5. МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

5.1. Классификация материалов по магнитным свойствам

Материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются.

Намагниченность - магнитный момент единицы объема вещества. Она связана с напряженностью внешнего магнитного поля соотношением

где Iм - намагниченность материала, А/м; Н - напряженность внешнего магнитного поля, А/м; Км - магнитная восприимчивость, характеризующая способность материала намагничиваться.

Под действием внешнего магнитного поля в материале возникает собственное поле, которое параллельно или антипараллельно внешнему. Результирующее магнитное поле в материале равно алгебраической сумме внешнего и собственного магнитных полей.

где В - магнитная индукция в материале, Тл; Во - магнитная индукция внешнего магнитного поля (в вакууме), Тл; Вi - магнитная индукция собственного поля в материале, Тл; μо - магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума) в системе СИ, μо = 4π.10-7 Гн/м; μ - относительная магнитная проницаемость материала. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в материале больше, чем в вакууме:

Первопричиной магнитных свойств материалов являются электронные круговые токи, создаваемые вращением электронов вокруг собственных осей (электронные спины).

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного порядка (магнитной восприимчивости) все вещества в

142

природе делятся на: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики обладают малой магнитной восприимчивостью Км = - (10-6...10-7). Диамагнетизм свойственен веществам, у которых собственный магнитный момент атомов равен нулю, т.е. спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы. К диамагнетикам относятся: инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и др.), ряд металлов (медь, серебро, золото, ртуть, цинк, галлий и др.), большинство полупроводников (германий, кремний, соединения АIIIВV, АIIВVI, неорганические стекла и др. Диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля, μ чуть меньше единицы.

Парамагнетики имеют Км = 10-3...10-6. К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные и редкоземельные металлы и др.

Атомы парамагнетиков обладают элементарным магнитным моментом, но из-за теплового движения они хаотичны, так что в целом намагниченность вещества равна нулю. Внешнее магнитное поле вызывает ориентацию магнитных моментов в одном направлении, но тепловая энергия противодействует упорядоченности. Магнитная проницаемость близка к единице.

Парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, слабо втягиваются в него.

Ферромагнетики имеют большую положительную магнитную восприимчивость Км - до 106, которая сильно зависит от намагничивающей напряженности и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Ферромагнетики способны намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях. К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, некоторые редкоземельные металлы и химические соединения.

Антиферромагнетики - это вещества с антипараллельной ориентацией элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для них характерна малая положительная магнитная восприимчивость Км = 10-3...10-5 , которая

143

сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик при некоторой температуре (точка Нееля) переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся хром, марганец, ряд редкоземельных металлов (Се, Nd, Sm и др.), химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов и т.д. У антиферромагнетиков суммарная намагниченность при отсутствии внешнего магнитного поля равна нулю.

Ферримагнетики - это вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. К ферримагнетикам относятся различные оксидные соединения, в том числе ферриты.

К сильномагнитным материалам относятся:

•ферромагнетики (железо, кобальт, никель и сплавы на их основе);

•ферримагнетики (ферриты).

Они используются в качестве основных магнитных материалов.

5.2. Природа ферромагнетизма

Магнитные свойства ферромагнитных материалов обусловлены особенностями электронного строения атомов и их обменным взаимодействием. Ферромагнитные материалы относятся к группе переходных металлов, атомы которых имеют недостроенные внутренние электронные оболочки, в результате чего возникает нескомпенсированный магнитный момент атома. В частности, у главных ферромагнетиков - железа, кобальта, никеля не достроены внутренние 3d- оболочки.

Согласно теории ферромагнетизма (Я.Френкель, В.Гейзенберг), решающую роль в спонтанной намагниченности играют силы обменного взаимодействия. На рис. 41 изображены два атома с ковалентной связью. Векторы схематично показывают силы электростатического взаимодействия между электронами и ядрами.

144