3. Магнитных явления у ферромагнетиков.
3.1 Природа ферромагнетизма
Согласно принципу Паули в каждом квантовом состоянии могут находиться два электрона с противоположными спинами. У таких электронов результирующая спиновых магнитных моментов равна нулю, и их называют спаренными или обобществленными электронами, В атомах диамагнетиков все электроны спарены, поэтому их результирующий спиновой магнитный момент равен нулю. В атомах ферро, антиферро, ферри и парамагнетиков имеются один или несколько неспаренных электронов. Поэтому они обладают магнитным моментом, который обусловлен нескомпенсированным спиновым магнитным моментом не спаренных электронов. Для краткости его называют спиновым магнитным моментом атома. Например, в атомах ферромагнетиков количество неспаренных электронов равно: у железа 4, кобальта 3 и никеля 2, и их спиновые магнитные моменты расположены параллельно друг к другу. В атомах антиферромагнетиков количество не спаренных электронов равно: у марганца 5, у хрома 4, и их спиновые магнитные моменты ориентированы антипараллельно. В атомах парамагнетиков таких как ванадий неспаренных электронов 3, а у титана 2, и их спиновые магнитные моменты ориентированы хаотично. Таким образом, наличие в атомах электронов с нескомпенсированных спиновых магнитных моментов является важным условием для возникновения ферромагнетизма, но не единственным.
Известно, что ковалентная связь между двумя соседними атомами (ионами) в атомных кристаллах осуществляется в результате попарного обобществления их электронов, т.е. когда электронные пары становятся общими для этих двух атомов. Обобществление электронов сопровождается перераспределением электронной плотности и изменением энергии системы. Электронное облако "втягивается" в пространство между ядрами соседних атомов и плотность его в межъядерном пространстве повышается. Образовавшееся в межъядерном пространстве электронное облако повышенной плотности, как бы стягивает ядра, стремясь максимально их сблизить. Энергию связи, которая возникает в результате попарного обобществления электронов, называют обменной, так как считают, что она образовалась в результате якобы обмена электронами между соседними атомами. В действительности энергия обменной связи является электростатической энергией обменного взаимодействия электронной оболочки повышенной плотности с ядрами, между которыми она образовалась. Обменное взаимодействие имеет квантовую природу, и рассмотрение его с точки зрения классической механики весьма затруднительно.
Силы, под действием которых спиновые магнитные моменты атомов (ионов) ориентируются друг относительно друга параллельно или антипараллельно, возникают в результате обменного взаимодействия. Когда атомы ферромагнетика образуют кристаллическую решётку, то их валентные электроны обобществляются, а волновые функции электронов внутренних недостроенных оболочек соседних атомов перекрываются, т.е. возникает обменное взаимодействие электронов внутренних недостроенных оболочек. В результате изменяется энергия системы, и спиновые магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (ферромагнетик) или антипараллельно (антиферромагнетик) друг относительно друга. Приближенно энергию обменного взаимодействия WОБМ можно представить следующим выражением:
WОБМ =-А(S1,S2), (3.1)
где А - обменный интеграл; S1,S2 - результирующие спиновые магнитные моменты взаимодействующих атомов.
Обменный интеграл А служит мерой энергии обменного взаимодействия. Он может быть как положительным, так и отрицательным. Это зависит от отношения а/d, где а - расстояние между атомами (постоянная кристаллической решётки),d -диаметр недостроенной электронной оболочки, образующей не скомпенсированный спиновый магнитный момент атома. Если отношение а/d меньше 1,5, то обменный интеграл А имеет отрицательное значение, и спиновым магнитным моментам атомов энергетически выгодно ориентироваться антипараллельно. Если а/d> 1,5, то обменный интеграл имеет положительное значение. В этом случае энергетически выгодно будет параллельная ориентация спиновых магнитных моментов атомов друг относительно друга.
В результате возникнет самопроизвольная (спонтанная) намагниченность и образуются домены, которые намагничены до насыщения. Зависимость А(a/d), приведенная на рис. 3.1, иллюстрирует, что у ферромагнетиков ( -Fе, Со, Ni, Gd) обменный интеграл А положительный, так как отношение a/d больше 1,5,а у неферромагнетиков ( -Fе, Мn, Сг) А отрицательный, так как отношение a/d меньшее 1,5. В некоторых случаях, путём внедрения чужеродного атома в кристаллическую решётку неферромагнитного материала, можно увеличить постоянную решётки а и соответственно отношение а/d, станет больше 1,5, в результате возникнет ферромагнетизм.
Рис. 3.1. Зависимость обменного интеграла А от отношения постоянной решетки а к диаметру d внутренней недостроенной электронной оболочки (a/d).
Например, если в металлический марганец ввести небольшое количество азота, то его постоянная решетки а увеличится, и отношение а/d станет больше 1,5, обменный интеграл А примет положительное значение и марганец проявит ферромагнетизм, Ферромагнетиками являются некоторые сплавы марганца (например, сплавы Гейслера - сплавы системы Мn-Сu-Аl, состоящие из неферромагнитных металлов и некоторые его химические соединения (например, МnSb, МnВi), в которых атомы Мn находятся на расстояниях, больших, чем в чистом марганце.
Таким образом, ферромагнетизм обусловлен одновременным наличием в материале следующих основных факторов: 1) нескомпенсированного спинового магнитного момента в атомах (ионах), обусловленного неспаренными электронами внутренней недостроенной электронной оболочки; 2) обменного взаимодействия электронов внутренней недостроенной оболочки, которое имеет место, когда отношение постоянной решетки а к диаметру внутренней недостроенной электронной оболочки a/d, участвующей в обменном взаимодействии, больше 1,5.
Явление ферромагнетизма имеет место не только в кристаллических материалах, но и в аморфных. В настоящее время известно большое количество металлов и сплавов, которые в аморфном состоянии обладают свойствами ферро- и ферримагнетиков. Отсюда следует, что для возникновения ферро- и ферримагнетизма необходимо наличие лишь ближнего порядка в расположении атомов (ионов).