Магнитные свойства веществ. Классификация веществ по магнитным свойствам

Магнетики — вещества, обладающие магнитными свойствами. Магнетиками являются все вещества, поскольку согласно гипотезе Ампера, магнитные свойства создаются элементарными токами (движением электрона в атоме).

Электрон, вращающийся по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Тогда это движение создает магнитное поле, магнитный момент которого pm = IS направлен по правилу правой руки перпендикулярно плоскости орбиты.

Кроме того, независимо от орбитального движения, электроны обладают собственным магнитным моментом (спином). Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам и собственным магнитным моментом.

При внесении магнетика во внешнее магнитное поле с индукцией В0 он намагничивается, то есть создает собственное магнитное поле с индукцией В’, которое складывется с внешним:

В = В0 + В’

Индукция собственного магнитного поля зависит как от внешнего поля, так и от магнитной восприимчивости χ вещества:

В’ = χ В0

Тогда В = В0 + χ В0 = В0 (1 + χ)

Но магнитная индукция внутри магнетика зависит от магнитной проницаемости вещевтва:

В = μ В0

Отсюда μ = 1 + χ.

В отличие от диэлектрической проницаемости вещества, которая всегда больше единицы, магнитная проницаемость может быть как больше, так и меньше единицы. Различают диамагнетики (μ < 1), парамагнетики (μ > 1) и ферромагнетики (μ >> 1).

Строение вещества и магнетизм

Первая теория, объясняющая природу магнетизма через взаимосвязь электрических и магнитных явлений, создана французским физиком Ж.-М. Ампером в 20-х годах XIX века. В рамках этой теории Ампер предположил наличие в физических телах микроскопических замкнутых токов, обычно компенсирующих друг друга. Но у веществ, обладающих магнитными свойствами, такие «молекулярные токи» создают поверхностный ток, в результате чего материал становится постоянным магнитом. Эта гипотеза не нашла подтверждения, за исключением одной важнейшей идеи – о микротоках как источниках магнитных полей.

Микротоки в веществе действительно существуют благодаря движению электронов в атомах и создают магнитный момент. Кроме того, электроны имеют собственный магнитный момент квантовой природы.

Суммарный магнитный момент вещества, то есть совокупности элементарных токов в нем, в отношении к единице объема, определяет состояние намагниченности макроскопического тела. У большей части веществ моменты частиц ориентированы неупорядоченно (ведущую роль в этом играют тепловые хаотические колебания), и намагниченность практически равна нулю.

Парамагнитные материалы

Хотя ферромагнетизм ответственен за большинство эффектов магнетизма, встречающихся в повседневной жизни, все другие материалы в некоторой степени подвержены влиянию поля, а также некоторых других типов магнетизма. Парамагнитные вещества, такие как алюминий и кислород, слабо притягиваются к приложенному магнитному полю. Диамагнитные вещества, такие как медь и углерод, слабо отталкиваются.

Вам будет интересно:Какие существуют окончания писем на английском?

В то время как антиферромагнитные материалы, такие как хром и спиновые стекла, имеют более сложную связь с магнитным полем. Сила магнита на парамагнитных, диамагнитных и антиферромагнитных материалах обычно слишком слаба, чтобы ее можно было почувствовать, и ее можно обнаружить только лабораторными приборами, поэтому эти вещества не входят в список материалов, обладающих магнитными свойствами.

Поведение вещества в магнитном поле

При действии внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов частиц изменяют направление – тело намагничивается, в нем появляется собственное магнитное поле. Характер этого изменения и его интенсивность, определяющие магнитные свойства веществ, обусловлены различными факторами:

• особенности структуры электронных оболочек в атомах и молекулах вещества;
• межатомные и межмолекулярные взаимодействия;
• особенности структуры кристаллических решеток (анизотропия);
• температура вещества;
• напряженность и конфигурация магнитного поля и так далее.

Намагниченность вещества пропорциональна напряженности магнитного поля в нем. Их соотношение определяется особым коэффициентом – магнитной восприимчивостью. У вакуума она равна нулю, у некоторых веществ отрицательна.

Величину, характеризующую соотношение магнитной индукции и напряженности поля в веществе, принято называть магнитной проницаемостью. В вакууме индукция и напряженность совпадают, и проницаемость его равна единице. Магнитную проницаемость вещества можно выражать как относительную величину. Это соотношение абсолютных значений ее для данного вещества и для вакуума (последняя величина принята в качестве магнитной постоянной).

Общие сведения

В природе существует несколько видов силовых полей. Одним из них является магнитное поле (МП). В физике под ним понимают силу, действующую на перемещающиеся электрические заряды, обладающие магнитным моментом. Каждое тело в том или ином виде характеризуется восприимчивостью к такого роду полю.

Для понимания процесса можно провести эксперимент. Если взять кольцо индуктивности и пропустить через него электрический ток, то вокруг него возникнет электромагнитное поле. Если в катушку вставить железный сердечник, то магнитные свойства усилятся. Другими словами, железо усиливает магнитное поле, созданное током, протекающим по виткам. Получается, что появляется дополнительный источник магнетизма — железо. По принципу суперпозиции векторы источников складываются. Возникает усиленное поле.

Допустим, магнитная индукция поля, создаваемая только током, имеет величину B0, а веществом — B1. Вектор магнитной индукции в материале будет складываться из этих двух величин: B = B0 + B1. Основываясь на эксперименте, физики решили ввести новую величину, которая характеризует, насколько вещество изменяет магнитное поле. Этот параметр было решено обозначить символом μ и назвать магнитной проницаемостью. Её единицей измерения стала безразмерная величина.

Таким образом, физический смысл магнитной проницаемости вещества заключается в величине, равной отношению модуля вектора магнитной индукции поля в материале к создаваемому теми же токами полю без дополнительных элементов. Для вакуума формула магнитной проницаемости имеет вид μ = B / B0. По сути параметр является магнитным аналогом диэлектрической проницаемости. Но если диэлектрики всегда ослабляют поле, то магнетики его усиливают.

На протяжении нескольких десятков лет различные физики проводили эксперименты над способностью материалов поддерживать распространение МП. В результате была построена таблица, в которую были занесены показатели, характерные для разных сред. Так, для воздуха параметр равняется 1.25663753*10−6, вакуума — 4π*10−7, дерева — 1.25663760*10−6, а чистого железа — 6.3*10−3. Все эти данные общедоступны. Их легко можно найти практически в любом физическом справочнике.

Классификация веществ по магнитным свойствам

По типу поведения различных твердых материалов, жидкостей, газов в магнитном поле выделяют несколько групп:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• ферромагнетики;
• ферримагнетики;
• антиферромагнетики.

Основные магнитные характеристики вещества, лежащие в основе классификации – это магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Охарактеризуем основные свойства, присущие каждой группе.

Диамагнетики

В силу некоторых особенностей строения электронных облаков у атомов (или молекул) диамагнетиков нет магнитного момента. Он появляется при возникновении внешнего поля. Индуцированное, наведенное поле имеет противоположное направление, и результирующее поле оказывается несколько слабее, чем внешнее. Правда, разница эта не может быть существенной.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков выражается отрицательными числами с порядком величины от 10-4 до 10-6 и не зависит от напряженности поля; магнитная проницаемость ниже, чем у вакуума, на тот же порядок величины.

Наложение неоднородного магнитного поля ведет к тому, что диамагнетик выталкивается этим полем, так как стремится сместиться в область, где поле слабее. На этой особенности магнитных свойств веществ данной группы основан эффект диамагнитной левитации.

