Магнитные материалы

k_m= -(10^-6 - 10^-7),

<1

k_m - слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения А₃В₅, А₂В₆, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.

Парамагнетики - вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамгнетиков

k_m>0,

>1

k_m парамагнетиков в большинстве случаев меньше зависит от температуры. При комнатной температуре k_m = 10^-6 - 10^-3.

Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другие.

Ферромагнетики - вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. k_m ферромагнетиков (также как и ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы - гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo₅, где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr).

Антиферромагнетики - характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков k_m=10^-3-10^-5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).

Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO, NiO.

Ферримагнетики - вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты MnO*Fe₂O₃, BaO*6Fe₂O₃, (NiO*ZnO)Fe₂O₃, Li₂O*Fe₂O₃ и другие.

Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным  материалам, остальные группы к слабомагнитным веществам.

Аморфные  магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем - бором, углеродом, кремнием или фосфором.

Спиновые  магнитные стекла. Это сильномагнитные вещества с ферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результате косвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости и с антиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные немагнитные атомы. Такими структурами могут быть также проводящие сплавы с малым содержанием переходных элементов.

Природа ферромагнетизма

Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков  связано с их доменным строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствие внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.

Атомы или ионы приобретают магнитный момент, как  правило, если они имеют нескомпенсированные  спины электронов. Например в атомах железа на внутренней 3d-оболочке имеется четыре нескомпенсированных спина. Так как самопроизвольная намагниченность относится к внутриатомным явлениям, то ее природа может быть установлена только на основе квантово-механических понятий.

По Я.И.Френкелю и В.Гейзенбергу главную роль в возникновении ферромагнитного  состояния играют силы обменного взаимодействия между атомами, имеющие квантовый характер и по происхождению являющиеся электростатическими.

Энергию А, возникающую в результате обмена электронами родственных атомов, называют обменной энергией или интегралом обменной энергии. При положительном интеграле обменной энергии А (см.рис.), что соответствует минимуму электростатической энергии, возникает параллельная ориентация спинов. При отрицательном знаке А (см.рис.) энергетически выгодно антипараллельное расположение спинов. Численное значение и знак интеграла А зависит от степени перекрытия электронных оболочек, то есть зависит от расстояния между атомами.

Хотя  максимум обменного взаимодействия в металлах носит более сложный  характер, чем это следует из теории Френкеля-Гейзенберга, данная теория позволяет  качественно объяснить причину  самопроизвольной намагниченности, то есть критерием ферромагнетизма является существование незаполненных внутренних электронных оболочек, радиус которых должен быть мал по сравнению с расстоянием между ядрами в решетке.

Доменная  структура 

На рисунке  показана идеализированная доменная структура кристаллического ферромагнетика.  

 
 

Намагничивание  магнитных материалов (кривая намагничивания)

Если образец  был размагничен, то зависимость индукции от напряженности внешнего магнитного поля называется кривой намагничивания. В процессе намагничивания образца основную роль играют два процесса - смещение доменных границ и вращение векторов намагниченности доменов. Посмотрите, как происходит процесс намагничивания и изменения доменной структуры.

Магнитный гистерезис

Магнитный гистерезис вызывается необратимыми процессами намагничивания. Ход кривой намагничивания на рисунке  показан стрелкой. К основным параметрам петли гистерезиса относятся:

 

Структура ферромагнетиков

Энергию естественной кристаллографической магнитной анизотропии - Е_к характеризуют константами кристаллографической магнитной анизотропии. Для кубического кристалла

E_K= K_o + K₁ ^. (

₁^{2 .} ₂² + ₂^{2 .} ₃² + ₃^{2 .} ₁²) + K₂^. ₁^{2 .} ₂^{2 .} ₃²

где K_o, K₁,K₂ - константы кристаллографической магнитной анизотропии;

a ₁ , ₂ , ₃ - направляющие косинусы вектора намагниченности по отношению к осям x,y,z ребер куба.

Магнитострикционная деформация

Это обратимое изменение формы и размеров образца при переходе ферромагнетика через точку Кюри при отсутствии внешнего поля (самопроизвольная магнитострикция) и при воздействии внешнего поля на ферромагнетик при Т<Т_к.

Сумму энергий  кристаллографической магнитной анизотропии  и магнитоупругой в результате магнитострикции  называют энергией магнитной анизотропии.

Магнитная проницаемость 

В технике используется несколько десятков видов магнитной  проницаемости в зависимости  от конкретных применений магнитного материала. Абсолютнаяпроницаемость _a=B/H, относительная проницаемость =(1/ _o) ^. (B/H). Зависимость =F(H) показана на рисунке. Начальная и максимальная проницаемости являются частными случаями нормальной проницаемости (слово "нормальная"принято опускать)

_нач= ; _макс= .

При одновременном  воздействии на магнитный материал постоянного Н_o и переменного Н_~ магнитных полей и, обычно, при условии Н_~<<Н_o вводят понятиедифференциальной проницаемости _диф

_диф=

Зависимость. =F(T). Характер этой зависимости различен в слабых, средних и сильных полях. Для _нач при T несколько ниже T_K наблюдается четко выраженный максимум, сглаживающийся при увеличении напряженности поля (см. рисунок).