Министерство общего и профессионального образования
Российской Федерации

Московский Энергетический Институт

(Технический Университет)

В.П. Чепарин, А.П. Черкасов

Утверждено
учебным управлением МЭИ
в качестве учебного пособия
для студентов

УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по курсу

Полупроводниковые ферромагнетики

МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ЭЛЕМЕНТЫ

(издание второе, исправленное и дополненное)

Редактор Ю.В. Зайцев

Москва

2002

538

Ч 42

УДК 537.566(075.9)

Магнитные материалы и их свойства. Чепарин В.П., Черкасов А.П. /Под ред. Ю.В. Зайцева. М.: Изд-во МЭИ, 2000. - 86 с.

Излагаются основные теоретические положения физики магнитных явлений, основное внимание уделяется влиянию кристаллического и магнитного полей на парамагнитный ион в кристалле.

Подробно рассмотрены типы магнитного упорядочения, природа прямого и косвенного обменных взаимодействий, кристаллическая структура оксидных ферримагнитных кристаллов, а также приведены характеристики наиболее перспективных материалов.

Показано, что магнитные материалы могут применяться в приборах гиромагнитной техники, в устройствах хранения и обработки информации и т.д.

Предназначено для студентов старших курсов ИЭТ.

Рецензенты: канд. техн. наук доц. А.П. Гусев

© Московский энергетический институт, 2000 г.

ВВЕДЕНИЕ

В учебном пособии изложен материал курса «Магнитные материалы и элементы», который относится к дисциплинам специализации учебного плана подготовки инженеров по специальности 20.02.

Целью изучения дисциплины является формирование знаний в области физики твердого тела, рассматривающей физику процессов, протекающих в магнитных материалах в магнитном поле, и их зависимости от строения вещества.

Задачей изучения дисциплины является освоение студентами механизмов ферромагнитных явлений, взаимосвязей кристаллической структуры с магнитными свойствами вещества, овладения методами расчета физических параметров материалов, знакомство со статистическими и СВЧ - магнитными свойствами, оптической прозрачности ферритов, а также методами их получения.

Магнитные материалы нашли широкое применение во многих областях науки и техники: микроэлектронике, радиотехнике, вычислительной технике, кроме того, магнитные материалы являются удобным объектом для исследования свойств вещества.

На основе открытий в физике магнитных явлений созданы устройства, обладающие уникальными свойствами. Так, например, в последние годы получило развитие новое направление в области создания магнитных средств для ЭВМ на основе использования цилиндрических доменных структур (ЦМД), которые возникают в тонких магнитных пленках. ЦМД являются носителями информации, обеспечивают ее запись, хранение и переработку с достаточно высоким быстродействием. ГМР

Ферритовые материалы часто служат основой для создания СВЧ – радиоаппаратуры.

В учебном пособии представлено описание физики магнетизма микрочастиц, сложных атомов. Рассмотрены явления диамагнетизма и парамагнетизма, влияние кристаллического поля на энергетическое состояние парамагнитных ионов.

Большое внимание уделяется коллективным магнитным явлениям – ферромагнетизму, антиферромагнетизму и ферримагнетизму. На основе квантовой механики рассматриваются явления прямого и косвенного обмена. Заключительная часть учебного пособия посвящена свойствам ферритов с различной кристаллической структурой. Ограниченный объем учебного пособия не позволяет осветить подробно многие привлекательные вопросы физики и строения магнитных материалов, для более углубленного изучения которых следует обратиться к рекомендуемой литературе.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ И ПАРАМЕТРЫ
МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент. Для характеристики намагничивания вещества вводятся величины: В – магнитная индукция, Н – напряженность магнитного поля, М- намагниченность,  - магнитная восприимчивость,  - магнитная проницаемость, Ф – магнитный поток. Единицей магнитной индукции В в системе СИ является тесла (Тл), единицей напряженности магнитного поля Н является ампер на метр (А/м), в таких же единицах выражается намагниченность М. Магнитный поток выражается в веберах (Вб). Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля соотношением

,

(1.1)

где - восприимчивость вещества, являющаяся безразмерной величиной.

Магнитная индукция в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей

,

(1.2)

где _О =410^-7 Гн/м- магнитная постоянная.

Объединяя (1.1) и (1.2), получим

,

(1.3)

где  =+1 или  =В/_ОН - относительная магнитная проницаемость (в дальнейшем для краткости магнитная проницаемость).

