F_06_magn (Лекции (Ляхова))

10

Магнитные свойства вещества.

Магнитные свойства материала определяются структурой материала и, в особенности,

1 - спином электрона – направлением его вращения вокруг собственной оси (спиновые свойства). (Класс устройств, характеристики которых зависят от спина и величины магнитного момента, называют спиновой электроникой или спинтроникой.)

2 - параметрами дрейфа носителей заряда (токовые свойства).

Внешнее магнитное поле с напряженностью Н_о:

1 - вызывает прецессию электрона,

2 - вызывает намагниченность образца J_m = _м Н₀ (аналогично поляризации диэлектрика),

3 - расщепляет уровень свободного атома на подуровни с различными магнитными квантовыми числами.

Рис. Электроны «спин - вверх» и «спин - вниз».

Магнитные моменты.

Магнитные свойства определяются магнитными моментами, возникающими при вращении электронов вокруг собственной оси (спиновый момент m_s) и вокруг ядра (орбитальный момент m_l ). Магнитные моменты протонов и нейтронов (ядра) малы по сравнению с параметрами электрона.

Спиновые магнитные моменты спаренных электронов компенсируют друг друга ( Be, C, Mg,...). Постоянным магнитным моментом обладают атомы, у которых

- на внешней орбите находится нечетное число электронов ( H, K, Na, Ag,..),

- есть распаренные электроны ( О ).

Единицей измерения атомных магнитных моментов является магнетон Бора _в

_в = q_е h / ( 2 m_e ) = 9.27 10^-24 Дж/Тл,

где q_е - заряд электрона, m_е - масса электрона, Тл - тесла - единица измерения индукции.

Теоретически спиновый магнитный момент у атома железа мог бы составлять 5 _в, однако, часть электронов покидает атом при образовании кристаллической структуры, поэтому результирующий спиновый магнитный момент атома меньше.

Орбитальный магнитный момент m_орб создан движущимся вокруг ядра электроном (т.е. током) и направлен перпендикулярно плоскости орбиты в соответствии с правилом буравчика. Результирующий атомный орбитальный магнитный момент m_ат зависит от расположения электронных орбит и магнитного квантового числа m.

Результирующий атомный магнитный момент - вектор суммы отдельных спиновых и орбитальных моментов - не равен 0 в отсутствие симметрии структуры. Это постоянный магнитный момент атома М_ат.

Результирующий магнитный момент образца М_обр складывается из векторов атомных магнитных моментов. Большая величина М_ат обусловливает тенденцию к их взаимному ориентированию в пределах нанокластера, домена или в образце в целом и, в результате, не только к большому М_обр , но и к появлению дополнительной энергии обменного взаимодействия. В отсутствие внешнего магнитного поля, Н_о = 0, тепловое движение мешает упорядочиванию магнитных моментов. Двух - трех атомов железа недостаточно для формирования устойчивого нанокластера, так как результирующая намагниченность может быть меньше тепловой энергии. Т.о. формируется критерий минимальной энергии образования магнитного нанокластера. С учетом влияния поверхности раздела, дефектов и анизотропии структуры минимальный размер кластера однородного намагничивания составляет 1 нм для нормальной температуры. Максимальная величина кластера определяется по критерию минимума энергии.

Магнитные нанокластеры широко встречаются в природе. Они помогают живым организмам (от бактерий до китов) ориентироваться в пространстве по магнитным силовым линиям Земли (чувствительность к изменению напряженности магнитного поля порядка 0,1%). Даже в микроорганизмах имеются «магнитосомы». Существенно, что в биоорганизмах создаются шестигранные кристаллы магнетита без дефектов - в отличие от неживой природы, где магнетит формируется при высоких температуре, давлении и при наличии дефектов.

Прецессия электрона.

Если ось орбитального вращения электрона не совпадает с направлением вектора Н_о, появляется дополнительное движение – вращение орбиты электрона (I_орб) вокруг направления вектора Н_о - прецессия. Угловая частота прецессии (частота Лармора):

_L = (q_e / 2 m_e ) _o H_o .

