MnF₂, MnS₂ и др.

Ферримагнетики (или нескомпенсированные антиферромагнетики) – вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу.

Магнитные моменты подрешеток различны. К ферримагнетикам относятся ферриты – соединения, которые имеют различные кристаллические решетки: шпинели, граната, каменной соли, гексагональную и др. Ферриты со структурой шпинели представляют собой соединения окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов, структурная формула которых MeOFe₂O₃, где Me – двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Cd, Mg и др.).

Бывают однокомпонентные, двухкомпонентные и многокомпонентные ферриты. Магнитные параметры ферритов в постоянных и низкочастотных магнитных полях ниже, чем в металлических, поэтому ферриты используются на высоких частотах. Ферриты имеют высокое ρ_V, которое в 10⁶–10¹¹ раз больше удельного сопротивления металлических ферромагнетиков. Ферримагнетики имеют доменное строение, и многие их свойства аналогичны свойствам ферромагнетиков. Ферримагнетики имеют меньшую B_S, более сложную зависимость B от Т (см. рис.5.7).

Для ферримагнетика с двумя подрешетками результирующая величина намагниченности насыщения М_S может быть получена путем сложения величин намагниченности насыщения первой и второй подрешеток М_S1 и М_S2. При этом в зависимости от соотношения между М_S1 и М_S2 при температуре Т>Т_H может получиться компенсация и результирующая намагниченность насыщения образца станет равной нулю (см. рис.5.7, а). Эту температуру называют точкой компенсации ферримагнетика. За этой точкой спонтанная намагниченность в образце ферримагнетика меняет знак, а затем в точке Нееля исчезает. В зависимости от вида ферримагнетика точка компенсации может быть, а может и отсутствовать, как видно из рис. 5.7, б.