3.МАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
3.1.Основные характеристики магнитных веществ
Магнитное состояние вещества оценивается намагниченностью. Намагниченностью называется сумма элементарных магнитных моментов в единице объема вещества:
|
n |
|
|
|
|
∑mi |
|
|
|
М = |
i=1 |
, |
(3.1) |
|
V |
||||
|
|
|
где mi — элементарный магнитный момент (спин электрона);V — объем образца. Значение намагниченности зависит от напряженности магнитного поля Н
исвязано с последней в соответствии с уравнением:
М= χ Н ,
где χ — магнитная восприимчивость вещества.
В системе СИ магнитная восприимчивость является безразмерной величиной.
Под воздействием напряженности магнитного поля в веществе создается магнитная индукция, зависимость которой от напряженности поля и намагниченности материала описывается уравнением:
B = µ0(H +χ H ), |
(3.2) |
где μ0 = 1,256·10-6 — магнитная постоянная вакуума, Гн/м.
Всистеме СИ индукция измеряется в теслах (Тл), а в системе СГС —
вгауссах (ГС).
Связь между индукцией и напряженностью магнитного поля может быть также описана следующим уравнением:
B =μа Н =μ0 μr H , |
(3.3) |
где μа — абсолютная магнитная проницаемость; μr — относительная магнитная проницаемость.
20
Абсолютная магнитная проницаемость имеет ту же размеренность, что и магнитная постоянная вакуума, а относительная магнитная проницаемость является безразмерной величиной.
Абсолютная и относительная магнитная проницаемости связаны между собой соотношением:
μа =μ0 μr . |
(3.4) |
Если учесть, что
μа = HB ,
а |
(3.5) |
μr = H Bμ0 ,
становится ясным физический смысл относительной магнитной проницаемости. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе больше, чем индукция в вакууме под воздействием намагничивающих полей одинаковой напряженности.
3.2. Физическая природа магнетизма
Известно, что элементарный замкнутый круговой электрический ток i создает магнитное поле, основной характеристикой которого является магнитный элемент
m = i S ,
где S — векторная величина площади, охватываемой током.
На уровне атома можно условно выделить три основные формы движения электрических зарядов, создающих элементарные магнитные моменты:
•движение электронов по круговой орбите вокруг ядра;
•вращение электронов вокруг собственной оси;
•вращение протонов ядра атома.
21
Наибольший магнитный момент создается за счет вращения электрона вокруг собственной оси. Этот магнитный момент получил название спин электрона. Спины электронов могут принимать только вполне определенные дискретные значения, кратные постоянной Планка. Минимальное значение спина электрона превышает магнитный момент, создаваемый протоном, примерно в
650 раз.
Но не все электроны, создающие электронные оболочки атома, участвуют в создании магнитного момента атома. Рассмотрим, как создается результирующий магнитный момент атома вещества. Электроны в атомах веществазанимают различные энергетические уровни, которые принято изображать в виде ряда электронных оболочек. Количество оболочек в атоме химического элемента определяется номером периода таблицы Менделеева, в котором расположен данный элемент. Каждая из электронных оболочек состоит из ряда подоболочек, число которых колеблется от 1 до 4. Номер электронной оболочки индексируется цифрами от 1 до 7, а номер подоболочки — буквами S, p, d, f. Пример обозначения оболочек и подоболочек приведен на рис. 3.1.
Вподоболочках с индексом S могут находиться максимально 2, в подоболочках p — 6, в подоболочках d — 10 и в подоболочках f — 14 электронов.
Заполнение электронами оболочек и подоболочек у подавляющего большинства элементов подчиняются следующему правилу.
Прежде всего заполняются наиболее близко расположенные к ядру атома оболочки и подоболочки. Заполнение последующих электронных подоболочек начинается после того, как полностью заполнена предыдущая.
Вполностью заполненных подоболочках половина количества электронов, заполнивших электронную подоболочку, вращается в одном направлении, создавая спиновые моменты, направление которых условно принимается за по-
ложительное.
Другая половина электронов данной подоболочки вращается в противоположном направлении, создавая спиновые моменты, направление которых принимается за отрицательное.
