Магнитные свойства

Магнитные свойства

Все вещества в природе являются магнетиками, т.е. обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют с внешним магнитным полем. Магнитные свойства вещества зависят от магнитных свойств изолированных элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп.

Магнитные свойства атома в основном определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал. Так, магнитный момент атомного ядра приблизительно в тысячу раз меньше магнитного момента электронной оболочки атома. Магнитный момент электрона возникает вследствие движения электрона по орбите (орбитальный момент) и наличия у него спина (спиновый момент). Магнитный момент многоэлектронного атома представляет собой сумму магнитных моментов всех электронов, включая как орбитальные моменты, так и спиновые. Каждый электрон вносит в полный магнитный момент атома независимый векторный вклад.

В соответствии с современными представлениями о магнетизме различают следующие основные типы магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм (нескомпенсированный антиферромагнетизм). Вещества, в которых проявляются эти явления, соответственно называют: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Схематическое расположение моментов электронов атомов разных по магнитным свойствам веществ иллюстрируется рис. 1.3.

К основным магнитным величинам относятся: намагниченность М, А/м, М = k, где k – магнитная восприимчивость,  – напряженность магнитного поля, А/м.  Магнитная  индукция  В,  Тл,  характеризует  суммарное  магнитное поле внутри материала:

                     ,                         (1.6)

где m₀ – магнитная постоянная, численно равная 4p'10^-7 Гн/м, характеризующая магнитную проницаемость вакуума; m – относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума (величина безразмерная); m_а = m₀m – абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м.

Рис. 1.3. Схематическое расположение спинов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных (г) веществах. Диамагнетикам свойственна полная взаимная компенсация магнитных моментов атомов

Вектор напряженности магнитного поля является характеристикой источников магнитного поля, т.е. определяется тем, в каком количестве и каким образом движутся в пространстве электрические заряды. – вектор магнитной индукции, аналог вектора напряженности электрического поля  служит характеристикой силовых воздействий магнитного поля на движущиеся электрические заряды. Эти силы определяются не только вектором , но и магнитными свойствами среды (m). Вектор  направлен по касательной к соответствующей силовой линии магнитного поля.

Рекомендуемые материалы

Отдельные классы магнетиков различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости, а также по характеру зависимости магнитных характеристик от температуры и напряженности магнитного поля.

Диамагнетиками называют вещества, в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Физическая природа диамагнетизма основана на классическом представлении об атоме как системе электронов, движущихся вокруг ядра по определенным замкнутым траекториям-орбитам с некоторой угловой скоростью.

Если на атом накладывается медленно меняющееся магнитное поле, то эта угловая скорость меняется, а радиус орбиты остается неизменным. Изменение угловой скорости приводит к возникновению магнитного момента  величиной

                                      ,                                          (1.7)

где e – заряд электрона; m – его масса, r – радиус электронной орбиты, – напряженность магнитного поля, приложенного перпендикулярно к плоскости орбиты. Атомная магнитная восприимчивость k, рассчитанная по(1.6), (1.7), имеет порядок  k – (10^-6 - 10^-5), т.е. соответствует величине, измеряемой экспериментально для диамагнитных твердых тел, и не зависит от температуры [5]. Магнитная проницаемость диамагнетиков m _ 0,99999 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Изменение угловой скорости электрона, связанное с наложением магнитного поля, всегда обусловливает отрицательную восприимчивость. Атом с циркулирующим в нем электроном ведет себя подобно индуктивности, в которой в соответствии с правилом Ленца возникла э.д.с. противоположного знака. Таким образом, во всем объеме твердого тела возникают индуцированные внешним магнитным полем незатухающие микроскопические вихревые токи, обусловленные прецессией электронных орбит. Направление индуцированных магнитных моментов всегда противоположно направлению внешнего магнитного поля, поэтому диамагнетики отличаются тем, что выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Диамагнетизм является результатом прецессии всех электронов атомов и молекул, поэтому присущ всем веществам, но проявляется только в том случае, если не перекрывается более сильными пара- и ферромагнетизмом.

Одной из причин преобладающего диамагнетизма ряда металлов являются большое число электронных орбит в атомах и большие радиусы этих орбит.

К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Mg, Pb, B, Ga, Sb, а также графит, стекло и др. [1].

Диамагнетизм не имеет простого практического применения. К числу наиболее интересных диамагнетиков относятся сверхпроводники. Они обладают бесконечно большой диамагнитной восприимчивостью – свойством, которое чрезвычайно полезно при конструировании сверхпроводящих магнитов [5].

