7.1.2 Магнитные материалы

Необходимо отметить, что кроме ферромагнетиков существуют другие магнитные тела, которые в магнитном поле ведут себя иначе. Они отличаются друг от друга результирующим магнитным моментом, равным сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов.

Тела, атомы которых обладают постоянным магнитным моментом могут быть парамагнитными, ферромагнитными, антиферромагнитными и ферримагнитными. Если взаимодействие между магнитными моментами будет

близко к нулю, то тело будет парамагнитным (рис.7.8а), если моменты выстроятся параллельно друг другу, то тело является ферромагным (рис.7.8б), если соседние моменты стремятся выстроиться антипараллельно (рис.7.8в), то тело будет антиферромагнитным, ну а если же моменты антипараллельны но их величины неодинаковы (рис.7.8г), то тело является ферримагнетиком.

Рис. 7. 8 Схема расположения магнитных моментов веществ

7.2. Парамагнетизм

Парамагнетизм (от греческого рага - рядом и магнетизм). Свойство этих веществ в магнитном поле заключается в намагничивании в направлении вектора поля. В отличии от ферромагнетиков, парамагнетик в отсутствии поля не обладает магнитной атомной структурой и их намагниченность в отсутствии поля равна нулю В них частицы хотя и обладают собственным магнитным моментом, но при Н=0 они ориентированы хаотично и в целом. Н = 0. Во внешнем магнитном поле они ориентируются вдоль поля по закону . . С ростом температуры при Н = const возрастает дезориентирующее действие теплового движения и .. уменьшается по закону Кюри( см. выражение (7.13)).

Известно, что парамагнетизм металлов складывается в основном из спинового парамагнетизма, свойственного электронам проводимости и парамагнетизма электронных оболочек атомов (ионов) решетки. Первая составляющая не зависит от температуры. Поэтому у щелочных и щелочноземельных металлов, электронные оболочки которых лишены магнитного момента (т.е. нет второй составляющей),  не зависит от температуры.

Природу парамагнетизма рассматривают как с позиций классических представлений, так и квантовых. Мы коротко рассмотрим классическую теорию парамагнетизма.

7.2.1. Теория Ланжевена

В основе этой теории лежат представления о том, что их атомы обладают постоянным магнитным моментом М. В магнитном поле напряженностью Н такой диполь обладает магнитной энергией

U_m = МНcos, (7.14)

где  - угол между Н и М (рис. 7.9).

Естественно с целью уменьшения U_м все диполи стараются ориентироваться вдоль Н (=0). Из-за теплового движения угол 0 и проекция М и Н будет: М_н = Мcos.

И тогда задача сводится к вычислению М_н. Вероятность того, что диполь располагается под некоторым углом

М_н = Мcos

И тогда задача сводится к вычислению М_н. Вероятность того, что диполь располагается под некоторым d и определяется законом распределения Больцмана

W = C₁е ,

где С- соnst, d = 4sind - телесный угол (из рисунка 7.9).

Рис. 7.9. Схема взаимодействия диполей с магнитным полем

W = C₁е

Намагниченность

J = nМ_н = nМ ,

где n – число атомов в единице объема,  =

Разложив cth в ряд , при <<1 можно ограничиться первыми двумя членами, тогда

J = . (7.15)

Намагниченность прямо пропорциональна Н и обратно пропорциональна Т, что соответствует действительности.

В пределе при , cth 1 намагниченность достигает насыщения, характеризующегося максимумом J_s (см. рис. 7.3, б).

J_{s =} nM.

Функцию L()=сth - называют функцией Ланжевена. Восприимчивость с учетом (7.15) запишем

. (7.16)

Рассматривая парамагнетизм электронного газа как видно из (7.16), магнитная восприимчивость обратно пропорциональна температуре. Однако для некоторых металлов обнаружен парамагнетизм независящий от температуры. Как показал Паули, он обусловлен парамагнетизмом свободных электронов, образующих электронный газ.

С позиции квантовой теории запишем число свободных электронов

.

Намагниченность его (см.7.15)

J_c .

Парамагнитная восприимчивость электронного газа (сравни с 7.16)

.

Вообще парамагнитные вещества (изотоп ⁴Не имеет магнитный момент, обусловленный ядром) используют для получения сверхнизких температур

,

где N - число парамагнитных атомов в 1 см³ вещества, - магнитный момент ядра.