Ответы с Ириными дополнениями, страница 15

Все без исключения материалы взаимодействуют с внешним маг­нитным полем, т.е. проявляют определенные магнитные свойства.

Объясняется это тем, что любой материал под действием внеш­него магнитного поля приобретает магнитный момент, т.е. намагни­чивается. Поскольку магнитное поле образуется при движении элек­трического заряда, естественно полагать, что магнитные свойства материалов проявляются в результате движения электронов, входя­щих в состав атомов (ионов, молекул). Магнитным моментом обла­дают также и ядра атомов. Однако их влиянием на магнитные свой­ства атомов можно пренебречь, так как магнитный момент ядра на три десятичных порядка меньше магнитного момента электрона. Ка­ждый электрон атома осуществляет два вида движения: орбитальное и спиновое, создавая соответственно орбитальный магнитный мо­мент М_орб и спиновой магнитный момент М_сп Полный магнитный момент атома М_ат представляет векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов данного атома: z z

Мат = ∑Морб + ∑ Мсп. (14.1)

l l

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитный момент ато­ма Мат не равен нулю только при наличии незаполненной у него электронной оболочки. В заполненных электронных оболочках не только орбитальные, но и спиновые магнитные моменты электронов полностью скомпенсированы.

Для характеристики магнитных свойств материалов вводят сле­дующие величины:

В — магнитная индукция (плотность магнитного потока ), Тл;

Н — напряженность магнитного поля, А/м;

М — намагниченность материала под действием магнитного поля, А/м — это векторная сумма магнитных моментов атомов Мат, находящихся в единице объема V магнитного материала:

М=1/V ∑Мат;

km — магнитная восприимчивость (величина безразмерная);

μ— относительная магнитная проницаемость (или магнитная проницаемость) — величина безразмерная

Диамагнетики

Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнит­ным полем в электронных оболочках атомов, ионов или молекул магнитного момента (в том числе дополнительного). Поэтому он присущ всем материалам независимо от их агрегатного состояния и вида химической связи. В чистом виде диамагнетизм можно наблю­дать только у тех материалов, в которых магнитный момент атома Мат(см. формулу (14.1)) равен нулю. Такие материалы называют диамагнетиками .

Диамагнетиками являются материалы, атомы, ионы или молеку­лы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют ре­зультирующего магнитного момента. В них существует только маг­нитный момент, наведенный внешним магнитным полем.

Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагничен­ности направлен против вектора внешнего намагничивающего поля. По этой причине они подвергаются слабому выталкивающему дейст­вию последнего. Магнитная восприимчивость km диамагнетиков от­рицательная (km < 0) и по абсолютному значению очень мала (|km| = 10^─4 - 10^─8). В большинстве случаев km не зависит от температу­ры и напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и у них немного меньше единицы (μ < 1).

Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, аммиак и др., ряд металлов (Си, Ag, Аи, Zn, Pb, Hg и др.), металлоиды (Р, S, Si и др.), вещества неорганические (стекла, мрамор, вода и др.) и орга­нические (воск, нефть и др.). Значения km и μ некоторых диамагне­тиков приведены в табл. 14.1.

Парамагнетики

Парамагнетизм наблюдается у материалов, атомы (ионы) которых имеют нечетное число электронов (кроме Си, Ag, Sb, Bi).

Атомы (ионы или молекулы) парамагнетиков в отсутствие внеш­него магнитного поля уже обладают собственным магнитным мо­ментом, который обусловлен нескомпенсированными в атомах спиновыми магнитными моментами электронов. Но поскольку взаи­модействие между магнитными моментами атомов (ионов или моле­кул) равно нулю или очень мало, их магнитные моменты расположе­ны беспорядочно (рис. 14.1, а), и результирующая намагниченность Л/ материала равна нулю.