Диамагнетики представляют обширную группу веществ. В нее входят такие металлы, как медь, цинк, золото, серебро, висмут. Также к ней относятся кремний, германий, фосфор, азот, водород, инертные газы. Из сложных веществ – вода, многие соли, органические соединения. Идеальные диамагнетики – это сверхпроводники. Магнитная проницаемость их равна нулю. Поле внутрь сверхпроводника проникнуть не может.

Роль доменов

Когда домен содержит слишком много молекул, он становится нестабильным и делится на два домена, выровненных в противоположных направлениях, чтобы они более стабильно слипались, как показано справа.

При воздействии магнитного поля границы доменов перемещаются, так что домены, выровненные по магнитному полю, растут и доминируют в структуре (пунктирная желтая область), как показано слева. Когда намагничивающее поле удалено, домены могут не вернуться в ненамагниченное состояние. Это приводит к тому, что ферромагнитный материал намагничивается, образуя постоянный магнит.

При достаточно сильном намагничивании, чтобы преобладающий домен перекрывал все остальные, приводя к образованию только одного отдельного домена, материал магнитно насыщался. Когда намагниченный ферромагнитный материал нагревают до температуры точки Кюри, молекулы перемешиваются до такой степени, что магнитные домены теряют организацию, а магнитные свойства, которые они вызывают, прекращаются. Когда материал охлаждается, эта структура выравнивания доменов самопроизвольно возвращается, примерно аналогично тому, как жидкость может замерзнуть в кристаллическое твердое вещество.

Парамагнетики

Принадлежащим к данной группе веществам свойственна положительная магнитная восприимчивость (очень невысокая, порядка 10-5 – 10-6). Намагничиваются они параллельно вектору накладываемого поля, то есть втягиваются в него, но взаимодействие парамагнетиков с ним очень слабое, как и у диамагнетиков. Магнитная проницаемость их близка к значению проницаемости вакуума, только слегка превосходит его.

В отсутствие внешнего поля парамагнетики, как правило, не обладают намагниченностью: их атомы имеют собственные магнитные моменты, но ориентированы они хаотически из-за тепловых колебаний. При низких температурах парамагнетики могут иметь собственную намагниченность малой величины, сильно зависящую от внешних воздействий. Однако влияние теплового движения слишком велико, вследствие чего элементарные магнитные моменты парамагнетиков никогда не устанавливаются точно по направлению поля. В этом и заключается причина их низкой магнитной восприимчивости.

Силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия также играют значительную роль, способствуя либо, напротив, оказывая сопротивление упорядочиванию элементарных магнитных моментов. Это обусловливает большое разнообразие магнитных свойств вещества парамагнетиков.

К этой группе веществ относятся многие металлы, например вольфрам, алюминий, марганец, натрий, магний. Парамагнетиками являются кислород, соли железа, некоторые оксиды.

Антиферромагнетика

В антиферромагнетике, в отличие от ферромагнетика, собственные магнитные моменты соседних валентных электронов имеют тенденцию указывать в противоположных направлениях. Когда все атомы расположены в веществе так, что каждый сосед антипараллелен, вещество является антиферромагнитным. Антиферромагнетики имеют нулевой суммарный магнитный момент, что означает, что они не создают поля.

Антиферромагнетики встречаются реже по сравнению с другими типами поведения и чаще всего наблюдаются при низких температурах. При различных температурах антиферромагнетики проявляют диамагнитные и ферромагнитные свойства.

В некоторых материалах соседние электроны предпочитают указывать в противоположных направлениях, но нет геометрического расположения, в котором каждая пара соседей является анти-выровненной. Это называется спин-стекло и является примером геометрического разочарования.

Ферромагнетики

Существует небольшая группа веществ, которые благодаря особенностям структуры обладают очень высокими магнитными свойствами. Первым металлом, у которого обнаружились эти качества, было железо, и благодаря ему данная группа получила наименование ферромагнетиков.

