4.5. Электрические свойства магнитных материалов

Магнитные свойства магнитных материалов связаны с их электрическими свойствами, поскольку элементарные носители магнетизма — электроны — обладают как магнитным моментом, так и электрическим зарядом. Наряду с общими для всех твердых тел электрическими свойствами магнитные материалы обладают целым рядом специфических электрических свойств, зависящих от самопроизвольной намагниченности. К числу таких свойств относятся электрическое сопротивление в магнитном поле, эффект Холла и термоэлектрические свойства. Электрическое сопротивление металлов обусловлено различными видами рассеяния электронов проводимости. В случае металлов, не обладающих самопроизвольной намагниченностью, электроны проводимости рассеиваются квазичастицами тепловых возбуждений — фононами и дефектами кристаллической решетки. В первом приближении их удельное электрическое сопротивление складывается из двух компонентов:

(4.15)

где r₀- остаточное сопротивление, обусловленное рассеиванием электронов на дефектах кристаллической решётки (вакансий, дислокаций и др.; r_Ф сопротивление электронов на фононах.

Согласно квантовой механической теории твёрдых тел электроны при своём движении в идеальном кристалле не испытывают сопротивления, т.е. все металлы должны иметь нулевое сопротивление. Причина конечного значения электрического сопротивления - отклонения от идеального периодического размещения атомов кристалла, обусловленные их тепловым движением, присутствием примесных атомов, вакансий, дислокаций и т.п. Предельно низкое значение электрического сопротивления, достигаемое при охлаждении металла является мерой дефектности его кристаллической решетки.

При низких температурах для тщательно очищенных и отожженных монокристаллических металлов остаточное сопротивление в 10⁴—10⁵ раз меньше, чем при комнатной температуре. При большой концентрации примесей (а также в сплавах) рассеяние электронов проводимости столь велико, что их электропроводность слабо зависит от температуры даже при значительном нагревании.

Удельное электрическое сопротивление металлических магнитных материалов, т. е. металлов с самопроизвольной намагниченностью, существенно зависит от вида примесного элемента и от направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости. В магнитных материалах возникают дополнительные эффекты рассеяния электронов проводимости на спиновых неоднородностях и локальных магнитных моментах.

Удельное электрическое сопротивление металлических магнитных материалов, т. е. металлов с самопроизвольной намагниченностью, существенно зависит от вида примесного элемента и от направления намагниченности по отношению к направлению движения электронов проводимости.

В магнитных материалах возникают дополнительные эффекты рассеяния электронов проводимости на спиновых неоднородностях и локальных магнитных моментах.

В чистых монокристаллических образцах металлов имеет место значительная анизотропия электросопротивления. Так, например, в монокристаллах кобальта при комнатной температуре r_c =10,3 мкОм см, r_p=5,5 мкОм см, где r_c –электросопротивление вдоль оси С, r_P – в плоскости, перпендикулярной направлению этой оси.

Для никеля и кобальта и железа удельное электрическое сопротивление можно выразить общей формулой

, (4.16)

где А=9,5 10^-12 Ом см К^-2 для никеля, А=16 10^-12 Ом см К^-2для кобальта, А=15 10^-12 Ом см К^-2 для железа.

У чистых ферромагнитных металлов существует внутреннее магнитное сопротивление, которое не пропорционально концентрации включений. Этот эффект связан с самопроизвольной намагниченностью. Для размагниченного поликристаллического железа отношение  (300 К)/ (4,2 К) составляет около 300. Доменные границы являются слишком тонкими, чтобы вызывать рассеяние электронов. Значительно большее рассеяние возникает из-за действия силы Лоренца.

В сплавах металлов рассеяние электронов намного больше, электросопротивление существенно зависит от вида металлов, составляющих сплав, или от вида примеси и меняется от сотых долей до 500%. Это связано с различием электронных структур металлов (см. Приложения 5,6).

Эффект Холла очень чувствителен к примесности магнитных материалов. Так, например, для никелевых сплавов аномальное сопротивление Холла может изменяться на порядок и даже менять знак. Коэффициент Холла R_S в чистом железе и сплавах железа с кремнием при изменении температуры и концентрации может изменяться на три порядка.

Термоэлектродвижущая сила для металла без самопроизвольной намагниченности, например для палладия, при изменении температуры изменяется монотонно, а для ферромагнитных металлов имеет сложный характер. Температурная зависимость термо - э. д. с. чувствительна к изменению химического состава.