Классификация веществ по магнитным свойствам

Собственные магнитные поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, определяют широкий спектр магнитных свойств. По реакции на внешнее поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения вещества делятся на группы слабомагнитных (диа-, пара-, антиферромагнетики) и сильномагнитных (ферро- и ферримагнетики) веществ.

Диамагнетики – вещества с очень малой отрицательной магнитной восприимчивостью –10^-6, которая не зависит от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент диамагнетика равен нулю. В атомах (ионах) диамагнетиков все электроны спарены. Спины таких электронов направлены противоположно и скомпенсированы, их суммаpный магнитный момент pавен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля электронные орбиты прецессируют. Сила тока в замкнутом контуре изменяется, возникает магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. Внутри диамагнетика магнитное поле ослабляется. Индуцированный (диамагнитный) магнитный момент исчезает при снятии внешнего поля.

К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), некоторые металлы (Сu, Be, Аg, Аu, Zn, Pb, Нg), большинство полупроводников (Si, Ge, соединения типа А₃В₅ и А₂В₆), диэлектрики (полимеры, стекло). Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью, сверхпроводники.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от напряженности внешнего магнитного поля и слабо изменяется с температурой: диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния.

Диамагнетики намагничиваются против направления поля (рис. 11.1), для них выполняется неравенство . Отличие магнитной проницаемости от единицы очень мало (за исключением сверхпроводников). Внешнее проявление диамагнетизма – выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики – вещества с очень малой положительной магнитной восприимчивостью 10^-2–10^-5. Парамагнетизм обусловлен неспаренными электронами. При отсутствии поля атомы в парамагнетиках обладают элементарным магнитным моментом. Вследствие теплового движения атомов магнитные моменты распределены хаотично, намагниченность вещества в целом равна нулю (рис. 11.2, а).

В магнитном поле спины выстраиваются по направлению внешнего магнитного поля, внутри парамагнетика магнитное поле усиливается. С ростом напряженности намагниченность и магнитная индукция парамагнетика растут (см. рис. 11.1). Порядок в расположении спинов нарушается хаотическим тепловым движением. Для большинства парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости в слабых полях и при высоких температурах подчиняется закону Кюри-Вейсса:

,

где С – постоянная для данного вещества; q – поправка Вейсса, связанная с появлением ферромагнетизма или антиферромагнетизма. Чем ниже температура, тем выше c.

Парамагнетики намагничиваются вдоль направления поля, для них выполняется неравенство . При комнатной температуре магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Внешнее проявление – втягивание парамагнетиков в неоднородное магнитное поле.

К парамагнетикам относятся: атомы и молекулы с нечетным числом электронов (кислород, окись азота, атомы щелочных и щелочноземельных металлов); некоторые переходные металлы и их сплавы, имеющие недостроенные внутренние подуровни; соли железа, никеля, кобальта и редкоземельных элементов; дефекты кристаллической решетки с нечетным числом электронов (вакансии и дивакансии в кремнии и т. д.). В металлах дополнительный вклад в парамагнетизм, который не зависит от температуры, вносят электроны проводимости. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах выше температуры Кюри или Нееля (температур фазового перехода в парамагнитное состояние).

Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (χ ~ 10⁶), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Эти вещества имеют самопроизвольную (спонтанную) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Ферромагнетизм связан с образованием макроскопических областей – магнитных доменов, спины в которых ориентированы параллельно друг другу и направлены одинаково (см. рис. 11.2, б).

Однодоменное состояние энергетически невыгодно – на концах ферромагнетика магнитные полюса создают внешнее магнитное поле, которое обладает определенной потенциальной энергией. Более выгодна многодоменная структура. Направления магнитных моментов в отдельных доменах различны – магнитный поток замыкается внутри ферромагнетика, за его пределами магнитное поле равно нулю. Кристаллы малых размеров могут состоять из одного домена. Деление на множество доменов энергетически невыгодно. Для образования доменной границы необходимо совершить работу против обменных сил, которые стремятся вызвать параллельную ориентацию спиновых моментов, и сил магнитной кристаллографической анизотропии (см. ниже). Размер доменов составляет от 0,001 до 10 мм³. Переходный слой, разделяющий два домена, намагниченные в противоположных направлениях, называют «стенкой Блоха». Толщина слоя – десятки-сотни атомных расстояний (в железе – около 100 нм). У чистых веществ размеры доменов больше. Существование доменов доказано экспериментально. На полированной поверхности ферромагнетика насыпанный ферромагнитный порошок образует узоры на границах отдельных доменов – фигуры Акулова - Биттера.

Ферромагнитные свойства имеют: 3 d - (Fе, Со, Ni) и 4 f -металлы (Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm), а также многие их сплавы и соединения. Редкоземельные элементы проявляют ферромагнитные свойства при пониженных температурах. Особенности ферромагнетиков: способность намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях (см. рис. 11.1); точка Кюри – температура, выше которой ферромагнетик переходит в парамагнетик (см. табл. 11.1).

Таблица 11.1

Некоторые свойства ферромагнетиков

Антиферромагнетики – вещества с небольшой положительной магнитной восприимчивостью (χ = 10^-3–10^-5), которая зависит от температуры. Ниже некоторой температуры (точки Нееля) спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки (см. рис. 11.2, в). При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

К антиферромагнетикам относятся: кристаллы хрома, марганца (a-Mn), редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Eu); многие соединения (оксиды, сульфиды Fe, Ni, Mn), сплавы (Fe₃Mn, CrPt) и аморфные вещества, содержащие атомы переходных элементов. Кристаллическая решетка этих веществ разбивается на две или более магнитные подрешетки, в которых векторы спонтанной намагниченности антипараллельны, либо направлены под углом друг к другу. Суммарная намагниченность кристалла при отсутствии внешнего поля равна нулю.

Ферримагнетики – вещества с высокой магнитной восприимчивостью, которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферримагнетизм обусловлен нескомпенсированным антиферромагнетизмом. В ферримагнетиках имеются магнитные ионы разной или одной химической природы, но разной валентности (например, Fe²⁺ и Fe³⁺ в магнетите FeO × Fe₂O₃), либо ионы одной химической природы и валентности, количество которых в магнитных подрешетках – разное.

При отсутствии внешнего поля магнитные моменты подрешеток ориентированы антипараллельно, они не одинаковы, т. е. не скомпенсированы (см. рис. 11.2, г), суммарный магнитный момент не равен нулю.

К ферримагнетикам относятся в основном оксидные соединения с решетками типа шпинели, граната, перовскита и др. Наибольший практический интерес представляют ферриты – двойные окислы металлов типа МеО × Fe₂O₃: где O – ион кислорода О^2–, Mе – двухвалентный металл – Mg²⁺, Zn²⁺, Cu²⁺, Ni²⁺, Fe²⁺, Mn²⁺ и др.