При приложении магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его, т. е. проявляется положительная намагничен­ность (km>0), вследствие чего они втягиваются в области с макси­мальной напряженностью магнитного поля. По абсолютному значе­нию km очень мала (\km\ = 10^─3 — 10^─4) и не зависит от напряженности магнитного поля, но зависит от температуры. Магнитная проницае­мость μ немного больше единицы (μ > 1). Значения km и μ некоторых парамагнетиков приведены в табл. 14.1. Парамагнетизм проявляется у щелочных металлов (Na, К и др.); переходных металлов (Ti, V, Cr, Мn и др.), имеющих недостроенную Зd-электронную оболочку; редкоземельных элементов (лантаноидов) от церия Се до лютеция Lu, имеющих недостроенную 4f-электронную оболочку. Однако переходные металлы Fe, Co и Ni имеют большие значения km и μ и являются типичными ферромагне­тиками (см. гл. 14.1.3). Элементы Мn, Сr, их оксиды и некоторые со­единения Мn, хотя и имеют значения km и μ того же порядка, что и парамагнетики, по внутренней магнитной структуре они ближе к ферромагнетикам. На основании этого выделены в самостоятельную группу и названы антиферромагнетиками (см. 14.1.4).

Pис. 14.1. Схематическое изображе­ние магнитных моментов атомов в от­сутствие внешнего магнитного поля в парамагнетиках (а), ферромагнетиках (б), антиферромагнетиках (в) и ферримагнетиках(г)

Ферромагнетики

Ф ерромагнетизм является частным случаем парамагнетизма. У ферромагнетиков, как и у парамагнетиков, магнитные моменты ато­мов (ионов) обусловлены нескомпенсированными в них спиновыми магнитными моментами электронов. Однако у ферромагнетиков в отличие от парамагнетиков магнитные моменты атомов располо­жены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодейст­вия (см. ниже гл. 14.2.1) ориентированы параллельно друг другу (рис. 14.1, б) с образованием магнитных доменов.

Магнитные домены представляют собой элементарные объемы ферромагнетиков, находящиеся в состоянии магнитного насыщения. В домене нескомпенсированные спиновые магнитные моменты электронов всех атомов выстроены параллельно друг другу. Домен­ная структура образуется в отсутствие внешнего магнитного поля в результате самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, кото­рая происходит при температурах ниже некоторой так называемой точкой Кюри Тк. Для чистого железа Тк = 768°С, никеля Тк = 358°С, кобальта T=1131 С. Разбивка всего объема ферромагнетика на множество доменов энергетически выгодна. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов направлены так, что их результирующий магнитный момент равен или близок нулю. До­мены имеют размеры около 0,001 — 10 мм³ при толщине пограничных слоев между ними (границ) в несколько десятков ангстрем. В домен­ных границах происходит постепенное изменение направления век­тора намагниченности от одного домена к направлению вектора на­магниченности в соседнем домене.

Характерная особенность ферромагнетиков — их доменное строение, которое и обусловливает специфику магнитных свойств: магнитное насыщение, гистерезис, магнитострикцию и др.

Магнитная восприимчивость km и магнитная проницаемость μ и ферромагнетиков имеют большие положительные значения (до 10⁶) и сильно зависят от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов намагниченности различных доменов не совпадают, и результирую­щая намагниченности всего образца ферромагнетика равна или близка нулю. При приложении магнитного поля магнитные момен­ты доменов начнут ориентироваться по полю, а границы между доменами смещаются, в результате образец намагничивается. Это намагничивание называют техническим намагничиванием и его необ­ходимо отличать от спонтанного намагничивания, которое всегда присутствует внутри доменов. При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость возрастает, так как облегчаются процессы смещения доменных границ. При температуре, равной и выше Тк, интенсивное тепловое движение ионов, находящихся в узлах кри­сталлической решетки, начнет изменять параметры этой решетки, в

Р ис.14.2- Зависимость магнитной проницаемости μ ферромагнетиков от температуры Т: Тк — точка Кюри

TKμ = αμ = 1/μ •dμ/dT (14.6)

результате разрушится спонтанная намаг­ниченность, домены перестанут сущест­вовать — материал перейдет из ферро­магнитного состояния в парамагнитное (некоторые редкоземельные элементы пе­реходят в антиферромагнитное состоя­ние), и величина μ приблизится к единице
(рис. 14.2). Для характеристики изменения магнитной проницаемости μ при измене­нии температуры на один Кельвин пользу­ются температурным коэффициентом маг­нитной проницаемости ТКμ, К^─1: маг­нитной проницаемости μ