Строение ферромагнетиков характеризуется наличием особых структур – доменов. Это области, где намагниченность образуется спонтанно. Благодаря особенностям межатомного и межмолекулярного взаимодействия у ферромагнетиков устанавливается наиболее энергетически выгодное расположение атомных и электронных магнитных моментов. Они приобретают параллельную направленность по так называемым направлениям легкого намагничивания. Однако весь объем, например, кристалла железа не может приобрести однонаправленную самопроизвольную намагниченность – это повышало бы общую энергию системы. Поэтому система разбивается на участки, спонтанная намагниченность которых в ферромагнитном теле компенсирует друг друга. Так образуются домены.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков чрезвычайно велика, может составлять от нескольких десятков до сотен тысяч и в большой степени зависит от напряженности внешнего поля. Причина этого заключается в том, что ориентация доменов по направлению поля также оказывается энергетически выгодной. Направление вектора намагниченности части доменов обязательно совпадет с вектором напряженности поля, и энергия их будет наименьшей. Такие области разрастаются, и одновременно сокращаются невыгодно ориентированные домены. Намагниченность увеличивается, и нарастает магнитная индукция. Процесс происходит неравномерно, и график связи индукции с напряженностью внешнего поля называют кривой намагничивания ферромагнитного вещества.

При повышении температуры до некоторой пороговой величины, называемой точкой Кюри, доменное строение вследствие усиления теплового движения нарушается. В этих условиях ферромагнетик проявляет парамагнитные качества.

Помимо железа и стали, ферромагнитные свойства присущи кобальту и никелю, некоторым сплавам и редкоземельным металлам.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНЕТИКОВ

Транскрипт

1 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ 1. КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНЕТИКОВ Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 1

2 1.1. Магнитный момент Аналогично тому, как в любом веществе, помещенном в электрическое поле, возникает электрический дипольный момент P, в любом веществе, внесенном в магнитное поле, возникает магнитный момент P m. Магнитный момент создается не системой точечных зарядов, а электрическими токами, текущими внутри системы. Магнитный момент замкнутого плоского контура с током равен произведению силы тока на площадь витка и направлен вдоль его правой нормали. В атомных масштабах движение электронов и протонов создает орбитальные микротоки, связанные с движением этих частиц в атомах или атомных ядрах. Наличие у микрочастиц спина обусловливает существование у них спинового магнитного момента. Магнитный момент тела векторно складывается из элементарных магнитных моментов слагающих его частиц. Из магнитных моментов ядра и электронов слагается магнитный момент атома. Все вещества подвержены влиянию магнитного поля и обладают магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 2

3 1.2. Намагниченность и магнитная индукция Магнитное взаимодействие пространственно разделенных тел осуществляется магнитным полем с напряженностью H. Намагниченность M магнитный момент единицы объема вещества: M = P m / V. Намагниченность возрастает с увеличением напряженности магнитного поля: M = H, где магнитная восприимчивость. Магнитное поле создает магнитную индукцию B. В вакууме магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вакуума (магнитную постоянную) 0 = Гн/м: B = 0 H. Магнитная индукция, создаваемая в присутствии вещества, складывается из векторов напряженности внешнего магнитного поля и намагниченности вещества: B = 0 (H + M) = 0 H, где относительная магнитная проницаемость. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 3

4 1.3. Магнитные проницаемость и восприимчивость Относительная магнитная проницаемость означает во сколько раз при заданном распределении макроскопических токов магнитная индукция в рассматриваемой точке поля в данном веществе больше, чем в вакууме. Таким образом, напряженность H характеризует внешнее магнитное поле, а индукция B внутренне магнитное поле в веществе. Поэтому показывает чувствительность (коэффициент усиления) вещества к внешнему магнитному полю. Если внешнее магнитное поле изменяется, то характеризует скорость изменения магнитного поля в веществе d = 0 1 (db / dh) дифференциальная магнитная проницаемость. Из связи между магнитной индукцией B и намагниченностью M следует, что = 1. Для изотропных веществ и скаляры. Для анизотропных веществ направления векторов B и H могут не совпадать. В этом случае и являются тензорами. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 4

