Глава 5. Магнитные материалы

Классификация материалов по магнитным свойствам

Комментарии к рис. 5.1.

Все материалы, помещённые в магнитное поле, приобретают магнитный момент. Магнитные свойства характеризуются следующими характеристиками: магнитной индукцией B [Тл], магнитной проницаемостью m, коэффициентом магнитной восприимчивости k_m- безразмерная величина, характеризующая способность к намагничиванию данного вещества, намагничиваемостью I [А/м], напряжённостью магнитного поля Н [А/м].

Намагничиваемость любого вещества в магнитном поле I можно определить как отношение суммарного магнитного момента Mматериала к единичному объему V:

I =M/V.

Намагничиваемость пропорциональна напряжённости:

I=k_m·H.

Магнитная индукция в веществе складывается из двух значений:

где  - относительная магнитная проницаемость.

По магнитному строению и значению магнитной проницаемости (восприимчивости) материалы подразделяются на: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики.

Диамагнетизм– это свойство вещества намагничиваться навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля (в соответствии с законом электромагнитной индукции и правилом Ленца). Диамагнетизм свойственен всем веществам, но в «чистом виде» он проявляется у диамагнетиков.

Диамагнетики имеют m<1 (материал «сопротивляется» магнитному полю) - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Для диамагнетиков k_м » -(10^-6 - 10 ^{- 7}), μ <1. k_м слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примерами диамагнетиков являются все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галлоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводники-соединения А^IIIВ^V, А^IIВ^VI, кремний, германий, бор и др.; ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.; водород, азот, вода, нефть и др.

Парамагнетизм– это свойство веществ, называемых парамагнетиками, которые, будучи помещены во внешнее магнитное поле, приобретают маг нитный момент, совпадающий с направлением этого поля.

Атомы и молекулы парамагнетиков в отличие от диамагнетиков имеют собственные магнитные моменты. При отсутствии поля ориентация этих моментов хаотична (из-за теплового движения) и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля происходит частичная ориентация магнитных моментов частиц в направлении поля, и к напряженности внешнего поля Н добавляется намагниченность J: В = m₀(Н+J). Индукция в веществе усиливается. Парамагнетики m> 1 (материал слабо воспринимает магнитное поле) – вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равён нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамагнетиков k_м > 0, μ < 1. k_м парамагнетиков в большинстве случаев сильно зависит от температуры. При комнатной температуре k_м » 10 ^{- 6} - 10 ^{- 3}.

К парамагнетикам относятся щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота, Al, Na, Mg, Та, W, СаO и др.

Ферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов в определенном объеме вещества (домене) параллельны, что обусловливает самопроизвольную намагниченность домена. Появление магнитного порядка связано с обменным взаимодействием электронов, имеющим электростатическую природу (закон Кулона). В отсутствии внешнего магнитного поля ориентация магнитных моментов различных доменов может быть произвольной, и рассматриваемый объем вещества может иметь в целом слабую или нулевую намагниченность. При приложении магнитного поля магнитные моменты доменов ориентируются по полю тем больше, чем выше напряженность поля. При этом изменяется значение магнитной проницаемости ферромагнетика и усиливается индукция в веществе.

Ферромагнетики обладают m>> 1 (магнитное поле в материале усиливается) – вещества, в которых ниже температуры Кюри Т_к наблюдается магнитная упорядоченность соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях даже в отсутствие внешнего магнитного поля. k_м ферромагнетиков (также как и μ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, марганца, алюминия и др. При низших температурах некоторые редкоземельные элементы -

гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo₅, где R - редкоземельный элемент (Sm, Се или Рr).

Возникновение магнитных свойств у ферромагнетиков связывается с их строением. Домены - это области самопроизвольной намагниченности, возникающие даже в отсутствии внешнего магнитного поля, в которых магнитные моменты атомов ориентированы параллельно.

Антиферромагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы антипараллельно, и в отсутствии внешнего магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. Антиферромагнетик в отношении магнитного строения можно рассматривать как частный случай ферримагнетика, в котором магнитные моменты подрешеток равны по модулю и антипараллельны. Магнитная проницаемость антиферромагнетиков близка к 1.

 Антиферромагнетики m> 1 (материал слабо реагирует на магнитное поле, хотя по магнитной структуре схож с ферримагнетиками) – характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков k_м = 10^-3 - 10^-5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).

К антиферромагнетикам относятся хром, марганец, церий, самарий и др. Химические соединения на основе металлов переходной группы окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO, NiO. В состав ферримагнетиков обязательно входят атомы ферромагнетиков.

Диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики относятся к слабомагнитным материалам, а ферромагнетики и ферримагнетики – к сильномагнитным материалам.

Ферримагнетизм – это магнитоупорядоченное состояние вещества, в котором магнитные моменты атомов образуют в определенном объеме вещества (домене) магнитные подрешетки атомов или ионов с суммарными магнитными моментами не равными друг другу и направленными антипараллельно. Ферримагнетизм можно рассматривать как наиболее общий случай магнитоупорядоченного состояния, а ферромагнетизм как случай с одной подрешеткой.

 Ферримагнетики m>>1 (магнитное поле в материале усиливается, но магнитная структура материала отличается от структуры ферромагнетиков) – вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом.