Общие сведения. Классификация материалов по магнитным свойствам

Магнитными называются материалы, которые применяются в тех­нике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способно­стью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию.

Магнитные свойства вещества определяются его атомной струк­турой и зависят прежде всего от того, обладают ли атомы вещест­ва постоянным магнитным моментом. Полюсы магнита не сущест­вуют раздельно, в отличие от раздельно существующих отрица­тельных и положительных электрических зарядов. Экспериментальные и теоретические исследования показали, что магнетизм атома обусловлен тремя причинами:

1. Наличием у электрона спинового магнитного момента, кото­рый связан с соответствующим механическим моментом элект­рона.

2. Орбитальным движением электронов в атоме, создающим ор­битальный магнитный момент, или в соответствии с современным представлением о строении атома — наличием магнитного момен­та пространственного движения электронного облака вокруг ядра.

3. Магнитным моментом атомного ядра, который создастся спиновыми моментами протонов и нейтронов.

Спиновый магнитный момент ядра составляет менее спинового маг­нитного момента электрона, так как масса ядра значительно боль­ше массы электрона, поэтому можно считать, что элементарными носителями магнитных моментов в веществах являются элект­роны.

В атоме, содержащем несколько электронов, результирующий спиновый магнитный момент определяется исходя из спиновых магнитных моментов отдельных электронов. Согласно принципу Паули в каждом квантовом состоянии могут находиться два элект­рона с противоположными спинами. Результирующий спиновый момент таких спаренных электронов равен нулю. Если атом или ион содержит нечетное число электронов, то один из них окажется неспаренным и атом в целом будет обладать постоянным магнит­ным моментом.

Полностью заполненные оболочки не дают результирующего спинового момента, так как в этом случае каждому спину одного направления в атомной оболочке соответствует спин, направлен­ный антипараллелыю, и суммарный магнитный момент, создавае­мый такой парой электронов, равен нулю.

Помимо спинового орбитального магнитного момента электрон характеризуется орбитальным магнитным мо­ментом, который возникает за счет протекания элементарного кругового тока, обусловленного вращением электронов по орбитам.

Из квантовой теории следует, что результирующий орбиталь­ный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбитах.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных элект­ронов складываются в результирующие орбитальные спиновые моменты атомов.

Если поместить вещест­во во внешнее магнитное поле, то, взаимодействуя с полем, ве­щество будет намагничиваться.

Для характеристики магнитного состояния вещества используют следующие основные магнитные величины:

Намагниченность М, А/м;

,

где - магнитная вос­приимчивость; - напряженность магнитного поля, А/м.

Если магнитное поле создается соленоидом длиной (м), с чис­лом витков N, через который течет ток I, (А), то напряженность магнитного поля

H = (А/м).

Маг­нитная индукция В, (Тл), характеризующая суммарное поле внутри материала:

,

где —магнитная постоянная, численно равная , характеризующая магнитную проницаемость вакуума;

— отно­сительная магнитная проницаемость вещества, которая показыва­ет, во сколько раз магнитная проницаемость данной среды больше магнитной проницаемости вакуума (величина безразмерная).

Все вещества по магнитным свойствам делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагиетики и ферриты и различаются по величине и знаку магнитной вос­приимчивости , а также 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 , а магнитная проницае­мость и не зависит от напряженности внешнего маг­нитного поля. Диамагнетики отличаются тем, что они выталкиваются из не­однородного магнитного поля.

К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд ме­таллов: Си, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Hg, Pb, B, Ga, Sb, а также графит, стекло и др.

Вещества, атомы которых имеют постоянные магнитные мо­менты, могут быть парамагнитными, антиферромагнитными или ферримагнитными в зависимости от характера взаимодействия между магнитными моментами атомов.

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 статистически рав­новероятно относительно любого направления (рис. 5.1, а) и сум­марный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление распо­ложения элементарных магнитных моментов, то есть материал оказывает­ся намагниченным, однако при обычных полях и температурах на­магниченность парамагнетиков очень мала. Магнитная восприим­чивость их положительна и имеет значение 10^-5….10^-2.

У парамагнетиков магнитная проницаемость близка к 1 и практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. С повышением температуры, при неиз­мененной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность М убы­вает (рис.5.2).

Рис.5.1. Схематическое изображение расположе­ния спинов в парамагнит­ных (а), ферромагнит­ных (б), антиферромаг­нитных (в) и ферримагнитных (г) веществах

Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в неодно­родное магнитное поле.

