Классификация магнитных материалов

Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.

Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создаёт магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным.Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.

Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.

Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:

- диамагнитные (диамагнетики),

- парамагнитные (парамагнетики),

- ферромагнитные (ферромагнетики),

- антиферромагнитные (антиферромагнетики),

- ферримагнитные (ферримагнетики),

- метамагнитные (метамагнетики).

Парамагнетики

Парамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков)намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю.

Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН « k Т, где Т– абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М= χ Н,где χ – магнитная восприимчивость.В отличие от диамагнетизма, для которого χ < 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет (10^-7 – 10^-4).

Парамагнетик – магнетик с преобладанием парамагнетизма и отсутствием магнитного атомного порядка. Парамагнетик намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, т.е. имеет положительную магнитную восприимчивость, которая в слабом поле при не очень низкой температуре (т.е. вдали от условий магнитного насыщения) не зависит от напряжённости поля. Поскольку свободная энергия парамагнетика понижается в магнитном поле, при наличии градиента поля он втягивается в область с более высоким значением напряжённости магнитного поля. Конкуренция диамагнетизма, появление дальнего магнитного порядка или сверхпроводимости ограничивают область существова­ния вещества в парамагнитном состоянии.

Диамагнетики

Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент,направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован). У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля). Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля.

Индуцированный магнитный момент I , приобретаемый одним молем диамагнитного вещества, пропорционален напряжённости внешнего поля H , т.е. I = χ Н.Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к. I и Hнаправлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χмала (~10^-6), например для одного моля гелия χ = -1,9·10^-6.

Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li⁺, Be²⁺ , Al³⁺ , O^2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твёрдом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.). Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χ _Д = - (1/4π) ≈ 0,1, являются сверхпроводники;у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна.

Ферромагнетики

Ферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомных носителей магнетизма в веществе параллельны, и оно обладает самопроизвольной намагниченностью.

Параллельная ориентация магнитных моментов (рисунок 5.1) устанавливается при температурах Тниже критической температуры Кюри θ. Часто ферромагнетизм называется совокупностью физических свойств вещества в указанном выше состоянии. Вещества, в которых установился ферромагнитный порядок атомных магнитных моментов, называются фер­ромагнетиками.

Рисунок 5.1–Ферромагнитная (коллинеарная) атомная структура гранецентрированной кубической решётки. Ниже точки Кюри θ стрелками обозначены направления атомных моментов; J_s – вектор суммарной намагниченности единиц объёма.

Магнитная восприимчивость χ ферромагнетиков положительна ( χ>0) и достигает значений 10⁴–10⁵; их намагниченность Jи магнитная индукция В= H +4 πJ (в СГС системе единиц или В=( H + J )/µ₀ в единицах СИ) растут с увеличением напряжённости магнитного поля H нелинейно (рисунок 5.2) и в полях до 100 Э (7,96·10³ А/м) достигают предельного значения J_s – магнитного насыщенияи В_т.Значение J зависит от «магнитострикции предыстории» образца, что делает зависимость J от H неоднозначной (наблюдается магнитный гистерезис). При намагничивании ферромагнетиков изменяются их размеры и форма, т.е. наблюдается магнитострикция.Имеется и обратный эффект – кривые намагничивания и петли гистерезиса зависят от внешних механических напряжений. В ферромагнитных монокристаллах наблюдается магнитная анизотропия– различие магнитных свойств по разным кристаллографическим направлениям. В поликристаллах с хаотичным распределением ориентации кристаллических зёрен анизотропия в среднем по образцу отсутствует, но при неоднородном распределении ориентации она может наблюдаться (текстура магнитная).

Рисунок 5.2 –Кривая безгистерезисного намагничивания (0B_m) и петля гистерезиса поликристаллического железа. Значению индукции В_т соответствует намагниченность насыщения J_s

Ферромагнетик – вещество, в котором ниже определённой температуры (Кюри точки) – устанавливается ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или магнитных моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Среди химических элементов ферромагнитные переходные элементы: Fе, Со и Ni иредкоземельные металлы Gd, Тb, Dу; Но, Ег, Тm.