22
3S 3p
3d
4S
1S 2S
2p
+1 +1 +3 |
+1 |
+3 +5 |
+1 |
–1 –1 –3 |
–1 |
–3 –1 |
–1 |
Рис. 3.1. Распределение электронов по оболочкам и подоболочкам в атоме железа
Так как количество положительных и отрицательных спинов в полностью заполненной электронной подоболочке одинаково, то они взаимокомпенсируются.
Следовательно, атомы элементов, электронные оболочки и подоболочки которых полностью заполнены электронами, не имеют собственных магнитных моментов, а сами вещества слабо намагничиваются в магнитном поле.
Но у ряда химических элементов такой порядок заполнения электронами оболочек и подоболочек нарушается.
Как видно из рис. 3.1, у атома железа не заполнена полностью подоболочка 3d, на которой находится всего 6 электронов вместо 10, а уже заполнена следующая, валентная для железа, подоболочка 4S.
Пять из шести электронов под оболочки 3d вращаются в одном направлении, создавая положительные спины электронов. Шестой электрон вращается в направлении обратном, создавая противоположно направленный спин — отрицательный.
Таким образом, в подоболочке 3d атома железа существует 4 нескомпенсированных спинов электронов, которые, суммируясь, вызывают появление магнитного момента у атома.
23
Наличие нескомпенсированных спинов электронов в различных подоболочках наблюдается и у атомов ряда других элементов: кобальта, никеля, марганца и др.
Электроны, находящиеся в наружной валентной подоболочке, служить источником магнитных моментов не могут, так как при образовании молекул и кристаллов их магнитные моменты компенсируются спинами валентных электронов соседних атомов.
Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать первое условие возникновения ферромагнетизма у веществ.
Для того чтобы вещество хорошо намагничивалось и в нем создавалась большая магнитная индукция, необходимо, чтобы у атомов этого вещества существовали нескомпенсированные спины электронов в подоболочках, предшествующих валентной.
Однако выполнения только одного этого условия недостаточно для того, чтобы вещество являлось ферромагнетиком. Связано это с тем, что в любом объеме вещества, с которым приходится иметь дело на практике, содержится большое количество атомов. Электроны атомов образуют многоэлектронный коллектив.
Между атомами происходит постоянный обмен электронами. При обмене между электронами соседних атомов возникает сильное электростатическое взаимодействие. Данное взаимодействие получило название «обменного», а энергия этого взаимодействия называется «обменной энергией».
Такое электростатическое взаимодействие электронов соседних атомов способно ориентировать нескомпенсированные спины электронов определенным образом. Направление ориентации спинов электронов соседних атомов определяется значением обменной энергии.
График зависимости обменной энергии от отношенияКприведен на рис.3.2. Известно, что обменная энергия зависит от отношения
k = ar ,
где а — расстояние между центрами соседних атомов; r — радиус электронной подоболочки с некомпенсированными спинами электронов.
24
Wоб
Cо
Fe Ni
k
36
Рис. 3.2. Зависимость «обменной» энергии от геометрических размеров кристаллической решетки вещества
При k > 3 обменная энергия положительна, но настолько мала, что спины электронов соседних атомов ориентируются хаотично, вещества с такой ориентацией спинов намагничиваются слабо и относятся к классу парамагнетиков. С уменьшением k значение обменной энергии возрастает, что заставляет спиновые моменты соседних атомов ориентироваться параллельно друг другу. Это приводит к тому, что спиновые моменты атомов складываются, и возникает самопроизвольное намагниченное состояние вещества. При k = 3,5 обменная энергия достигает максимума и при дальнейшем сближении атомов начинает убывать. Когда k < 3, обменная энергия становится отрицательной. При отрицательной обменной энергии энергетически выгодным становится взаимопротивоположная ориентация спинов электронов соседних атомов, приводящая к их взаимной компенсации. Вещества с отрицательной обменной энергией называются антиферромагнетиками.
Таким образом, второе условие возникновения ферромагнетизма в веществе заключается в том, что оно должно обладать достаточно большей положительной обменной энергией, т. е. отношение k должно находиться в диапазоне
3 < k < 6.
При выполнении обоих условий в веществе возникает внутреннее магнитное поле, характеризуемое намагниченностью М, определяемой в соответствии с уравнением (3.1).
25