Магнитные материалы

1. Классификация веществ по магнитным свойствам

Магнитными называются материалы, которые способны накапливать и хранить магнитную энергию.

Магнетизм атома порождается тремя причинами:

1) наличием у электрона спинового магнитного момента (который связан с соответствующим механическим моментом электрона);

2) орбитальным движением электрона в атоме (создающим орбитальный магнитный момент), то есть наличием магнитного момента пространственного движения электронного облака вокруг ядра;

3) магнитный момент атомного ядра, который создается спиновыми моментами протонов и нейтронов и составляет менее 0,001 от (1), поэтому считают, что элементарными носителями моментов в веществах являются электроны.

Так как магнитные моменты заполненных оболочек = 0, а внешние валентные электроны обобществляются в металле, то магнитные моменты спинов электронов существенны лишь в атомах, имеющих «недостроенные» внутренние электронные оболочки, т.е. в атомах переходных элементов.

Из квантовой теории следует, что результирующий орбитальный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбитах.

Так как магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а внешние валентные электроны обобществляются в металле, то магнитные моменты спинов электронов существенны лишь в атомах, имеющих «недостроенные» внутренние электронные оболочки, т.е. в атомах переходных элементов.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные-спиновые моменты атомов. Единица измерения атомных магнитных моментов - магнетон Бора (В): В = qh/2m = 9.27·10-24 Дж/Тл, h = h/2, где h = 6,6210-34 Джс - постоянная Планка; q = 1,610-19 Кл - заряд электрона; m = 9,110-31 кг - масса электрона).

В первом приближении магнитный момент атомов определяется алгебраической суммой спиновых магнитных моментов электронов незаполненной оболочки. (Так, в незаполненном 3d-слое железа вместо 10 имеются только 6 электронов, спины 5 из них параллельны друг другу, а одного - антипараллельно. При этом, результирующий магнитный момент атома Fe должен быть равен 4В. В действительности магнитный момент атома железа равен 2,218В. Разница обусловлена нарушением ориентации спинов при переходе в твердое состояние, связанным с межатомным взаимодействием и перекрытием электронных уровней атомов).

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле, то, взаимодействуя с полем, вещество будет намагничиваться.

Основные магнитные величины:

- Намагниченность М, А/м: , где - магнитная восприимчивость; - направление магнитного поля А/м (если магнитное поле создается соленоидом длиной l м, с числом витков N, током I, А, то H = NI/l, A/м).

- Магнитная индукция В, Тл, характеризующая суммарное поле внутри материала:

(0 - магнитная постоянная = 4·10-7 Гн/м, характеризующая магнитную проницаемость вакуума; - относительная магнитная проницаемость вещества, показывающая, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума; а = 0 - абсолютная магнитная проницаемость, Гн/м).

Все вещества по магнитным свойствам делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики и различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости, а также по характеру ее зависимости от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетики - вещества с взаимно скомпенсированными орбитальными и спиновыми магнитными моментами, -10-5, 0,99999 и не зависит от напряженности магнитного поля. Такие вещества выталкиваются из неоднородного магнитного поля (это водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений и ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Hg, Pb, B, Ga, Sb, и такие вещества как графит, стекло и др.).

Вещества, атомы которых имеют постоянные магнитные моменты, могут быть парамагнитными, антиферромагнитными или ферримагнитными в зависимости от характера взаимодействия между магнитными моментами атомов.

Парамагнетики - вещества со слабым взаимодействием между постоянными магнитными моментами атомов (элементарными магнитными диполями), которые располагаются статистически равновероятно (при обычных температурах) и суммарный магнитный момент равен 0.

При обычных температурах во внешнем магнитном поле такие вещества намагничиваются мало 10-5 - 10-2, 1,001, не зависит от напряженности магнитного поля. С ростом температуры при постоянной возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и намагниченность убывает.

Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость = f(T) (магнитной восприимчивости) характеризуется законом Кюри (установлен экспериментально в 1895 г.)

= С/Т.

(С - постоянная Кюри, Т - температура, К).

Для переходных парамагнитных металлов, у которых взаимодействием диполей пренебречь нельзя, справедлив более общий закон Кюри-Вейсса

= С/(Т - ),

( - постоянная Вейсса 0 и различна для различных материалов).

Зависимость M = f(H) (намагниченности) для диа- и парамагнетиков при несильных полях и при обычных и высоких температурах имеет вид, приведенный на рис. 1.

Рис. 1

Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (когда все элементарные магнитные моменты выстроятся параллельно внешнему магнитному полю) требуется при комнатной температуре поле напряженностью 1011 А/м, а при Т = 1 К это 3·105 А/м. Можно более экономично использовать для этого оптическую накачку (намагничивание потоком квантов света).

К парамагнетикам относятся: кислород, окись азота, соли железа, кобальт и никель, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pd и др.

Ферромагнетики - вещества, в которых взаимодействие магнитных моментов атомов приводит к их параллельной ориентации.

Это в основном кристаллические материалы, у которых велико (до n10000 - n106) и нелинейно зависит от Т и . Они сильно намагничиваются даже в слабых полях при нормальной температуре. При Т > Tк (точка Кюри) для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (ТкFe = 1043 К, никеля - 631 К, кобальт - 1404 К), рис. 2.

Рис. 2

Этим веществам характерно наличие гистерезиса - значение индукции В не однозначно определяется величиной магнитного поля Н, и зависит от предшествующего состояния образца.

Гистерезис обусловлен необратимостью процессов намагничивания, что приводит к рассеянию энергии и снижению качества тех намагничивающих устройств, где ферромагниты используются как сердечники (магнитопроводы).