Парамагнетиками называются вещества, в которых взаимодействие между постоянными магнитными моментами атомов – элементарными магнитными диполями – мало, в результате чего при обычных температурах под действием теплового движения молекул магнитные моменты атомов располагаются статистически равновероятно относительно любого направления и суммарный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление расположения элементарных магнитных моментов, т.е. тело оказывается намагниченным, однако при обычных полях и температурах намагниченность парамагнетиков очень мала. Магнитная восприимчивость их положительна и имеет значение k ~ 10^-5 - 10^-2, относительная магнитная проницаемость m _ 1,001.

Проявлением парамагнетизма является независимая ориентация магнитных моментов атомов и ионов под действием внешнего магнитного поля. Так как моменты ориентируются в направлении поля и тем самым увеличивают его, восприимчивость k больше нуля.

Парамагнетизм характеризуется двумя независимыми факторами. Один из них – температурная зависимость суммарной намагниченности всего образца, другой – природа самих магнитных моментов атомов.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость магнитной восприимчивости характеризуется законом Кюри, установленным экспериментально в 1895 г.:

                    k = С/Т,                                                (1.8)

где С – постоянная Кюри, Т – температура, К.

Для переходных парамагнитных металлов, у которых взаимодействием между элементарными носителями магнетизма (молекулярным полем) пренебречь нельзя, справедлив более общий закон Кюри–Вейсса:

                  k = С/(Т - D),                                            (1.9)

где D – постоянная Вейсса, различная для разных веществ (может быть и больше, и меньше нуля).

На рис. 1.4,а показана зависимость намагниченности М(Н) для диа- и парамагнетиков при слабых полях и при обычных или высоких температурах [2]. В обоих случаях значение М пропорционально Н, что свидетельствует о независимости k от Н. Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (рис. 1.4,б), т.е. до состояния, когда все элементарные магнитные моменты будут параллельны внешнему полю, требуется при комнатной температуре поле напряженностью примерно 10¹¹ А/м, а при Т = 1 К – 3'10⁵ А/м [1]. Однако в последние годы выяснилось, что в парамагнетиках можно создать высокую намагниченность, не прибегая к сильным магнитным полям, а используя поток квантов света (оптическую накачку).

С повышением температуры при неизменной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность убывает. Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Поскольку все заполненные оболочки имеют нулевой полный момент количества движения, они обладают также нулевым полным магнитным моментом. В частности, атомы или ионы, обладающие только заполненными оболочками, не имеют постоянных магнитных моментов и, следовательно, не могут быть парамагнитными. Никаких исключений из этого правила не обнаружено [5]. Инертные газы He, Ar, Kr и т.д. и такие ионы, как Na⁺ и Сl^-, диамагнитны. Диамагнитны также и многие газы, такие как Н₂ и др., поскольку все электроны в их молекулах спарены. Свободные атомы других веществ обнаруживают парамагнетизм, если у них имеются неспаренные спины или нескомпенсированный момент количества движения.

Рис. 1.4. Зависимость намагниченности М от напряженности магнитного поля Н: а – для диамагнетиков (1) и парамагнетиков (2); б – для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pb и др. [1].

Парамагнетизм в атомах или ионах не существует в одиночку: одновременно с ним всегда имеют место и диамагнитные свойства. Поскольку оба эти эффекта противоположны друг другу по знаку, суммарные магнитные свойства материала определяются наибольшим из них. У большинства материалов величина парамагнитной восприимчивости значительно больше диамагнитной, т.е. парамагнетизм обычно преобладает над диамагнетизмом.

Парамагнитные вещества используются в качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях и генераторах.

Ферромагнетиками называют вещества, характеризующиеся намагничиванием недостроенных внутренних оболочек атомов, поскольку магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а внешние валентные электроны металла обобществлены. Такими элементами являются переходные металлы группы железа, имеющие недостроенную 3d-оболочку, и редкоземельные элементы с недостроенной 4f-оболочкой. Наличие магнитного момента у атомов обусловлено только нескомпенсированными спиновыми магнитными моментами, поскольку орбитальные магнитные моменты весьма малы. Для ферромагнетиков в отсутствие внешнего поля энергетически выгодным является параллельное расположение магнитных моментов соседних атомов внутри домена.

