2. Классификация веществ по магнитным свойствам

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

К диамагнетикам относятся вещества, в которых магнитная проницаемость меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Обычно магнитная проницаемость близка к единице. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального обращения электронов при внесении атома в магнитное поле и присутствует в любом веществе.

Парамагнетики - это вещества с магнитной проницаемостью, немного больше единицы и не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. Парамагнетизм обусловлен преобладающей ориентацией магнитных моментов отдельных атомов, которые находятся в тепловом хаотичном движении, в одном направлении при внесении вещества в магнитное поле (рис. 4.3, а).

Ферромагнетики - вещества со значительной магнитной проницаемостью, которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Ферромагнетизму присуща внутренняя упорядоченность, которая выражается в существовании макроскопических областей, внутри которых существует параллельная ориентация магнитных моментов атомов даже при отсутствии внешнего магнитного поля (рис. 4.3, б). Такие области называются доменами. Важнейшая особенность ферромагнетиков - их способность намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

В антиферромагнетиках, в отличие от ферромагнетиков, ниже некоторой критической температуры Нееля возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов (см. рис. 4.3, в). Поэтому, несмотря на магнитное упорядочение, суммарная намагниченность антиферромагнетика при отсутствии магнитного поля равняется нулю.

К ферримагнетикам (ферритам) относятся вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом (см. рис. 4.3, г). Они имеют свойства, характерные для ферромагнетиков, но отличаются от них больше высоким удельным сопротивлением и низкой индукцией насыщения. Их высокое удельное сопротивление обусловлено тем, что это оксиды металлов: MeО•Fe₂O₃, где Me - символ двухвалентного металла. Низкая индукция насыщения связана с антипараллельной ориентацией магнитных моментов отдельных атомов.

В технике получили применение в качестве магнитных материалов 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, отличный от нуля во время отсутствия магнитного поля, должны быть нескомпенсированы магнитные моменты спинов электронов. Это возможно только в атомах с незаполненными внешними оболочками. К ним относятся 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 существовать сильное взаимодействие. Подобное обменное взаимодействие нельзя описать с помощью классических моделей, оно представляет собой квантовый эффект,

При взаимодействии атомов с нескомпенсированными спинами с моментом количества движения иобменная энергия пропорциональна этим моментам:

(4.16)

где А - обменный интеграл.

Если расстояние между атомами мало, то обменный интеграл отрицательный и энергетически выгодным является размагниченное состояние вещества, т.е. антипараллельная ориентация соседних спинов атомов. Если обменный интеграл значителен и положителен, что возможно при большем расстоянии между атомами, то минимуму энергии системы отвечает намагниченное до насыщения состояние вещества, т.е. параллельная ориентация спинов у соседних атомов. Если же обменный интеграл мал (расстояние между атомами большое), то преобладающая ориентация спинов отдельных атомов отсутствует и вещество имеет слабые магнитные свойства (рис.4.4). На основании изложенного критерий перехода от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному состоянию: а/d > 1,5. Это позволяет создавать ферромагнитные сплавы, которые состоят даже из целиком немагнитных материалов - сплавы Гейслера, например Cu₂MnAl.

Наличие ферромагнитных свойств у таких сплавов легко объяснить из рис. 4.4. Небольшое увеличение межатомных расстояний между ионами марганца за счет внедрения в решетку немагнитных компонентов приводит к появлению ферромагнетизма.