Теоретические знания

1 Магнитные материалы

Любое вещество, которое помещено в магнитном поле приобретает некоторый магнитный момент. Магнитный момент единицы объема вещества называется намагниченностью

. (4.3)

Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля

, (4.4)

где χ - магнитная восприимчивость.

Намагниченное тело, которое находится во внешнем магнитном поле, образует собственное магнитное поле, которое может быть параллельно или антипараллельно внешнему полю. Поэтому суммарная магнитная индукция в веществе определяется так

, (4.5)

где μ₀ = 4.10⁻⁷ Гн/м − магнитная постоянная;

μ − относительная магнитная проницаемость, которая показывает в сколько раз магнитная индукция поля в данной среде больше, чем в вакууме.

2 Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру магнитного упорядочивания все вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, и ферримагнетики (ферриты).

К диамагнетикам принадлежат вещества, в которых магнитная проницаемость меньше чем единица и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Парамагнетики − это вещества с магнитной проницаемостью, немного большей единицы и которая не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Парамагнетизм обусловлен преимущественно ориентацией магнитных моментов отдельных атомов, которые находятся в тепловом хаотическом движении, в одном направлении при внесенные вещества в магнитное поле.

Ферромагнетики − это вещества со значительной магнитной проницаемостью, которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Ферромагнетизм имеет внутреннее упорядочивание, которое выражается в наличии макроскопических областей, внутри которых существует параллельная ориентация магнитных моментов атомов даже при отсутствии внешнего магнитного поля (рис. 4.2). Такие области называются доменами. Основная особенность ферромагнетиков − их способность намагничиваться к насыщению в относительно слабых магнитных полях.

В антиферромагнетиках, в отличии от ферромагнетиков ниже некоторой критической температуры Нееля возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых ионов (см. рис. 4.2). Поэтому, невзирая на магнитное упорядочивание, суммарная намагниченность антиферромагнетика в отсутствии магнитного поля равняется нулю.

К ферримагнетикам (ферритам) принадлежат вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом (см. рис. 4.2). Они имеют свойства, характерные для ферромагнетиков, но отличаются от них высоким удельным сопротивлением и низкой индукцией насыщения. Их высокое удельное сопротивление обусловлено тем, что это окислы металлов MеO·Fe₂O₃, где Me − символ двухвалентного металла. Низкая индукция насыщения связана с антипараллельной ориентацией магнитного момента отдельных атомов.

В технике используются в качестве магнитные материалы только ферромагнетики и ферриты.

Известно, что магнитные свойства вещества определяются спиновыми и орбитальными магнитными моментами электронов, а также магнитными моментами ядер атомов. Для того, чтобы атом имел результирующий магнитный момент, который отличается от нуля в отсутствии магнитного поля, должны быть не скомпенсированы магнитные моменты спинов электронов. Это возможно только в атомах с незаполненными внешними оболочками. К ним относят атомы элементов переходной группы − железа, никеля, кобальта и редкоземельных элементов.

Однако наличие магнитных моментов атомов еще не является достаточным условием для существования ферромагнетизма. Явление ферромагнетизма возможно при наличии взаимной ориентации постоянных магнитных моментов групп атомов в одном направлении. Поэтому между магнитными моментами отдельных соседних атомов должно быть сильное взаимодействие. Подобное обменное взаимодействие невозможно описать с помощью классических моделей, она представляет собой квантовый эффект.

При взаимодействии атомов, которые имеют нескомпенсированные спины, с моментом количества движения S_K^і и Sⁱ_К обменная энергия пропорциональна этим моментам

, (4.6)

где А - обменный интеграл.

Если расстояние между атомами мало, то обменный интеграл отрицателен и энергетически выгодным является размагниченное состояние вещества, то есть антипараллельная ориентация соседних спинов атомов (ри.4.3). Когда обменный интеграл значительный и положительный, что возможно при большем расстоянии между атомами, то минимуму энергии системы отвечает намагниченное до насыщения состояние вещества, то есть параллельная ориентация спинов у соседних атомов. Если же обменный интеграл малый (расстояние между атомами большое), то преимущественная ориентация спинов отдельных атомов отсутствует и вещество обладает слабыми магнитными свойствами (рис. 4.3). На основе изложенного критерий перехода от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному состояниюа/d > 1,5. Это позволяет создать ферромагнитные сплавы, которые состоят даже из полностью немагнитных материалов (сплавы Гейслера), например, Cu₂MnAl.

Наличие ферромагнитных свойств в таких сплавах легко объяснить из рис. 4.3. Небольшое увеличение межатомного расстояния между ионами марганца за счет внедрения в решетку немагнитных компонентов приводит к появлению ферромагнетизма.