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли желе­за, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Са, А1, Сг, Mo, Mn, Pt, Pd и др.

Ферромагнетиками называют вещества, в которых магнитные мо­менты атомов взаимодействуют так, что они выстраиваются парал­лельно друг другу (рис.5.1,б). Ферромагнетики в большинстве случаев имеют кристаллическую структуру и характеризуются боль­шими положительными значения­ми (до сотен тысяч и миллионов) и сложной нелинейной зависи­мостью от температуры и внеш­него магнитного поля. Характерная особенность ферромагнетиков — способность сильно намагничиваться даже при обычных темпера­турах в слабых полях. При комнатной температуре ферромагнетизмом обладают три чистых металла: железо (Fe), никель (Ni) и кобальт (Co).

Рис. 5.2. Зависимость намагниченности М от на­пряженности магнитного поля: а - для диамагнетиков (1) и для парамагнетиков (2); б — для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

Антиферромагнетиками называют вещества, в которых магнит­ные моменты атомов взаимодействуют так, что они стремятся выстроиться антипараллельно друг другу (рис.5.1,в). В отсутствие внеш­него магнитного поля энергетически выгодно антипараллельное расположение соседних спинов и имеет место взаимная компенса­ция магнитных моментов атомов.

Теоретическое обоснование явления антиферромагнетизма впервые было дано советским физиком Л. Д. Ландау в 1933 г. Французский физик Л. Неель занимался исследованиями в этой области, поэтому теорию антиферромагнетизма и ферримагнетизма называют теорией Нееля. Одно из основных положений теории Нееля сводится к тому, что кри­сталлическая решетка некоторых соединений рассматривается как сложная структура, состоящая из двух (и более) подрешеток, намагниченных противоположно друг другу.

Антиферромагнетикам свойственна специфическая температур­ная зависимость магнитной восприимчивости. В близи 0 К магнитные моменты подрешеток компенсируют друг друга и результирующий магнитный момент антиферромагнетика во внешнем поле равен пулю. По мере повышения температуры ан­типараллельное расположение спинов постепенно нарушается и магнитная восприимчивость возрастает, достигая максимума в точ­ке Нееля (рис.5.3), в которой упорядоченное расположение спинов полностью нарушается и антиферромагнетик становится парамагнетиком.

Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков мала и со­ставляет . В слабых полях антиферромагнетиков практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в сильных полях обычно является сложной функцией от напряженности магнитного поля.

К антиферромагнетикам относятся редкоземельные металлы— Се, Рr, Nd, Sm и Еu, а также Сr и Мn; многие окислы, хлориды, фториды, сульфиды, карбонаты переходных элементов, например на основе марганца: MnO, MnCI2, MnF2, MnS2 и другие, аналогично на основе Fe, Co, Ni, Cr.

Рис.5.3. Зависимость магнитной восприимчиво­сти антиферромагнетика от температуры

Ферримагнетиками (или нескомпенсированными антиферро-магнетиками) называют вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу (рис.5.1,г), однако величины этих магнит­ных моментов имеют различные значения, благодаря чему резуль­тирующая намагниченность может быть большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты — соединения, которые могут иметь различную структуру кристаллической решетки типа шпинели, граната, каменной соли, гексагональную и другую. Ферриты со структурой типа шпинели представляют собой соединения оки­си железа Fе₂O₃ с окислами других металлов, структурная форму­ла которых , где Me — двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Cu, Cd, Mg и другие.). Применяются однокомпонентные ферриты, в которых ионы двухвалентного металла одинаковы, а также двух- и многокомпонентные.

Магнитные параметры ферритов в постоянных и низко­частотных магнитных полях ниже соответствующих параметров металлических магнитных материалов, поэтому ферриты получи­ли практическое применение значительно позднее в связи с разви­тием ВЧ-техники.

Безусловные преимущества ферритов при работе в ВЧ-диапазоне объясняются тем, что их удельное электрическое сопротивле­ние в раз превышает удельное сопротивление металли­ческих ферромагнетиков, так как они являются оксидными соеди­нениями, а не металлами. По значению удельного электрического сопротивления они относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Вследствие этого вихревые токи в ферритах при воздействии на них переменных магнитных полей очень малы и они применяются в качестве магнитного материала при частотах до сотен мегагерц.

Date: 2015-07-25; view: 856; Нарушение авторских прав