Ферромагнитными свойствами обладают лишь три из восьми элементов группы железа (Fe, Co, Ni), и 6 из 14 лантаноидов (Gd, Tb, Dy, Ho, Er и Tu).

Для объяснения ферромагнитных свойств твердых тел (изучались русским физиком Форингом и французским физиком Вейсе) предполагают, что спонтанная намагниченность обусловлена внутренним молекулярным полем, а внешне такая намагниченность не проявляется потому, что тело разбивается на отдельные макроскопические области - домены, в каждом из которых магнитные моменты атомов располагаются параллельно друг другу, т.е. каждый домен находится в состоянии технического насыщения. Направления магнитных моментов всех доменов равновероятны, внутри образца образуются замкнутые магнитные цепочки, и результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю.

В 1931 году советский ученый Н.С. Акулов (независимо от него Биттер) разработал метод, позволяющий наблюдать границы доменов. Метод состоит в том, что отполированную электролитическим способом (для снятия с поверхности наклепа, искажающего картину доменной структуры) поверхность размагниченного образца покрывают коллоидным раствором тонкого ферромагнитного порошка и наблюдают под микроскопом образующие при этом фигуры (Акулова-Биттерс), являющиеся границами доменов.

Линейные размеры доменов составляют микрометры, иногда десятки микрометров, магнитный момент домена около 1015 магнитных моментов отдельного атома.

На основе квантомеханических представлений Я.И. Френкель и независимо от него В.Гейзенберг установили, что атомный ферромагнитный порядок возникает благодаря электростатической энергии взаимодействия между микрочастицами (протонами, электронами), не имеющей аналога в классической физике.

Энергия электростатического взаимодействия между электронами зависит от взаимной ориентации спинов. Разница в энергии двух электронов в системах с и (антипараллельными) спинами называется обменной энергией, которая является квантовой добавкой к обычному кулоновскому взаимодействию. Энергия обменного взаимодействия пропорциональна интегралу обменной энергии А, знак и величина которого зависит от отношения расстояния между атомами а (параметра решетки) к диаметру незаполненных электронных оболочек d, участвующих в образовании обменной связи.

Из рис. 3 видно, что Fe, Co, Ni, у которых a/d > 1,5 имеют A> 0, необходимое для возникновения самопроизвольной намагниченности. При А < 0 энергетически выгоднее расположение спинов у соседних атомов, поэтому Mn, Cr (с А < 0) не обладают ферромагнитными свойствами.

Рис. 3

Антиферромагнетики - вещества с антипараллельной ориентацией магнитных моментов атомов (рис. 4).

Интеграл обменной энергии антиферромагнетиков А < 0 и здесь энергетически выгодно расположение соседних спинов и имеет место взаимная компенсация магнитных моментов атомов. Этим веществам характерна специфическая зависимость магнитной восприимчивости.

При Т = 0 К магнитные моменты подрешеток компенсируют друг друга и результирующий магнитный момент равен 0. С повышением температуры -ое расположение спинов постепенно нарушается и магнитная восприимчивость возрастает, достигая максимума в точке ТН (Л. Нееля - французский физик), в которой упорядоченное расположение спинов полностью нарушается и антиферромагнетик становится парамагнетиком с зависимостью (Т) идущей по закону Кюри-Вейсса.

Рис. 4

Порядок 10-5 - 10-3. Это такие редкоземельные металлы - Ce, Pr, Nd, Sm, Eu, а также Cr и Mn; многие окислы, хлориды, фториды, сульфиды, карбонаты переходных элементов на основе марганца (MnO, MnCl2, MnF2, MnS2 и др.) и на основе Fe, Co, Ni, Cr и др.

Ферримагнетики - (нескомпенсированные антиферромагнетики) - вещества с антипараллельной ориентацией магнитных моментов атомов различной величины, в результате чего результирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты - соединения, которые могут иметь различную структуру кристаллической решетки (типа шпинели, граната, каменной соли, гексагональную и др.). Ферриты со структурой типа шпинели представляют собой соединения окиси железа Fe2O3 с окислами др. металлов (структурная формула MeO·Fe2O3, где Me - двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Co, Cu, Cd, Mg и др.). Применяются однокомпонентные ферриты, в которых ионы двухвалентного металла одинаковы, а также двух- и многокомпонентные.

По значению удельного электрического сопротивления ферриты относятся к классу полупроводников и даже диэлектриков (это оксиды, а не металлы - как металлические ферромагнетики). Поэтому вихревые токи здесь, при воздействии переменных магнитных полей, очень малы и такие материалы применяются на частотах до сотен МГц (а металлические магнитные материалы до нескольких десятков КГц).

Ферримагнетики (рис. 5) отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависимость М(Т). Упрощенно это можно объяснить наличием в структуре сложного материала двух или более подрешеток, создающих встречные нескомпенсированные магнитные моменты.

а б

Рис. 5

Для ферримагнетика с двумя подрешетками результирующая величина намагниченности насыщения Ms может быть получена путем сложения величин намагниченности насыщения первой и второй подрешеток - MS1 и MS2. Если соотношения ординат кривых MS1 и MS2 такие, как дано на рис. 5, а, тогда при некоторой Т ниже точки Нееля ТН получится компенсация и результирующая намагниченность насыщения равна нулю (это точка компенсации ферримагнетика).

За этой точкой спонтанная намагниченность в образце меняет знак и затем в точке ТН - исчезает. В зависимости от вида ферримагнетика точка компенсации может быть, а может и отсутствовать (см. рис. 5, б).

Из этих рис. 5 ясно, почему имеют пониженную величину намагниченности, а следовательно и индукции насыщения ферримагнетики.

Содержание