5 1.4. Поведение вещества в магнитном поле Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Вещества с < 0, которые ослабляют магнитное поле, называются диамагнетиками. Вещества с > 0, усиливающие магнитное поле, называют парамагнетиками. а парамагнетики; б диамагнетики Существуют вещества, обладающие спонтанной намагниченностью (магнитоупорядоченные вещества), т. е. имеющие M 0 даже в отсутствие магнитного поля (ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики). Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 5

6 1.5. Классификация магнетиков Свойство Знак (H) (25 о С) Причина магнетизма Нет Н 2 О: 0, ; Bi: Нет O 2 : 0, ; W: Есть Fe: < 650; Sm 1-x Pr x Co 5 : < 8000 Прецессия спаренных электронов [ ] Собственный P m неспаренного электрона [ ] Кооперативное [ ][ ] выстраивание спинов неспаренных электронов Диамагнетизм Парамагнетизм Ферромагнетизм Антиферромагнетизм Ферримагнетизм Есть MnO: < 10-2 Антипараллельное выстраивание спинов неспаренных электронов двух подсистем [ ][ ] Есть BaFe 2 O 4 : < 60 Антипараллельное [ ][ ] выстраивание спинов неспаренных электронов двух разных подсистем Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 6

7 1.6. Диамагнетики Под действием внешнего магнитного поля электроны в заполненных электронных оболочках начинают прецессировать. Электронную прецессию можно рассматривать как круговые токи. Это индуцированное движение электрического заряда вызывает магнитное поле, которое, по правилу Ленца, будет направлено так, чтобы уменьшить воздействие со стороны внешнего поля. Индуцированный магнитный момент и есть диамагнитный момент, который существует до тех пор, пока существует внешнее поле. Диамагнетизм свойствен всем веществам, кроме атомарного водорода, так как у всех остальных веществ имеются спаренные электроны и заполненные электронные оболочки. Диамагнетики характеризуются малой отрицательной намагниченностью. К ним относятся, например, благородные газы, некоторые металлы (Cu, Be, Zn, Pb и др.), полупроводники (Si, Ge), диэлектрики (полимеры, стекло). Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 7

8 1.7. Парамагнетики Парамагнетизм обусловлен неспаренными электронами, магнитный момент (спин) которых не уравновешен (спины спаренных электронов противоположны). В магнитном поле спины стремятся выстроиться по направлению поля, усиливая его. Этот порядок нарушается хаотическим тепловым движением. Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температуры Т: чем ниже Т, тем выше. В слабых полях и при высоких температурах эта зависимость выражается законом Кюри Вейсса: = C / (T ), где поправка Вейсса, связанная с появлением ферромагнетизма или антиферромагнетизма. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 8

9 Группы парамагнетиков Атомы и молекулы, имеющие нечетное число электронов (например, свободные атомы щелочных металлов, молекула окиси азота NO, некоторые свободные органические радикалы). Свободные атомы и ионы, имеющие недостроенные внутренние подуровни (например, переходные элементы Cr, Mn, Fe, Co, Ni, металлы подгрупп Pd и Pt, а также редкоземельные элементы). В ряде случаев парамагнетизм обнаруживается и в твердых телах, состоящих из указанных атомов (например, солях этих металлов). Некоторые молекулы с четным числом электронов (например, O 2 и S 2 ). В них тоже имеется магнитный момент, связанный с нескомпенсированностью спинов двух электронов. Дефекты кристаллической решетки с нечетным числом электронов. Например F-центры в щелочно-галоидных кристаллах, вакансии и дивакансии в Si и т.д. В металлах дополнительный вклад в парамагнетизм обусловлен электронами проводимости, который не зависит от температуры. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 9

