Магнитные материалы

Лекция 18

Материалы, способные под действием внешнего магнитного поля на­магничиваться, т. е. приобретать особые магнитные свойства, называются магнитными.. Магнитные материалы с ярко выраженными магнитными свойствами называют ферромагнитными, или ферромагнетиками. Эти материалы намагничиваются в полях, создаваемых электрическим током или в полях других магнитов.

Магнетизм вещества зависит от магнитных моментов электронов в атоме, а также от совместного действия электронов в группах атомов. Если в атоме все магнитные моменты взаимно скомпенсированы (на каждый спин приходится спин с противоположным знаком), то такой атом является нейтральным в магнитном отношении. При отсутствии компенсации, атом обладает свойствами магнитного диполя.

Вещества, атомы которых не обладают постоянным магнитным дипольным моментом называются диамагнитными.

Если, атомы вещества обладают постоянными магнитными диполями, то такие вещества в зависимости от расположения спинов могут быть парамагнитными, ферромагнитными, антиферромагнитными или ферримагнитными. На рис. 1. представлено схематическое изображение расположения спинов

/ \ / \? - в парамагнитных веществах,

↑ ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ - в ферромагнетиках

↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ - в антиферромагнитных,

↑ ↓ ↑ ↓ ↑ ↓ - в ферримагнатннх.

Рис. 1. Схематическое изображение расположения спинов.

Диамагнетики - вещества, обладающие свойством намагничиваться противоположно внешнему полю. Это свойство присуще всем веществам. По величине диамагнитный эффект очень мал. Для висмута

магнитная восприимчивость равна - 3,5*10^-3. Восприимчивость диамагнетиков возрастает, чем больше электронов в атоме и больше радиус их орбит.

Парамагнетики - вещества, обладающие свойством намагничиваться согласованно с внешним полем. Парамагнетик в неравномерное магнитное поле втягивается, а в равномерном располагается вдоль силовых линий. Чтобы при комнатной температуре намагнитить парамагнетик до насыщения требуется магнитное поле напряженностью – 10⁹ э. Парамагнетик - сернокислая соль гадолиния (Gd₂(SO₄)₃*8H₂O) при 1 К. насыщается в поле 3000 э. Магнитная восприимчивость парамагнетика =

10^-2 – 10^-5. Парамагнетики применяются в установках глубокого холода для получения сверхнизких температур.

Ферромагнетики - вещества, обладающие свойством сильно намагничиваться и сохранять намагничивание при удалении поля. Ферромагнетики характеризуются:

1). наличием в структуре областей самопроизвольного намагничивания, называемыми доменами;

2). наличием точки Кюри, т.е. температуры, выше которой ферромагнетик становится парамагнетиком; При достижении материалом этой температуры он полностью теряет свои магнитные свойства.

3). гистерезисом - зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния.

К ферромагнетикам относятся: железо, кобальт, никель, гадолиний, диспрозий и их сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др.

Ферромагнетики являются металлами, характеризующимися наличи ем недостроенных внутренних электронных оболочек. Например, у атома железа в оболочке 3d, являющейся незаполненной, имеются 6 электронов, четыре из них являются нескомпенсированными спинами, которые ориентируются и удерживаются в определенном направлении обменными силами. Это и является источником ферромагнетизма. Источником обменной силы является электростатической взаимодейст­вие электронов и ядер.

Для возникновения ферромагнетизма необходимо наличие нескомпенсированного магнитного момента атома и внутримолекулярных

(обменных) сил, ориентирующих магнитные моменты параллельно друг другу.

Домены - области самопроизвольного намагничивания возникают в результате стремления обменных сил к уменьшению энергии рассеивания.

При одинаковой ориентации магнитных моментов всех атомов ферромагнетика возможно возникновение сильного внешнего поля рассеяния. В энергетическом отношении более выгодно, когда одинаковая ориентация магнитных моментов имеет место в пределах микрообъёмов (доменов) ферромагнетики.

Антиферромагнетики - характеризуются антипараллельным расположением магнитных моментов соседних атомов. Они не имеют доменной структуры (рис.1). У них магнитная восприимчивость возрастает с повышением температуры вплоть до точки Кюри (температура Heеля), а затем резко падает, как например у MnF₂.

Ферримагнетики имеют антипараллельное расположение нескомпенсированных магнитных моментов, которые неодинаковы по величине (рис.1). К ферримагнетикам относятся ферриты, т.е, двойные окислы типа MeO*Fe₂O₃ (Me - металл), хроматы и др. соединения.

Между магнитными свойствами и кристаллической структурой су­ществует тесная связь. Кристаллические решетки ферритов отно­сятся к типу шпинели. Элементарная ячейка шпенели представледт собой куб, состоящий из восьми молекул MeO*Fe₂O₃ (32ионакислорода, 16 ионов железа и 8 ионов двухвалентного металла). В промежутках между ионами кислорода находятся ионы металлов, которые окружены четырьмя

Тетраэдрический узел Октаэдрический узел

( подрешётка A ) (подрешётка В)

рис. 2

(тетраэдрическое расположение) или шестью ионами кислорода (октоэдрическое расположение). Следовательно кристаллическая решетка состоит из двух подрешеток А и В. Если у них магнитные моменты равны между собой, материал является антиферромагнетиком. При неравенстве магнитных моментов материал будет ферримагнетиком.

Дата добавления: 2014-01-07