6. Магнитные свойства твердых тел

Любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, приобретает магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема V вещества называют намагниченностью J_м: J_м = М/V.

Магнетики – это материалы способные заметно изменять свою намагниченность при воздействии на него внешнего магнитного поля. Влияние напряженности внешнего магнитного поля на намагниченность определяется выражением

J_м = k_м Н, А/м, (6.1)

где Н – напряженность внешнего магнитного поля (А/м); k_м – безразмерная величина, характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле и называемая магнитной восприимчивостью.

Магнитная индукция в веществе, находящемся во внешнем магнитном поле, определяется алгебраической суммой индукции внешнего В_о и внутреннего В_i полей

В = В_о + В_i = µ_оН + µ_оJ_м, (6.2)

где µ_о = 4π 10^-7 Гн/м – магнитная постоянная в системе СИ.

Подставляя выражение (6.1) в (6.2) получим

В = µ_оН + µ_оk_мН = µ_о(1 + k_м)Н, (6.3)

где µ = 1 + k_м – статическая относительная магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз магнитная индукция В поля в данной среде больше, чем магнитная индукция В_о в вакууме.

Заменяя значение µ = 1 + k_м в формуле (6.3) получим выражение, связывающее напряженность магнитного поля с индукцией магнитного поля B в веществе, измеряемое в теслах (Тл)

В = µ_оµ Н₁Т. (6.4)

Тогда значение статической относительной магнитной проницаемости µ определяется выражением

µ = В/µ_о . (6.5)

6.1. Классификация твердых тел по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным пяти группам веществ соответствуют следующие типы магнитного состояния: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, атиферроманетизм и ферримагнетизм.

Диамагнетики – это вещества, у которых магнитная восприимчивость k_м отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля Н. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, противоположную внешнему полю. Следовательно магнитная восприимчивость k_м отрицательна, по величине она мала (k_м ≈ -10^-5) и в большинстве случаев не зависит от напряженности поля.

Из формулы (6.1) следует, что намагниченность диамагнетиков носит отрицательный характер и линейно возрастает с увеличением напряженности внешнего поля Н (рис. 6.1 а). Магнитные моменты отдельных атомов М_i ориентированы в пространстве произвольно, но суммарный магнитный момент вещества в целом противоположен направлению внешнего магнитного поля, ослабляя его. Так как магнитная восприимчивость является отрицательной величиной, то магнитная проницаемость меньше единицы. Поскольку диамагнетики намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю, то они выталкиваются из этого поля.

а)

б)

Рис. 6.1. Зависимость намагниченности J_м от напряженности поля Н: а – для диамагнетиков (1) и для парамагнетиков (2) при не слишком сильных полях и при обычных и высоких температурах; б – для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

К диамагнетикам относятся: инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, висмут, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения А^III, B^V, A^IIB^IV и др.), органические соединения, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др.

Диамагнетизм существует во всех веществах, независимо от структуры их атомов и видов связи. Однако, в чистом виде, этот эффект проявляется только в тех веществах (диамагнетиках), в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов. Для веществ, в которых собственный суммарный магнитный момент атомных образований не равен нулю, на диамагнетизм накладывается значительно больший по величине нескомпенсированный магнитный момент электронов. В этом случае наблюдаются другие типы магнитного состояния, подавляющие диамагнетизм.

Парамагнетики – это вещества, из которых магнитная восприимчивость |k| ≤ 1, но она положительна и при комнатной температуре составляет 10^-2 – 10^-5. Поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков незначительно отличается от единицы. Намагниченность парамагнетиков характеризуется линейной зависимостью (рис. 6.1 а) в области небольших магнитных полей при высоких температурах. В сильных полях при низких температурах J_м (Н) асимптотически приближается к предельному значению J_s, соответствующему магнитному насыщению парамагнетиков (рис. 6.1 б).

Парамагнитный эффект наблюдается в веществах, атомы которых, как правило, имеют нечетное число электронов с нескомпенсированными спинами или с нескомпенсированными орбитальными моментами количества движения. В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов под действием тепловой энергии распределены хаотично, в результате чего магнитный момент парамагнетика равен нулю (рис. 6.2 а).

а) б) в) г)

Рис. 6.2. Схематическое изображение магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных веществах (г)

Под действием внешнего магнитного поля возникает направление преимущественной ориентации магнитных моментов, совпадающее с направлением поля, т.е. появляется положительная намагниченность. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков магнитная восприимчивость выражается законом Кюри

k_м = С/Т, (6.6)

где С – постоянная Кюри; Т – абсолютная температура, К.

К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Ферромагнетики – это вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 10⁶), которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. В ферромагнитных веществах атомы имеют большое количество неспаренных (нескомпенсированных) спиновых магнитных моментов. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей (доменов) с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов в них (рис. 6.2 б). Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. При определенной температуре Т_к (точка Кюри) у ферромагнетиков атомный магнитный порядок разрушается, и вещества переходят в парамагнитное состояние.

К классу ферромагнетиков относятся элементы переходных групп Fe, Co, Ni, а также редкоземельные элементы: Gd (гадолиний), Dy (диспрозий), Ho (гольмий), Er (эрбий), Tu (тулий).

Антиферромагнетики – это вещества, у которых спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки (рис. 6.2 в); при этом суммарный магнитный момент антиферромагнетика равен нулю. Для антиферромагнетика характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость (k_м = 10^-3 -10^-5), которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход, и вещество переходит в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при котором исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля. Поскольку магнитная восприимчивость в антиферромагнетиках меньше единицы, то и магнитная проницаемость близка к единице. К антиферромагнетикам относятся металлы переходной группы – хром (Cr), марганец (Mn), а также простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, сульфидов, карбонатов и т.п. Антиферромагнитные свойства проявляют также атомы редкоземельных элементов – церия (Ce), неодима (Nd), самария (Sm), тербия (Tb).

Ферримагнетики – это вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. В ферримагнетиках соседние магнитные моменты выстроены антипараллельно друг другу, но величина их неодинакова (рис. 6.2 г). Поэтому они обладают большим нескомпенсированным суммарным магнитным моментом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. При температуре выше точки Нееля у ферромагнетиков атомный магнитный порядок разрушается, и вещества переходят в парамагнитное состояние.

К ферромагнетикам относятся ферриты – сложные оксидные химические соединения, характеризующиеся антипараллельным расположением неравных магнитных моментов соседних атомов, представляющих различные химические элементы, входящих в состав феррита.

Диамагнетики и парамагнетики иногда объединяют под названием слабомагнитных веществ, не обладающих атомным магнитным порядком, а ферромагнетики и ферримагнетики – под названием сильномагнитных материалов, обладающих атомным магнитным порядком; для антиферромагнетиков характерен атомный магнитный порядок, но количественно этот эффект весьма мал.