При помещении ферромагнитного материала в магнитное поле одновременно происходят процессы ориентации магнитных моментов доменов и смещение их границ (изменение объема). В слабом поле преобладает процесс обратимого смещения границ, т.е. рост объема доменов, у которых магнитный момент, направленный вдоль оси легкого намагничивания, составляет наименьший угол с направлением внешнего поля. При усилении поля процесс идет более интенсивно и приобретает необратимый характер, кривая намагничивания В(Н) становится круче (рис. 1.5). При дальнейшем увеличении напряженности поля осуществляется процесс вращения вектора намагниченности в направлении внешнего поля и магнитное состояние материала достигает технического насыщения.

В переменных магнитных полях магнитное состояние образца периодически повторяется и его магнитная индукция зависит от величины намагничивающего поля, направления и частоты его изменения. Форма петли гистерезиса при неизменной частоте зависит от предельных значений напряженности поля. Семейство таких симметричных петель изображено на рис. 1.5. Сплошная кривая, проходящая по вершинам петель, называется нормальной или основной кривой индукции.

Рис. 1.5. Основная кривая намагничивания и семейство гистерезисных
циклов

Причинами гистерезиса являются необратимые смещения границ доменов, необратимые процессы вращения и задержка роста зародышей перемагничивания, под которыми понимают небольшие объемы с самопроизвольной намагниченностью обратного направления по отношению к основной ориентации намагниченности образца. Ферромагнетики характеризуются большими положительными значениями k и m (до сотен тысяч и миллионов), а также сложной нелинейной зависимостью этих параметров от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 1.6,а).

Рис. 1.6. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля (а) и температуры (б)

При температурах выше точки Кюри Т_к, определенной для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 1.6,б) вследствие того, что хаотическое тепловое движение атомов нарушает параллельную ориентацию их магнитных моментов и, следовательно, доменное строение ферромагнетика. Точка Кюри чистого железа составляет 768 °С, никеля – 631 °С, кобальта – 1404 °С [1].

Антиферромагнетики – это вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, поэтому имеет место их взаимная компенсация. Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков мала и составляет k _10^-5 - 10^-3. В слабых полях k (и m) практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в сильных является сложной функцией напряженности поля. В некоторой степени свойства антиферромагнетиков схожи со свойствами парамагнетиков. Пара- и антиферроманитные вещества объединяют положительная магнитная восприимчивость и компенсация магнитных моментов атомов. Различие заключается в том, что спиновые моменты парамагнетиков ориентированы хаотически, а антиферромагнетиков – параллельно друг другу.

По мере повышения температуры от 0 К k растет, достигая максимума при температуре, называемой точкой Нееля, и далее начинает уменьшаться, подчиняясь на этом участке закону Кюри–Вейсса.

К антиферромагнетикам относятся редкоземельные металлы – Ce, Pr, Nd, Sm и Eu, а также Cr и Mn; многие окислы, хлориды, сульфиды, карбонаты переходных элементов, например на основе марганца: MnO, MnCl₂, MnF₂, MnS₂ и др., аналогично на основе Fe, Co, Ni, Cr и др. [1].

Рекомендуем посмотреть лекцию "Лекция 7".

Ферримагнетиками (или нескомпенсированными антиферромагнетиками) называют вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу, однако величины этих магнитных моментов имеют различные значения, благодаря чему результирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты, представляющие собой магнитную керамику, состоящую из смеси окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов. Структурная формула ферритов MeO'Fe₂O₃, где Me – двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Cd, Mg и др.) Многие свойства ферримагнетиков качественно аналогичны свойствам ферромагнетиков, однако имеются и существенные различия.

Например, ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависимость основных магнитных параметров.

Преимущества ферритов при работе в ВЧ- и СВЧ-диапазонах обусловлены тем, что их удельное электрическое сопротивление в 10⁶ - 10¹¹ раз превышает удельное сопротивление металлических ферромагнетиков, так как они являются оксидными материалами, а не металлами. По значению удельного электрического сопротивления r они относятся к классу полупроводников или диэлектриков. Вследствие этого вихревые токи (и соответствующая мощность магнитных потерь) в ферритах очень малы и они применяются в качестве магнитного материала при частотах до сотен мегагерц, тогда как металлические магнитные материалы применяются при частотах до нескольких десятков мегагерц.

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость ферримагнетиков ниже, чем у ферромагнетиков, и достигают значений нескольких десятков тысяч.

Диа-, пара- и антиферромагнетики объединяются в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных (см. рис. 1.2).