Вводные замечания. Основные типы магнитного состояния вещества

 

Основные типы магнитного состояния вещества. Все вещества в приро­де считаются магнетиками, так как они обладают определенными магнитными свойствами и соответствующим образом взаимодействуют с внешним магнитным полем. В течение длительного времени магнетики классифицировали по внешним признакам, прежде всего по их магнитной восприимчивости k_m = J / Н, где J – намаг­ниченность (векторная сумма магнитных моментов атомов, находящихся в единице объема материала); Н – напряженность магнитного по­ля.

В зависимости от значения J характера ее зависимости от Н и температуры выделили следующие основные типы магнетиков (магнитных явлений): диамагнетики (диамагнетизм), парамагнетики (парамагнетизм), ферромагнетики (фер­ромагнетизм). Позже в самостоятельные группы выделили еще две группы материалов: антиферромагнетики (антиферромагнетизм) и ферримагнетики (ферримагнетизм). Однако при этом формальный классификационный признак k_m оказывается несостоятельным. Дело в том, что магнитные свойства вещества, представляющего собой сложную динамическую систему атомов, состоящую из большого числа ядер и электронов, определяются внутри- и межатомными взаи­модействиями элементарных носителей магнетизма: частиц, диполей, квадруполей и т. д. Только изучение видов связей и значений энергии взаимодействий ме­жду микроносителями магнетизма позволяет объяснить различные типы магнит­ного состояния вещества.

Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего маг­нитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнит­ный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Следовательно, диамагнитная восприимчивость отрицательна; по значению она весьма мала (k_m <<10^–5) и в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности поля. Диамагнетизм существует во всех веществах, независимо от структуры их атомов и видов связи, т. е. в жидком, твердом и газообразном состояниях. Однако в «чистом виде» он проявляется только в тех веществах (диамагнетиках), в кото­рых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов. Для веществ, в которых собственный суммарный магнит­ный момент атомных образований не равен нулю, на диамагнетизм накладывает­ся значительно больший его по значению некомпенсированный момент электро­нов. В этом случае наблюдаются другие типы магнитного состояния, подавляю­щие диамагнетизм.

Парамагнитный эффект возникает в веществах с наличием некомпенси­рованных магнитных моментов и отсутствием магнитного атомного порядка. Это проявляется в том, что в отсутствие внешнего поля векторы магнитных моментов под действием тепловой энергии располагаются равновероятно, в результате чего магнитный момент парамагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля возникает направление преимущественной ориентации магнитных моментов, совпадающее с направлением поля, т. е. появляется положительная намагничен­ность (k_m > 0). Для большинства парамагнетиков k_m сильно зависит от температуры.

Ферромагнитный эффект состоит в том, что при температуре не выше точки Кюри (особой для каждого ферромагнетика) даже в отсутствие внешнего магнитного поля энергетически выгодно существование ферромагнитного атомного порядка. Этому порядку соответствует параллельное расположение спинов. Следовательно, даже в отсутствие внешнего магнитного поля ферромаг­нетик находится в состоянии технического насыщения (самопроизвольного или спонтанного намагничивания). Магнитная восприимчивость у ферромагнетиков имеет очень большое положительное значение и существенно зависит от напря­женности магнитного поля и температуры.

Антиферромагнитный эффект характеризуется наличием антиферромаг­нитного атомного порядка, заключающегося в том, что в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты одинаковых соседних атомов или ионов вследствие взаимодействия ориентированы антипараллельно, так что результи­рующий магнитный момент равен нулю. При воздействии внешнего поля маг­нитные моменты стремятся установиться вдоль него, и антиферромагнетик обла­дает малой положительной k_m, значение которой зависит от температуры.

Ферримагнитный эффект представляет собой нескомпенсированный ан­тиферромагнетизм (ферримагнитный атомный порядок).

При температуре выше точки Кюри у ферромагнетиков и точки Нееля у ан­тиферромагнетиков и ферримагнетиков атомный магнитный порядок разрушает­ся, и вещества переходят в парамагнитное состояние.

Диамагнетики и парамагнетики иногда объединяют под названием слабо­магнитных веществ, не обладающих атомным магнитным порядком, а ферро­магнетики и ферримагнетики — под названием сильномагнитных веществ, обла­дающих атомным магнитным порядком; для антиферромагнетиков характерен атомный магнитный порядок, но количественно этот эффект весьма мал.

К сильномагнитным веществам относятся не только чистые ферромагнит­ные элементы, но и ряд металлических сплавов, твердых растворов, полупроводниковых и диэлектрических соединений. Магнитный по­рядок в этих разнообразных типах веществ обусловлен наличием в их химиче­ском составе компонентов из числа переходных элементов и обменным взаимо­действием между элементарными носителями магнетизма, энергия которого пре­вышает среднюю энергию теплового движения. Типы обменных взаимодействий и механизм их действия зависят от строения вещества, параметров его микро­структуры, природы химической связи. Так, для металлов и их сплавов, у кото­рых магнитный момент обусловлен не полностью застроенным третьим слоем электронной оболочки, имеет место прямое обменное взаимодействие за счет пе­рекрытия электронов, принадлежащих соседним атомам в решетке, поскольку расстояние между атомами в данной решетке мало. В веществах, атомы которых расположены на значительном расстоянии друг от друга, прямое обменное взаи­модействие мало и возникают различные виды косвенных взаимодействий. На­пример, у редкоземельных металлов имеет место косвенный обмен через элек­троны проводимости. Для ряда кристаллических химических соединений, у кото­рых магнитоактивные носители атомных магнитных моментов разделены между собой магнитонейтральными ионами, осуществляется косвенное обменное взаи­модействие между магнитными ионами через возбужденные немагнитные про­межуточные ионы.

Для электротехники особое место среди магнитных материалов занимают ферромагнетики, они используются для производства трансформаторов, дроссе­лей, постоянных магнитов.

Общие сведения о ферромаг нетизме. К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При отно­сительно низких температурах ферромагнитами являются некоторые редкозе­мельные элементы (гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий и тулий).

Все ферромагнетики характеризуются:

– кристаллическим строением;

– большим положительным значением магнитной восприимчивости (магнитной проницаемости), а также существенной и нелинейной ее зависимостью от напряженности поля и температуры;

– способностью намагничиваться до насыщения при обычных темпера­турах даже в слабых полях;

– гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от пред­шествующего магнитного состояния («магнитной предыстории»);

– точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет фер­ромагнитные свойства.