10 1.8. Ферромагнетики Ферромагнетизм обнаруживают кристаллы только девяти химических элементов: 3d-металлы (Fe, Ni, Co) и 4f-металлы (Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm). Однако имеется огромное число ферромагнитных сплавов и химических соединений. Общий признак для всех ферромагнетиков недостроенные d- и f- электронные подуровни атомов. Такие атомы имеют нескомпенсированный магнитный момент. Наличие спонтанной намагниченности свидетельствует о том, что магнитные моменты атомов ориентированы упорядоченно (параллельно) друг другу. Ферромагнетизм связан с упорядочением спиновых магнитных моментов. В ферромагнетиках магнитное упорядочение имеет место в интервале температур от 0 К до некоторой критической T C температуры Кюри. При температуре Кюри происходит фазовый переход 2-го рода: превращение ферромагнетик парамагнетик. При T > T C магнитная восприимчивость описывается законом Кюри Вейсса, где поправка Вейсса равна T C. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 10

11 Ферромагнетизм Ферромагнетизм особое свойство системы электростатически взаимодействующих электронов. При сильном электростатическом взаимодействии энергетически выгодным оказывается состояние с параллельной ориентацией спинов, т. е. намагниченное состояние. При перевороте спина в соответствии с принципом Паули электрон вынужден занять уровень с большей энергией. В электростатическое взаимодействие наряду с классической кулоновской энергией дает вклад так называемая энергия обменного взаимодействия, зависящая от взаимной ориентации спиновых моментов электронов. В простейшем случае двух электронов обменную энергию E обм можно представить в виде E обм = A(S 1 S 2 ), где A обменный интеграл; S 1 и S 2 единичные векторы спинов. Если A > 0, то минимуму энергии соответствует (S 1 S 2 ) = 1 параллельная ориентация спинов. При A < 0 минимум энергии наблюдается при (S 1 S 2 ) = 1 антипараллельная ориентация. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 11

12 Условия, благоприятные для возникновения ферромагнетизма Наличие локализованных магнитных моментов, например, в атомах с недостроенными d- или f-электронными подуровнями. Положительный обменный интеграл. Большая плотность квантовых электронных состояний в d- или f-зонах. Это необходимо для того, чтобы возрастание кинетической энергии, связанное с заполнением электронами более высоких свободных уровней (принцип Паули), не превысило уменьшения энергии за счет обменного взаимодействия. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 12

13 1.9. Антиферромагнетизм Антипараллельная ориентация спиновых моментов возникает при отрицательном обменном взаимодействии (A < 0). Как и в ферромагнетиках, антипараллельное магнитное упорядочение имеет место в интервале температур от 0 К до некоторой критической T N температуры Нееля. При температуре Нееля происходит фазовый переход 2-го рода: превращение антиферромагнетик парамагнетик. При T > T N магнитная восприимчивость описывается законом Кюри Вейсса, где поправка Вейсса равна T N. Магнитная структура антиферромагнетика MnO: стрелками показаны направления спина Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 13

14 Антиферромагнетики Антиферромагнетизм наблюдается в кристаллических Cr, -Mn, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, а также в многочисленных соединениях (оксидах, сульфидах Fe, Ni, Mn и других элементов), сплавах (Fe 3 Mn, CrPt и др.) и аморфных веществах, содержащих атомы переходных элементов. Кристаллическая решетка этих веществ разбивается на две или более магнитные подрешетки, в которых векторы спонтанной намагниченности M s либо антипараллельны (коллинеарная магнитная атомная структура), либо направлены под отличным от углом друг к другу (неколлинеарная структура). Магнитная подрешетка совокупность кристаллографически эквивалентных атомов кристалла (занимающих эквивалентные узлы элементарной ячейки), атомные магнитные моменты которых равны и параллельны. В антиферромагнетиках различают и магнитные восприимчивости вдоль и поперек оси антиферромагнетизма направления, в котором ориентируются векторы M s магнитных подрешеток при T < T N. Скомпенсированный антиферромагнетизм имеет место при полной компенсации магнитного момента, т. е. когда результирующая намагниченность кристалла равна нулю. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 14