В соответствии с магнитными свойствами все материалы делятся на следующие группы:

Диамагнитные (диамагнетики), парамагнитные (парамагнетики), ферромагнитные (ферромагнетики), антиферромагнитные (антиферромагнетики), ферримагнитные (ферримагнетики).

Диамагнетизм является универсальным свойством вещества и наблюдается во всех веществах. Диамагнетизм связан с тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков <0 (отрицательная) и по абсолютному значению очень мала; она не зависит ни от температуры, ни от напряженности магнитного поля.

К диамагнитным веществам относятся инертные газы, водород, медь, цинк, свинец и др. (вещества, состоящие из атомов с полностью заполненными электронными оболочками).

Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с не полностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко, так что взаимодействие между ними отсутствует. Поэтому внешне парамагнетики проявляют себя в магнитном поле, под действием которого магнитные моменты атомов ориентируются в направлении поля и усиливают его.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение от 10^-5 до 10^-2 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры.

Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (незаполненные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодной в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм) либо антипараллельная (антиферромагнетизм).

В результате действия обменных сил параллельная ориентация магнитных моментов атомов ферромагнитного вещества происходит в определенных областях, называемых доменами. В пределах домена материал в отсутствии внешнего магнитного поля намагничен до насыщения благодаря обменному взаимодействию отдельных атомов. Это взаимодействие действует только до определенной критической температуры, которая называется температурой Кюри. Выше температуры Кюри домены разрушаются, и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Ферромагнитные вещества легко намагничиваются в слабых магнитных полях. Магнитная проницаемость и магнитная восприимчивость ферромагнетиков велики (до 10⁶) и сильно зависят от температуры и напряженности магнитного поля. Не так давно необходимым условием существования ферромагнетизма считалось наличие кристаллической решетки, в настоящее время, однако, известны аморфные ферромагнетики.

Антиферромагнетиками называют материалы, в которых в результате обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация их магнитных моментов. Так как магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются, антиферромагнетики не обладают магнитным моментом, а характеризуются магнитной восприимчивостью, которая по своей величине близка к восприимчивости парамагнетиков. Выше некоторой критической температуры, которая получила название температуры Нееля (аналогичная температуре Кюри), магнитоупорядоченное состояние антиферромагнетика разрушается, и он переходит в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относят вещества, в которых обменное взаимодействие осуществляется не непосредственно между магнитоактивными атомами, как в случае ферромагнетизма, а через немагнитный ион кислорода. Такое взаимодействие называют косвенным обменным или сверхобменным. Это взаимодействие в большинстве случаев, в ферримагнитных веществах приводит к антипараллельной ориентации магнитных моментов соседних ионов (т.е. антиферромагнитному упорядочению). Однако количество ионов с магнитными моментами, ориентированными условно вверх и вниз, а также величины их моментов, могут быть неодинаковы. Поэтому магнитные моменты ионов не полностью компенсируются, и ферримагнитные вещества обладают магнитным моментом и доменной структурой, которая исчезает выше температуры Кюри.

Диа-, пара-, антиферромагнитные вещества относятся к слабомагнитным; ферро- и ферримагнитные вещества являются сильномагнитными.

В качестве магнитных материалов применение в технике находят ферромагнитные и ферримагнитные вещества.

2. Магнитные свойства твердых тел

2.1. Магнетизм микрочастиц

2.1.1. Орбитальный магнитный момент электрона

Известно, что источниками магнетизма являются магнитные моменты электронов и ядер атомов. Однако магнитный момент ядра по величине примерно в 1000 раз меньше момента электрона. Это дает основание утверждать, что магнитные свойства вещества определяются электронами, которые имеют два момента: спиновый и орбитальный. Магнитные моменты возникает при спиновом и орбитальном движении и определяют в основном магнитные свойства магнитных материалов и процессы, происходящие в них под действием внешнего магнитного поля. Для понимания поведения материалов во внешних магнитных полях необходимо прежде всего знать величины магнитных моментов самих электронов и суммарных магнитных моментов электронных оболочек атомов и ионов.

Рассмотрим орбитальное движение электронов. Ограничиваясь классическим рассмотрением движения электрона по эллиптической орбите, можно представить, что оно эквивалентно электрическому току по замкнутой траектории, в результате чего возникает магнитный момент, величина которого определяется произведением силы тока на площадь орбиты:

.

(2.1)

Рис. 2.1. Эллиптическая орбита электрона

Если обозначить период вращения электрона через , то сила тока определяется по формуле

,

(2.2)

где е - заряд электрона.