Прецессия происходит под углом  к оси (угол прецессии)

H_o

I_орб



m

Рис. Схема прецессии электрона во внешнем магнитном поле.

Дополнительное движение электрона вызывает дополнительный ток и, следовательно, индуцирует магнитный момент m , направленный противоположно вектору Н_о. В итоге результирующее магнитное поле Н и магнитная индукция В становятся меньше. Этот эффект называется диамагнетизмом. Он имеет место в любом веществе, но проявляется там, где отсутствуют другие, более сильные магнитные эффекты.

Степени намагниченности.

Результирующая магнитная индукция В включает внешнее поле В_о и внутреннее поле В_i. Последнее зависит от наличия постоянного магнитного момента вещества:

В = В_o + В_i , B_о = _о H_о , В_i = _o J_m = _о _м H_o ,

где _м - магнитная восприимчивость (характеризует способность вещества намагничиваться), J_m - намагниченность,

В = _о ( 1 + _м ) Н_о = _о  Н_о ,

где  - относительная магнитная проницаемость вещества (  = 1 + _м ).

Разнообразие структур вещества приводит к разнообразию магнитных свойств. Вещества с _м < 0 и  < 1 называются диамагнетиками. Вещества с _м > 0 называют парамагнетиками , если  > 1 , и ферромагнетиками, если  >> 1 .

Д иамагнетик Н₀

Парамагнетик

Ферромагнетик

Антиферромагнетик

Ферримагнетик

Рис. Схематическое изображение постоянных магнитных моментов атомов различных видов магнетиков.

К диамагнетикам относятся вещества с заполненными электронными оболочками: инертные газы, некоторые полупроводники и металлы.

Диамагнетики при нормальной температуре ослабляют внешнее магнитное поле. Это, наряду с затратой энергии на переориентации элементов вещества, эквивалентно рассеиванию энергии на магнитном сопротивлении R_м .

R_м = Σ_i=1....n ( l_i / ( _o _i S_i )),

г де l - длина тракта (части детали), S - площадь поперечного сечения. Для сложного магнитного тракта, в том числе из пара- и ферромагнетиков, расчет сопротивления производится по правилам Кирхгоффа.

Рис. Жидкий кислород проявляет свои хотя и слабые, но магнитные (парамагнитные) свойства в поле постоянного магнита.

В человеческом организме формируется множество магнитных моментов, поэтому у человека есть свой результирующий магнитный момент, называемый иногда «магнитным весом». У разных людей «магнитные веса» различаются меньше, чем физические. Это используется для создания устройств контроля доступа. С помощью колец Гельмгольца в ограниченном пространстве с двумя дверями создается магнитное поле напряженностью 10^-7 – 10^-8 Тл. Система автоматического открывания дверей, ориентируясь на «магнитный вес» одного человека, разрешает доступ. При большем «магнитном весе» - доступ закрывается.

Эффект Мейснера.

Идеальным диамагнетиком является сверхпроводник – в нем внутреннее магнитное поле равно нулю. Это явление известно как эффект Мейснера.

сопротивления возникнет сильный вихревой ток I_вихр . Он является причиной возникновения вихревого магнитного поля Н _вихр, направленного против внешнего поля Н_о. В свою очередь, поле Н_вихр создает индуцированный ток I_инд, направленный против вихревого тока I_вихр . В результате магнитные поля Н_о и Н_вихр, а также токи I_вихр и I_инд будут взаимно скомпенсированы (амплитуды токов практически равны из-за отсутствия сопротивления). Поле Н будет сосредоточено в тонком приповерхностном (скин) слое толщиной d, где протекает поверхностный ток

I_пов = H_o / d.

(Глубина, на которой плотность тока уменьшается в е раз, называется скин-слоем.

Толщина скин-слоя d: __________

d =  (   (    ) ,

где  - круговая частота,  - относительная магнитная проницаемость.)