15 1.10. Ферримагнетики Нескомпенсированный антиферромагнетизм называется ферримагнетизмом. В ферримагнетиках имеются магнитные ионы двух или более типов разной химической природы или одной природы, но разной валентности (например, Fe 2+ и Fe 3+ в магнетите FeO Fe 2 O 3 ), либо ионы одной химической природы и одной валентности, но имеющие в магнитных подрешетках разное число узлов в единице объема образца. Ферримагнетизм реализуется главным образом в кристаллах окислов d-металлов с решетками типа шпинели (MgAl 2 O 4 ), граната, перовскита и др. (так называемых ферритах двойных окислах металлов MO Fe 2 O 3, где M двухвалентный металл: Mg 2+, Zn 2+, Cu 2+, Ni 2+, Fe 2+, Mn 2+ и др.). Ферриты по электрическим свойствам, как правило, являются полупроводниками или диэлектриками, а по магнитным свойствам похожи на ферромагнетики (высокие значения и намагниченности насыщения M S с некоторыми отличиями зависимостей H S (T), (T)), что позволяет применять их в технике сверхвысоких частот. Шишкин А.В., АЭТУ, НГТУ 15

Ферримагнетики и антиферромагнетики

Двум видам магнетиков также свойственна доменная структура, но магнитные моменты в них ориентируются антипараллельно. Это такие группы, как:

• Антиферромагнетики. Магнитные моменты доменов в этих веществах равны по численному значению и взаимно скомпенсированы. По этой причине магнитные свойства материалов антиферромагнетиков характеризуются крайне низкой магнитной восприимчивостью. Во внешнем поле они проявляют себя как очень слабые парамагнетики. Выше пороговой температуры, называемой точкой Нееля, такое вещество становится обычным парамагнетиком. Антиферромагнетиками являются хром, марганец, некоторые редкоземельные металлы, актиноиды. Некоторые антиферромагнитные сплавы имеют две точки Нееля. Когда температура меньше нижнего порога, материал становится ферромагнитным.
• Ферримагнетики. У веществ этого класса величины магнитных моментов разных структурных единиц не равны, благодаря чему не происходит их взаимной компенсации. Магнитная восприимчивость их зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля. К ферримагнетикам относятся ферриты, в состав которых входит оксид железа.

Понятие о гистерезисе. Постоянный магнетизм

Ферромагнитные и ферримагнитные материалы обладают свойством остаточной намагниченности. Это свойство обусловлено явлением гистерезиса – запаздывания. Суть его состоит в отставании изменения намагниченности материала от изменения внешнего поля. Если по достижении насыщения снижать напряженность поля, намагниченность будет меняться не в соответствии с кривой намагничивания, а более пологим образом, так как значительная часть доменов остается ориентирована соответственно вектору поля. Благодаря этому явлению существуют постоянные магниты.

Размагничивание происходит при перемене направления поля, при достижении им некоторой величины, называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Чем больше ее величина, тем лучше вещество удерживает остаточную намагниченность. Замыкание петли гистерезиса происходит при следующем изменении напряженности по направлению и величине.

Магнитная твердость и мягкость

Явление гистерезиса сильно влияет на магнитные свойства материалов. Вещества, у которых на графике гистерезиса петля расширена, требующие для размагничивания значительной коэрцитивной силы, называют магнитотвердыми, материалы с узкой петлей, гораздо легче поддающиеся размагничиванию – магнитомягкими.

В переменных полях магнитный гистерезис проявляется особенно ярко. Он всегда сопровождается выделением тепла. Кроме того, в переменном магнитном поле в магнетике возникают вихревые индукционные токи, выделяющие особенно много тепла.

Многие ферромагнетики и ферримагнетики применяются в оборудовании, функционирующем на переменном токе (например, сердечники электромагнитов) и при работе все время перемагничиваются. Для того чтобы уменьшить энергопотери на гистерезис и динамические потери на вихревые токи, в таком оборудовании применяют магнитомягкие материалы, такие как чистое железо, ферриты, электротехнические стали, сплавы (например, пермаллой). Есть и другие способы минимизировать потери энергии.

