1.2 Магнитные свойства веществ

Все вещества в природе являются магнетиками, т.е. они обладают определенными магнитными свойствами и определенным образом взаимодействуют свнешниммагнитным полем.

Чтобы понять магнитные свойства различных веществ и в частности материалов, из которых изготавливаются сердечники электромагнитных элементов, необходимо знать строение атомов и кристаллов твердых тел.

Изучение свойств электрических частиц показывает, что в основном магнитные свойства атома определяются магнитными свойствами электронов. Магнетизм других частиц относительно мал (например, магнитный момент атомного ядра в 1000 раз меньше магнитного момента электронной оболочки атома).

Как известно, атом любого вещества состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам (рисунок 6). Каждый движущийся электрон (носитель заряда) может быть представлен некоторым круговым контуром с током. Этот круговой ток создает орбитальный магнитный момент:

m = i·S [А·м²],

где i – сила тока электрона, S – площадь орбиты, обтекаемой током.

Рисунок 6

Кроме того, при движении по орбите каждый электрон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вращающегося вокруг своей оси. Следовательно, каждый электрон обладает спиновым магнитным моментом.

Суммарный собственныймагнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов электронов, с учетом их направления.

Если на атом воздействует внешнеемагнитное поле Н, то возникаетпрецессияорбит электронов (некоторое вращение орбит) вокруг вектора этого поля, что эквивалентно некоторому дополнительному вращению электронов (рисунок 7), которое создаетдополнительный магнитный моментm_д.

Рисунок 7

По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится ослабить его.

Результирующий магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью вещества.

J = Σ m/v,

где Σ m – суммарный момент атомов, занимающих объемV.

Единица СИ намагниченности [J] = ампер / метр (А/м).

Намагниченность можно рассматривать как напряженность внутреннего магнитного поля, создаваемого микротоками электронных оболочек самого вещества. Поэтому индукцию в веществе, помещенном во внешнее магнитное поле, можно представить как:

Таким образом, вектора В, Н, J полностью характеризуют поведение вещества во внешнем магнитном поле.

Вектор Jопределяет магнитное поле, создаваемое магнитными моментами движущихся электронов или, грубо говоря, самим веществом.

Вектор Н определяет напряженность внешнего приложенного к веществу магнитного поля (практически это поля, создаваемые различными намагничивающими катушками).

Вектор В – индукция суммарного магнитного поля в веществе, создаваемого как внешними, так и внутренними возбудителями.

Часто вектора Н и Jимеют одинаковое направление, тогда можно перейти к скалярному выражению и разделить обе части равенства на Н.

В/Н=µ₀(1+ J/Н).

Отношение J/Н – называютмагнитной восприимчивостью вещества χ (хи).

χ = J/Н.

Сравнивая выражения, можно получить:

µ = (1+ χ).

По величине и знаку магнитной восприимчивости все вещества можно разделить на несколько групп:

• диамагнетики;

• парамагнетики;

• ферромагнетики;

• антиферромагнетики;

• ферримагнетики.

Диамагнетики– вещества, в которых в «чистом» виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом, направлен навстречу внешнему полю. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими магнитными состояниями. Удиамагнетиков(χ = - 10^-5, µ < 1) магнитная восприимчивость отрицательна и мала по абсолютной величине и в большинстве случаев не зависит от температуры и напряженности внешнего поля. Вектор намагниченности у них направлен навстречу вектору напряженности внешнего поля. Т.Е. такое вещество ослабляет внешнее магнитное поле и магнитная индукция в таких веществах меньше, чем в вакууме.

Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, п/п соединения А₃В₅, А₂В₆, германий, кремний, бор и др. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, свинец, ртуть, галлий и др., водород, азот, вода, инертные газы и др.

Парамагнетики– вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетиков равен 0. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. В парамагнетикахχ – положительна и имеет малое значение (χ = 10^-2…10^-5, µ > 1), очень сильно зависит от температуры. У этих веществ атомы обладают отличными от нуля собственными магнитными моментами, которые в отсутствии внешнего магнитного поля ориентированы равновероятно по всем направлениям и средний магнитный момент вещества равен 0. Внешнее магнитное поле преодолевает дезориентирующее действие теплового движения атомов и ориентирует магнитные моменты атомов по полю. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создаваемый прецессией электронных орбит. Общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля и исчезает вместе с исчезновением внешнего поля.

Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота, магний, кальций, алюминий, натрий, хром, тантал, вольфрам, СаО, СоО и др.

Ферромагнетики– вещества, в которых (ниже точки Кюри) наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Это сильномагнитные вещества, у которыхχ достигает порядка 10³…10⁶(µ>>1) и имеет сложную зависимость от температуры и внешнего поля. Это вещества с достаточно большими порядковыми номерами, у которых нарушен нормальный порядок заполнения электронных оболочек, в результате чего атомы имеют внутренние незаполненные (недостроенные) оболочки. Благодаря наличию этих оболочек атомы этих элементов обладают нескомпенсированным магнитным моментом (для полностью заполненных оболочек магнитный момент равен 0).

Однако для получения ферромагнитных свойств этого недостаточно. Эти свойства наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле, когда электроны незаполненных слоев принадлежат одновременно и своим и соседним атомам. Такое взаимодействие характеризуется интегралом облака (из квантовой механики), величина и знак которого в значительной степени зависят от относительного расстояния между атомами в кристаллической решетке.

При положительном значении этого интеграла обменное взаимодействие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенсированных спинов. Это и обеспечивает самопроизвольную (спонтанную) намагниченность каждого макроскопического объема вещества, которая характеризует его ферромагнитные свойства.

Ферромагнетики характеризуются еще тем, что выше определенной температуры, называемой точкой Кюри – Θ(Тета), ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное.

Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы: гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. СплавыRСо₅, гдеR – редкоземельный элемент (самарий, цезий).

Антиферромагнетики– вещества, характеризующиеся антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллических решеток. Физические эксперименты показали, что при отрицательном значении интеграла нескомпенсированные спины устанавливаются антипараллельно, они взаимно компенсируются и собственный магнитный момент вещества будет равен 0. Это свойство характерно для антиферромагнетизма.

Существует две разновидности антиферромагнетизма:

1. Скомпенсированный антиферромагнетизм, при котором антипараллельные магнитные моменты соседних атомов взаимно компенсируются и суммарный магнитный момент кристалла равен 0.

2. Нескомпенсированный антиферромагнетизм, называемый также ферримагнетизмом, при котором отсутствует полная взаимная компенсация антипараллельных магнитных моментов.

Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий, и др., химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др.,MnSe,FeCl₂,FeF₂,CuCl₂,MnO,FeO,NiO.

Ферримагнетики– это вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Вследствие частичной взаимной компенсации антипараллельных магнитных моментов соседних атомов величина индукции насыщения ферримагнетиков обычно много меньше, чем у ферромагнетиков.

Наиболее важными ферримагнетиками являются ферриты.