 |
Намагниченность и магнитная восприимчивость
|
|
|
|
Одной из основных характеристик любого магнетика является намагниченность 
, представляющая собой магнитный момент единицы объема вещества:
(3)
Намагниченность возрастает с увеличением напряженности магнитного поля:
, (4)
где c – магнитная восприимчивость. Для изотропных веществ c и m – скаляры. Для анизотропных веществ направления векторов 
и 
могут не совпадать. В этом случае m является тензором.
Магнитная индукция, создаваемая в присутствии вещества, описывается соотношением:
, (5)
т.е. складывается из векторов напряженности внешнего магнитного поля и намагниченности вещества. С учетом (2) получаем:
c = m – 1. (6)
Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью, которые ослабляют магнитное поле, называются диамагнетиками. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью, усиливающие магнитное поле, называют парамагнетиками. Поведение пара- и диамагнетиков в магнитном поле показано на рис. 1.
Существует большая группа веществ, обладающих спонтанной намагниченностью, т.е. имеющих не равную нулю намагниченность даже в отсутствие магнитного поля. Такие магнетики называются ферромагнетиками. Ферромагнетики относятся к магнитоупорядоченным веществам. К группе магнитоупорядоченных веществ относятся также антиферромагнетики и ферримагнетики. Основные классы магнитных веществ в зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости приведены в табл.1.
а б
Рис. 1. Поведение веществ в магнитном поле:
а – парамагнетики; б – диамагнетики
Таблица 1
Классификация магнетиков
| Свойство | Знак c | 
| c = c(H) | 
| Причина магнетизма |
| Диамагнетизм | - | 
| Нет | Н2О: –0,72×10–6; Bi: – 14×10–6 |  Прецессия спаренных электронов
|
| Парамагнетизм | + | 
| » | O2: 0,15×10–6; W: 14×10–6 |  Собственный магнитный момент неспаренного электрона
|
| Ферромагнетизм | + | 
| Есть | Fe: < 650; Sm1-xPrxCo5: < 8000 |  Кооперативное выстраивание спинов неспаренных электронов
|
| Антиферро-магнетизм | + | 
| » | MnO: < 10-2 |  Антипараллельное выстраивание спинов неспаренных электронов двух подсистем
|
| Ферримагнетизм | + | 
| » | BaFeO4: < 60 |  Антипараллельное
выстраивание спинов неспаренных электронов двух разных подсистем
|
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 некомпенсированный 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. Ферромагнетизм – особое свойство системы электростатически взаимодействующих электронов. При сильном электростатическом взаимодействии энергетически выгодным оказывается состояние с параллельной ориентацией спинов, т. е. намагниченное состояние. И это несмотря на то, что в соответствии с принципом Паули электроны с параллельными спинами не могут занять один энергетический уровень. То есть при перевороте спина электрон вынужден занять уровень с большей энергией. Объяснение этому явлению дает квантовая механика: 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
|
|
|
, (7)
где A – обменный интеграл; 
и 
– единичные векторы спинов.
Если A > 0, то минимуму энергии соответствует 
– параллельная ориентация спинов. При A < 0 минимум энергии наблюдается при 
– антипараллельная ориентация.
Из вышесказанного можно сформулировать 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.
Ферримагнетики
Некомпенсированный антиферромагнетизм называется ферримагнетизмом. В ферримагнетиках имеются магнитные ионы двух или более типов разной химической природы или одной природы, но разной валентности (например, Fe2+ и Fe3+ в магнетите FeO ×Fe2O3) 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 (MgAl2O4), граната, перовскита и др. (так называемых ферритах – двойных окислах металлов MO × Fe2O3, где M – двухвалентный металл: Mg2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Fe2+, Mn2+ и др.). Эти вещества по электрическим свойствам, как правило, являются полупроводниками или диэлектриками, а по магнитным свойствам похожи на ферромагнетики (высокая магнитная проницаемость, большая намагниченность насыщения и т.д., с некоторыми отличиями зависимостей H s(T), c(T)). Именно это качество позволило использовать ферриты в технике сверхвысоких частот. Обычные ферромагнитные материалы, обладающие высокой проводимостью, здесь применяться не могут из-за очень высоких потерь на образование вихревых токов.
|
|
|
2.2. Свойства ферромагнитных материалов
Ферромагнетики широко используются в электротехнических приборах и оборудовании (магнитопроводы генераторов, сердечники трансформаторов, постоянные магниты и др.). Следует учитывать, что такие магнитные характеристики, как намагниченность насыщения, коэффициент магнитострикции, константа анизотропии, температура Кюри, зависят только от химического состава. Остаточная намагниченность, коэрцитивная сила, площадь петли гистерезиса, магнитная проницаемость и другие величины – это структурочувствительные параметры, они могут изменяться в широких пределах (сотни и тысячи раз) при помощи различных обработок материала (термической, термомагнитной, механической и др.).
|
|
|