Магнитотвердые вещества, напротив, используются в оборудовании, работающем на постоянном магнитном поле. Они значительно дольше сохраняют остаточную намагниченность, но их труднее намагнитить до насыщения. Многие из них в настоящее время представляют собой композиты разных типов, например, металлокерамические или неодимовые магниты.

Разделение веществ

В пятидесятые годы девятнадцатого столетия Фарадей исследовал влияние веществ на МП. В итоге он пришёл к выводу, что все материалы без исключения влияют на поле. Отсюда следует, что любое вещество является источником своего МП, но при условии его помещения во внешнее поле. Это явление было названо намагниченностью.

По результатам своего исследования Фарадей разделил все физические элементы на три класса, дав определение каждому из них:

1. Диамагнетики. Вещества, у которых проницаемость чуть меньше единицы: μ < 1. К ним относятся все газы, кроме кислорода, золота, серебра, углерода в любой кристаллической модификации, висмута. При помещении этих веществ в МП собственный вектор магнитной индукции направлен в сторону противоположную вектору, создаваемому током: B1↑↓B0. C другой стороны, так как значение B1 близко к единице, то модуль вектора B1 гораздо меньше модуля B0. Получается, что такое вещество намагничивается очень слабо и против внешнего поля. Интересным фактом является то, что диамагнетики при помещении в катушку с МП выталкиваются из неё.
2. Парамагнетики. К ним относят материалы, у которых магнитная проницаемость немного больше единицы. Например, щелочные металлы, алюминий вольфрам, магний, платина. Для этих веществ характерно то, что модуль B1 параллелен вектору B0, но при этом модуль B1 меньше, чем модуль вектора B0.
3. Ферромагнетики. К этому классу относят материалы, у которых μ намного больше единицы. Классическими представителями таких веществ являются: железо, никель, кобальт и их сплавы. Эти вещества намагничиваются вдоль поля. При этом B1 по модулю гораздо больше B0. Такие материалы сильно увеличивают магнитное поле.

В однородном МП на тело, обладающее магнитным моментом, действует только момент сил, который стремится развернуть диполь вдоль направления силовых линий. В неоднородном поле на диполь будет дополнительно действовать сила, пропорциональная величине дипольного момента и градиента поля: F = P (dB/dn) * cosj.

Если момент ориентирован вдоль линий, то на него действует сила притяжения. В ином случае он отталкивается, что и характерно для диамагнетиков.

Еще немного об использовании магнитных материалов

Современные высокотехнологичные производства требуют применения магнитов, изготовляемых из конструкционных, в том числе композитных материалов с заданными магнитными свойствами веществ. Таковы, например, магнитные нанокомпозиты ферромагнетик-сверхпроводник или ферромагнетик-парамагнетик, используемые в спинтронике, или магнитополимеры – гели, эластомеры, латексы, феррожидкости, находящие самое широкое применение.

Различные магнитные сплавы тоже чрезвычайно востребованы. Сплав неодим-железо-бор характеризуется высокой устойчивостью к размагничиванию и мощностью: упомянутые выше неодимовые магниты, являясь наиболее мощными на сегодняшний день постоянными магнитами, применяются в самых разных отраслях, несмотря на наличие некоторых недостатков, таких как хрупкость. Их используют в магнитно-резонансных томографах, ветрогенераторах, при очистке технических жидкостей и подъеме тяжелых грузов.

Очень интересны перспективы использования антиферромагнетиков в низкотемпературных наноструктурах для изготовления ячеек памяти, позволяющих существенно увеличивать плотность записи без нарушения состояния соседних битов.

Надо полагать, что применение магнитных свойств веществ с заданными характеристиками будет все более расширяться и обеспечит серьезные технологические прорывы в разных областях.