Магнитные материалы

Магнитными называются материалы способные накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию. Магнитные свойства вещества определяются его атомной структурой, и зависит от того, обладают ли атомы вещества постоянным магнитным моментом. Полюсы магнита не существуют раздельно, в отличие от раздельно существующих отрицательных и положительных электрических зарядов. Элементарные носители магнетизма – это элементарные магнитики, характеризуемые некоторым магнитным моментом. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что магнетизм атома порождается тремя причинами:

• Наличием у электрона спинового магнитного момента, который связан соответствующим механическим моментом электрона (спины - это вращение электронов вокруг собственных осей).

• Орбитальным движением электронов, в атоме создающим орбитальный магнитный момент или в соответствии с современным представлением о строении атома наличие магнитного момента пространственного движения электронного облака вокруг ядра, которые создаются спиновыми моментами протонов и нейтронов.

• Магнитным моментом атомного ядра, который создается спиновыми моментами протонов и нейтронов.

Орбитальный момент возникает за счет протекания элементарного кругового тока, обусловленного вращением электронов по орбитам. Из квантовой теории следует, что результирующий орбитальный момент отличный от нуля может наблюдаться лишь на некруговых орбитах. Орбитальные и спиновые моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные спиновые моменты атомов единицы измерения, которых магнетон бора (µ_B). Определение полного магнитного момента атома существенно отличается и облегчается в связи с тем, что у заполненных оболочек как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты скомпенсированы, поэтому можно учитывать только не полностью заполненные электронные оболочки. Все вещества по магнитным свойствам делятся на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные – это ферромагнетики и ферримагнетики. Различаются они по знаку магнитной восприимчивости, а так же по характеру ее зависимости от температуры и напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками называют вещества, в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна, и имеет значение равное примерно ( = 10^-5, µ = 0.9999) и не зависит от напряжённости внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относится водород, инертные газы, большинство органических соединений, некоторые металлы, медь, цинк, серебро, золото, а так же висмут, галлий, сурьмы. Физическая природа диамагнетиков заключается во всем объеме тела индуцированных внешним полем незатухающих электрических микроскопических вихревых токов. Парамагнетиками называются вещества, в которых взаимодействие между постоянными магнитными моментами атомов – элементарными магнитными диполями мало. В результате чего при обычных температурах под действием теплового движения молекул магнитные моменты атомов располагаются равномерно относительно любого направления и суммарный магнитный момент равен 0. К парамагнетикам относятся вещества с магнитной проницаемостью µ>1, а так же не зависимый от напряженности внешнего магнитного поля. К ним относятся: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редко земельные элементы, щелочные металлы, алюминий, платина. Диамагнетики и парамагнетики по магнитным свойствам нашли ограниченное применение в технике в связи со слабостью магнитных свойств. Широкое распространение имеют ферримагнитные вещества и ферримагнитные растворы. Ферриты представляют собой соединение из оксидов железа и оксидов одновалентных и редко двухвалентных металлов, MeO*Fe₂O₃, Me - символ (двухвалентного) металла. Ферриты имеют кубическую кристаллическую решетку подобную решетке Шпинели, встречающийся в природе (формула MgO*Al₂O₃) большинство соединений этого типа, как и природный железняк, так называемый магнетит (FeO*Fe₂O₃) обладает магнитными свойствами. Ферриты, как правило твердые растворы нескольких простейших соединений в том числе и не магнитных, так например общая формула широко распространенных никель-цинковых ферритов имеет вид (mNiO*Fe₂O₃+nZnO*Fe₂O₃ + pFe Fe₂O₃ где коэффициенты m, n, p определяют количественные соотношения между компонентами. Технология изготовления ферритов оказывает весьма существенное влияние на свойства готовых изделий. Технология изготовления сводится к тому, что предварительно получают ферритовый порошок, состоящий из тонко измельченных тщательно перемешанных и предварительно обожжённых оксидов соответствующих металлов. В него добавляют пластификатор, обычно раствор поливинилового спирта и из полученной массы прессуют под большим давлением изделие требуемой формы, изделие предварительно обжигают при температуре 1100-1400C^о. При этом происходит спекание и образование твердых растворов – ферритов. Ферриты хрупкие материалы не позволяющие производить обработку резанием и допускающие только шлифовку и полировку. Ферриты для СВЧ техники это особая марка ферритов. В этой области частот в первую очередь используются возможности управления электрическими и магнитными параметрами ферритов. На СВЧ применяются никелевые ферриты, магниевые ферриты, магниевые ферроаммоникаты, никелевые и магниевые феррохромиты. (mNiO + nCrO + pFeO*Fe₂O₃), а так же иттриевые ферриты, так называемые «гранаты». Число марок СВЧ ферритов превышает 60.