Глава 1. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

§ 1.1. Условия возникновения самопроизвольной намагниченности

Воздействие магнитного поля на вещество приводит к возникновению или изменению его намагниченности – векторной величины, определяемой как магнитный момент единицы объема вещества. В некоторых веществах при наличии определенных условий намагниченность возникает самопроизвольно (спонтанно). Одно из этих условий связано с необходимостью наличия в веществе атомов, имеющих электроны, находящиеся в определенных энергетических состояниях.

Возможные энергетические состояния электрона в атоме обозначаются главным квантовым числом n, которое принимает целые положительные значения: 1, 2, 3, … Главное квантовое число определяет энергетическое состояние (энергетический уровень) электрона. Совокупность электронов, имеющих одинаковое главное квантовое число, образует электронную оболочку атома. С увеличением значения n увеличивается энергия электрона, которая определяет размеры электронного облака – модели распределения функции плотности вероятности обнаружения электрона в атоме.

Форма электронного облака, как и его размеры, не может быть произвольной и определяется орбитальным квантовым числом l, которое связано с главным квантовым числом соотношением: l = 0, 1,

..., (n – 1).

Состояния электрона, характеризующиеся различными значениями орбитального квантового числа l, называют энергетическими подуровнями электрона (электронными слоями) в атоме. Им присвоены следующие обозначения: s (l = 0), p (l = 0, 1), d (l = 0, 1, 2), f (l = 0, 1, 2, 3). Значение l также определяет орбитальный момент количества движения электрона.

Ориентация электронного облака в пространстве определяется магнитным квантовым числом тl. Значения тl – целочисленные и лежат в пределах от +l до –l.

Кроме п, l и тl состояние электрона характеризуется спиновым квантовым числом тs. Электрон обладает собственным механиче-

16

ским моментом (моментом импульса) – спином, численное значение которого равно 1/2. В зависимости от проекции спина на направление орбитального момента количества движения спиновое квантовое число может иметь положительное или отрицательное значение

(т. е. тs = ±1/2).

В одном атоме не может быть двух электронов, обладающих четырьмя одинаковыми квантовыми числами. Этот принцип (принцип Паули) используется для определения состояния электронов в атоме.

Если представить увеличение количества электронов в атоме как последовательный процесс, то заполнение атомных слоев и оболочек будет происходить в соответствии с необходимостью обеспечения минимальной энергии атома. Заполнение электронных оболочек в соответствии с ростом главного квантового числа нарушается после заполнения оболочки 3р. Элементы, у которых присутствуют внутренние незаполненные электронные оболочки, называют переходными. Минимум энергии их атомов по правилу Хунда соответствует такому распределению электронов в пределах энергетического подуровня, при котором абсолютное значение суммарного спинового момента максимально.

Схема заполнения электронных слоев некоторых переходных элементов приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1. Заполнение верхних электронных слоев атомов некоторых переходных элементов

Для всех приведенных элементов внутренний электронный 3d- слой имеет электроны с одинаковым направлением спинового магнитного момента*, что приводит к возникновению ненулевого магнитного момента атома, но не является достаточным условием для возникновения самопроизвольной намагниченности в веществе.

* Орбитальные магнитные моменты электронов атомов переходных элементов не оказывают существенного влияния на формирование самопроизвольной намагниченности веществ, так как происходит их «замораживание» сильным внутрикристаллическим полем.

17

Возникновение самопроизвольной намагниченности в вышеупомянутых веществах связано с обменным взаимодействием электронов соседних атомов, которое возникает в веществе и характеризуется обменной энергией (обменным интегралом А). Для веществ, приведенных на рис. 1.1, это взаимодействие происходит между 3d-электронами

незаполненных орбиталей*. Значение обменного интеграла А зависит от отношения межатомного расстояния d к радиусу r недостроенной внутренней электронной оболочки атома вещества (рис. 1.2).

Положительное значение обменного интеграла (d/r > 3) приводит к параллельной ориентации взаимодействующих спиновых магнитных моментов, отрицательное – к антипараллельной. Самопроизвольная намагниченность возникает при параллельной ориентации магнитных моментов, поэтому в металлическом марганце (А < 0), несмотря на наличие пяти 3d-электронов с параллельной ориентацией спиновых магнитных моментов, она отсутствует.