К ферромагнетикам относятся три переходных металла (железо Fe, кобальт Со и никель Ni), имеющих недостроенную 3d-электронную оболочку, и сплавы на их основе; шесть редкоземель­ных металлических элементов (гадолиний Gd, тербий Тb, диспро­зий Dy, гольмий Но, эрбий Еr и тулий Tm, имеющих недостроен­ную 4f-электронную оболочку и очень низкие значения Тк (табл. 14.2), что затрудняет их практическое применение; сплавы системы Мn—Сu—А1 (сплавы Гейслера) и соединения MnSb, MnBi и др., в которых атомы марганца находятся на расстояниях, больших, чем в решетке кристалла чистого марганца (см. гл. 14.2.1)

Антиферромагнетики

Антиферромагнетики — это материалы, атомы (ионы) которых обладают магнитным моментом, обусловленным, как у пара- и фер­ромагнетиков, нескомпенсированными спиновыми магнитными мо­ментами электронов. Однако у антиферромагнетиков магнитные мо­менты атомов под действием обменного взаимодействия (у них обменный интеграл отрицательный; см. гл. 14.2.1) приобретают не параллельную ориентацию, как у ферромагнетиков, а антипарал­лельную (противоположную) (см. рис. 14.1, в) и полностью компен­сируют друг друга. Поэтому антиферромагнетики не обладают маг­нитным моментом, и их магнитная восприимчивость km близка по величине к km парамагнетиков. Для антиферромагнетиков, как и для ферромагнетиков, существует определенная температура, назы­ваемая точкой Нееля Тн, при (и выше) которой антиферромагнит­ный порядок разрушается и материал переходит в парамагнитное со­стояние.

К антиферромагнетикам относятся: Mn, Cr, CuO, NiO, FeO, Cr2O3, NiCr, MnO, Mn2O3, MnS, VO2 и довольно большое количество других соединений.

Ферримагнетики

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипарал­лельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) раз­личных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направлен­ные антипараллельно (рис. 14.1, г). В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла.

Таким образом, Ферримагнетики можно рассматривать как не­скомпенсированные антиферромагнетики. Свое название эти материа­лы получили от ферритов — первых нескомпенсированных антифер­ромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образует­ся при температурах ниже точки Кюри. К. ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В от­личие от ферромагнетиков они имеют меньшую величину индук­ции насыщения, более сложную температурную зависимость индук­ции и в ряде случаев высокое значение удельного сопротивления (ρ= 10^─3 —10¹⁰ Ом•м).

Ф ерромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также вза­имной ориентацией спиновых магнитных моментов (см. гл. 14.2.1). В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентиро­ваны антипараллельно и обменное взаи­модействие происходит не непосредствен­но, а через ион кислорода О^2─ (рис. 14.3). Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно по мере приближения промежуточного угла к 180° усиливается

29. Природа ферромагнетизма. Обменное взаимодействие. Магнитная анизотропия.

Природа ферромагнетизма

Согласно принципу Паули, в каждом квантовом состоянии могут находиться два электрона с противоположными спинами. У таких электронов результирующая спиновых магнитных моментов равна нулю, и их называют спаренными или обобществленными электрона­ми. В атомах диамагнетиков все электроны спарены, поэтому их ре­зультирующий спиновой магнитный момент равен нулю. В атомах ферро-, антиферро-, ферри- и парамагнетиков имеются один или несколько неспаренных электронов, поэтому они обладают магнит­ным моментом, который обусловлен нескомпенсированным спи­новым магнитным моментом неспаренных электронов (или иначе спиновым магнитным моментом атома).

Таким образом, наличие в атомах электронов с нескомпенсирован­ным спиновым магнитным моментом является важным условием для возникновения ферромагнетизма, но не единственным.

Известно (см. гл. 1.4), что ковалентная связь между двумя сосед­ними атомами (ионами) в атомных кристаллах осуществляется в результате попарного обобществления их электронов, т.е. когда электронные пары становятся общими для этих двух атомов. Обоб­ществление электронов сопровождается перераспределением элек­тронной плотности и изменением энергии системы. Электронное облако «втягивается» в пространство между ядрами соседних ато­мов, и плотность его в межъядерном пространстве повышается (см. рис. 1.2).