Ферромагниты также многочисленны: металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами; сплавы и соединения Сг и Мn с неферромагнитными элементами (Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn₂ и Zr_xM_1-x (где М – это Тi, Y, Nb или Hf), Au₄V, Sc₃Ln и др., а также некоторые соединения группы актинидов, например, UH_3.

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Co в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обна­ружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях (металлические стекла), в аморфных полупроводниках, в обыч­ных органических и неорганических стёклах халькогенидов (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. Число извест­ных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La_1-x Са_хМn0₅ (0,4>x>0,2), EuO, Eu₂SiO₄, EuS, EuSe, EuI₂, CrBr₃ и т.п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у сое­динений Eu, халькогенидов, CrB₃ значение θ ~ 100 К.

Антиферромагнетики

Антиферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, ха­рактеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества – атомов но­сителей магнетизма – ориентированы навстречу друг другу (антипараллель­но) и поэтому намагниченность тела в целом в отсутствии магнитного поля равна нулю. Этим антиферромагнетизм отличается от ферро­магнетизма, при котором одинаковая ориентация всех атомов магнитных моментов приводит к высокой намагниченности тела.

Антиферромагнетизм – упорядоченное состояние вещества, харак­теризующееся тем, что средние магнитные моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены на­встречу его собственному магнитному моменту. Для этого обменное взаимодействие должно быть отрицательным (при ферромагне­тизме обменное взаимодействие положительно и все магнитные моменты направлены в од­ну сторону). В каждом антиферромаг­нетике устанавливается определённый по­рядок чередования магнитных моментов.

Антиферромагнетик – вещество, в котором установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов. Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры Т _N (точка Нееля)и остаётся антиферромагнетикам вплоть до T = 0 K. Из эле­ментов к антиферромагнетикам относятся: твёрдый кислород (α-модификация при T < 24 К), хром - антиферромагнетик с геликоидальной структурой (T_N =310 К), α-марганец (T_N =100 К), а также ряд редкоземельных металлов (с T_N от 60 К у Tu до 230 К у Tb). В последних обычно наблюдаются сложные антиферромагнитные структуры в тем­пературной области между T_N и некоторой температурой Т₁ (0 К<T₁< T_N); ниже Т₁ они становятся ферромагне­тиками.

Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче.

Таблица 5.1 - Свойства редкоземельных элементов – антиферомагнетиков

Ферримагнетики

Ферримагнетик –вещество, в котором при температуре ниже Кюри (точки Тс) существует ферримагнитное упорядочение магнитных моментов ионов. Значит, часть ферримагнетиков – это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но находящиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решётки). Среди них наиболее обширный класс хорошо изученных и широко используемых ферримагнетиков образуют ферриты (шпинели, гранаты и гексаферриты).

Другую группу диэлектрических ферритов образуют двойные фториды (типа RbNiF₃), в которых из шести магнитных подрешёток намагниченность четырёх направлена в одну сторону, а намагниченность двух других – в противоположную. Двойные фториды прозрачны в видимой области спектра. К ферромагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве – это вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов (R) и элементов группы железа (Me). Их магнитная структура состоит из двух магнитных подрешёток: атомов Me и R, соответственно. Интерметаллические соединения типа RFe₂ обладают рекордной магнитострикцией[~10^-3 в полях (10–15) кГс)] и могут быть использованы в качестве пьезоэлектрических преобразователей.Другой тип редкоземельных интерметаллидов имеет формулу, близкую к RMe₆. Эти соединения имеют большую энергию анизотропии и, значит, коэрцитивную силу. Из них изготавливают магниты постоянныес рекордной величиной BH _макс (~10⁷ Гс·Э).

Метамагнетики

Метамагнитнымиявляются такие материалы, которые в слабых магнитных полях ведут себя как антиферромагнитные, а в сильных магнитных полях – как ферромагнитные, или наоборот. Антиферромагнитными в слабых полях являются MnAs₂, диспрозий Dy и эрбий Er. Ферромагнитными - MnAs, MnBi, гольмий Ho и тербий Tb.