Возникновение самопроизвольной намагниченности в веществе зависит не только от его химического состава, но и от его структуры. На рис. 1.2 приведены две кристаллические модификации железа: модификации α-Fe (объемно-центрированная кубическая решетка), у которой магнитные моменты атомов ориентированы параллельно, и модификации γ-Fe (гранецентрированная кубическая решетка), у которой они имеют антипараллельную ориентацию. Самопроизвольная намагниченность возникает только в модификации α-Fe. Кроме вышеприведенных веществ, самопроизвольная намагниченность возникает в гадолинии при температурах до 19 °С, а также в эрбии, диспрозии, тулии, гольмии и тербии** при температурах ниже 0 °С.

*Это взаимодействие наиболее сильно выражено у Fe, Ni и Co, что объясняет их присутствие почти во всех промышленно выпускаемых магнитных материалах.

**В этих металлах на значение самопроизвольной намагниченности влияет не только спиновый, но и орбитальный магнитный момент электрона.

18

Таким образом, условием возникновения самопроизвольной намагниченности в веществе (при определенной температуре и структуре, характерных для данного вещества) является наличие в его составе переходных химических элементов и положительное значение обменного интеграла.

§ 1.2. Магнитные состояния вещества

Вещества, основным свойством которых является способность намагничиваться, называются магнетиками. Намагниченность может появляться при воздействии на вещество внешнего магнитного поля, возникающего вокруг проводника, по которому протекает электрический ток.

Напряженность магнитного поля на расстоянии r от проводника можно определить по формуле:

Из (1.1) следует, что напряженность магнитного поля, действующего в любой среде, не зависит от свойств этой среды.

Воздействие магнитного поля на вещество проявляется в том, что в нем возникает (или изменяется) намагниченность M (в амперах на метр), которая определяется магнитными свойствами вещества и связана с H соотношением

где χ – магнитная восприимчивость (безразмерная величина). Исходя из (1.2) намагниченность можно трактовать как внут-

реннее магнитное поле в веществе, вызывающее поток магнитной индукции. Плотность этого потока называют магнитной индукцией (В)*. В вакууме В определяется только напряженностью внешнего магнитного поля:

* Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).

19

В любом веществе

(1.4)

где μ – относительная магнитная проницаемость (обычно слово «относительная» опускают).

Произведение μ0μ называют абсолютной магнитной проницаемостью. Относительная магнитная проницаемость μ (как и магнитная восприимчивость χ) является безразмерной величиной. Связь между

где Ве – магнитная индукция в вакууме (внешняя магнитная индукция); Вi – магнитная индукция в веществе (внутренняя магнитная индукция) при воздействии внешнего магнитного поля Н.

В зависимости от физических процессов, протекающих в веществах при воздействии на них внешнего магнитного поля, вещества принято делить на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики – вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего магнитного поля. Под действием внешнего магнитного поля в диамагнетике возникает магнитный момент, направленный противоположно направлению поля.

Парамагнетики – вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. В этом случае под действием тепловой энергии векторы магнитных моментов располагаются равновероятно по всем направлениям, в результате чего намагниченность парамагнетика равна нулю. Под действием внешнего поля векторы магнитных моментов получают преимущественную ориентацию в направлении поля, т. е. появляется положительная намагниченность.

Ферромагнетики – вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов самопроизвольно упорядочены, причем результи-

20

рующие магнитные моменты каждого домена* отличны от нуля. Суммарный магнитный момент ферромагнитного тела равен нулю за счет равновероятной пространственной ориентации магнитных моментов доменов.

Антиферромагнетики – вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, которое характеризуется антипараллельной ориентацией взаимодействующих магнитных моментов. В некоторых антиферромагнетиках может существовать доменная структура, что обусловлено наличием примесей и дефектностью кристаллической структуры.

Ферримагнетики – вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток, в каждой из которых магнитные моменты атомов или ионов самопроизвольно ориентированы параллельно друг другу, а между подрешетками существует их антипараллельная ориентация. За счет различия магнитных моментов подрешеток суммарный магнитный момент не равен нулю (нескомпенсированный антиферромагнетизм).

Вещества, обладающие ферро- и ферримагнитными свойствами, называют магнитными материалами.

В таблице приведены направления соседних магнитных моментов атомов (ионов) и магнитная восприимчивость веществ, находящихся в различном магнитном состоянии.

Магнитное состояние вещества зависит от его температуры. Выше определенной температуры, называемой точкой Кюри (температурой Кюри), ферро- и ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние. Аналогичная температура, при которой антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние, называется точкой Нееля.

* В отличие от диа- и парамагнетиков кристаллы ферро- и ферримагнетиков при отсутствии внешнего магнитного поля разбиваются на отдельные самопроизвольно намагниченные области. Макроскопическая область в магнитном материале, имеющая пространственно однородное упорядочение магнитных моментов атомов или ионов, называется доменом.

21