33. Магнитные свойства и классификация магнитных материалов.

Все без исключения материалы взаимодействуют с внешним маг­нитным полем, т.е. проявляют определенные магнитные свойства.

Объясняется это тем, что любой материал под действием внеш­него магнитного поля приобретает магнитный момент, т.е. намагни­чивается. Поскольку магнитное поле образуется при движении элек­трического заряда, естественно полагать, что магнитные свойства материалов проявляются в результате движения электронов, входя­щих в состав атомов (ионов, молекул). Магнитным моментом обла­дают также и ядра атомов. Однако их влиянием на магнитные свой­ства атомов можно пренебречь, так как магнитный момент ядра на три десятичных порядка меньше магнитного момента электрона. Ка­ждый электрон атома осуществляет два вида движения: орбитальное и спиновое, создавая соответственно орбитальный магнитный мо­мент М_орб и спиновой магнитный момент М_сп Полный магнитный момент атома М_ат представляет векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов данного атома: z z

Мат = ∑Морб + ∑ Мсп. (14.1)

l l

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитный момент ато­ма Мат не равен нулю только при наличии незаполненной у него электронной оболочки. В заполненных электронных оболочках не только орбитальные, но и спиновые магнитные моменты электронов полностью скомпенсированы.

Для характеристики магнитных свойств материалов вводят сле­дующие величины:

В — магнитная индукция (плотность магнитного потока ), Тл;

Н — напряженность магнитного поля, А/м;

М — намагниченность материала под действием магнитного поля, А/м — это векторная сумма магнитных моментов атомов Мат, находящихся в единице объема V магнитного материала:

М=1/V ∑Мат;

km — магнитная восприимчивость (величина безразмерная);

μ— относительная магнитная проницаемость (или магнитная проницаемость) — величина безразмерная

Диамагнетики

Диамагнетизм заключается в индуцировании внешним магнит­ным полем в электронных оболочках атомов, ионов или молекул магнитного момента (в том числе дополнительного). Поэтому он присущ всем материалам независимо от их агрегатного состояния и вида химической связи. В чистом виде диамагнетизм можно наблю­дать только у тех материалов, в которых магнитный момент атома Мат(см. формулу (14.1)) равен нулю. Такие материалы называют диамагнетиками .

Диамагнетиками являются материалы, атомы, ионы или молеку­лы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют ре­зультирующего магнитного момента. В них существует только маг­нитный момент, наведенный внешним магнитным полем.

Для диамагнетиков характерно то, что у них вектор намагничен­ности направлен против вектора внешнего намагничивающего поля. По этой причине они подвергаются слабому выталкивающему дейст­вию последнего. Магнитная восприимчивость km диамагнетиков от­рицательная (km < 0) и по абсолютному значению очень мала (|km| = 10^─4 - 10^─8). В большинстве случаев km не зависит от температу­ры и напряженности магнитного поля. Магнитная проницаемость и у них немного меньше единицы (μ < 1).

Диамагнетиками являются все инертные газы, водород, аммиак и др., ряд металлов (Си, Ag, Аи, Zn, Pb, Hg и др.), металлоиды (Р, S, Si и др.), вещества неорганические (стекла, мрамор, вода и др.) и орга­нические (воск, нефть и др.). Значения km и μ некоторых диамагне­тиков приведены в табл. 14.1.

Таблица 14.1

Значения магнитной восприимчивости km и магнитной проницаемости ц для некоторых диамагнетиков и парамагнетиков

Вещество km μ = 1 + km

Диамагнетики _

Висмут -1,7 10^─4 0,99983

Вода -0,88 10^─5 0,9999912

Медь -0,94 10^─5 0,9999906

Кремний -0,3 10^─5 0,999997

Водород -0,208 10^─4 0,9999999979

Парамагнетики

СаО 5,8 10^─3 1,0058 Платина 2,93 10^─4 1,000293 Алюминий 2,14 10^─4 1,000214 Воздух 3,65 10^─7 1,000000365

Парамагнетики

Парамагнетизм наблюдается у материалов, атомы (ионы) которых имеют нечетное число электронов (кроме Си, Ag, Sb, Bi).

Атомы (ионы или молекулы) парамагнетиков в отсутствие внеш­него магнитного поля уже обладают собственным магнитным мо­ментом, который обусловлен нескомпенсированными в атомах спиновыми магнитными моментами электронов. Но поскольку взаи­модействие между магнитными моментами атомов (ионов или моле­кул) равно нулю или очень мало, их магнитные моменты расположе­ны беспорядочно (рис. 14.1, а), и результирующая намагниченность Л/ материала равна нулю.

При приложении магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его, т. е. проявляется положительная намагничен­ность (km>0), вследствие чего они втягиваются в области с макси­мальной напряженностью магнитного поля. По абсолютному значе­нию km очень мала (\km\ = 10^─3 — 10^─4) и не зависит от напряженности магнитного поля, но зависит от температуры. Магнитная проницае­мость μ немного больше единицы (μ > 1). Значения km и μ некоторых парамагнетиков приведены в табл. 14.1. Парамагнетизм проявляется у щелочных металлов (Na, К и др.); переходных металлов (Ti, V, Cr, Мn и др.), имеющих недостроенную Зd-электронную оболочку; редкоземельных элементов (лантаноидов) от церия Се до лютеция Lu, имеющих недостроенную 4f-электронную оболочку. Однако переходные металлы Fe, Co и Ni имеют большие значения km и μ и являются типичными ферромагне­тиками (см. гл. 14.1.3). Элементы Мn, Сr, их оксиды и некоторые со­единения Мn, хотя и имеют значения km и μ того же порядка, что и парамагнетики, по внутренней магнитной структуре они ближе к ферромагнетикам. На основании этого выделены в самостоятельную группу и названы антиферромагнетиками (см. 14.1.4).

Pис. 14.1. Схематическое изображе­ние магнитных моментов атомов в от­сутствие внешнего магнитного поля в парамагнетиках (а), ферромагнетиках (б), антиферромагнетиках (в) и ферримагнетиках(г)