Классификация материалов по магнитным свойствам

По магнитным свойствам материалы подразделяются на группы: 1) диамагнитные; 2) парамагнитные; 3) ферромагнитные; 4) антиферромагнитные; 5) ферримагнитные.

Диамагнитные материалы намагничиваются в направлении, противоположном внешнему магнитному полю. Магнитная восприимчивость χ_м <<0 (порядка 10^-4 –10^-6). Диамагнетизм обусловлен орбитальными магнитными моментами и проявляется, когда число электронов в атоме четное, то есть спиновые моменты скомпенсированы. Внешне он проявляется в выталкивании вещества из поля. Диамагнетиками являются Cu, Ag, Au, H₂O и т.д.

Парамагнитные материалы – вещества, у которых спиновые магнитные моменты атома не скомпенсированы (рис. 1.4). При Н=0 они ориентированы хаотично. В магнитном поле (Н≠0) магнитные моменты стремятся ориентироваться по направлению поля. Но этому препятствует тепловое движение частиц. Поэтому магнитная восприимчивость парамагнетиков зависит от температуры (закон Кюри): χ_м = , здесь С – постоянная Кюри (для парамагнетиков χ_м ~ 10^-4–10^-5). Поскольку χ_м>0, парамагнетики втягиваются в магнитное поле. По физической природе парамагнетизм аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков. Парамагнетиками при нормальных условиях являются щелочные и некоторые переходные металлы.

Ферромагнитные материалы (χ_м>>0 и достигает нескольких тысяч) подобно парамагнетикам имеют нескомпенсированные спиновые моменты (рис. 1.4 (2)). В ферромагнетиках существуют области спонтанной (самопроизвольной) намагниченности, называемые доменами. Каждый домен намагничен до насыщения, т.е. внутри него магнитные моменты соседних атомов расположены параллельно благодаря параллельности спинов электронов незаполненных оболочек. Это обусловлено обменным взаимодействием этих электронов. Обменное взаимодействие реализуется в кристаллической решетке при взаимном перекрытии электронных оболочек соседних атомов. При этом электрон одного атома частично принадлежит другому. В результате этого энергия системы будет различной при параллельной и антипараллельной ориентации спинов. Энергия обменного взаимодействия выражается формулой E_обм=–2As₁s₂cos , где s₁, s₂ – результирующие спины атомов, – угол между векторами этих спинов, А–константа обменного взаимодействия (представляет собой разность энергий двух электронов при параллельной и антипараллельной ориентации спинов).

Если A>0, Е_обм минимальна при =0, т.е. при параллельной ориентации спинов. В этом случае вещество ферромагнитно.

Если A<0, Е_обм минимальна при =180, т.е. при антипараллельной ориентации спинов, вещество при этом антиферромагнитно.

Константа обменного взаимодействия зависит от расстояния между соседними атомами в кристаллической решетке.

К ферромагнетикам относятся: Fe, Ni, Co; редкоземельные элементы; сплавы магнитных элементов; сплавы магнитных и немагнитных элементов; сплавы на основе немагнитных элементов (например, сплавы на основе Mn).

Антиферромагнитные материалы характеризуются антипараллельной ориентацией спинов соседних атомов. Кристаллическую решетку антиферромагнетика можно представить как состоящую из двух подрешеток с противоположной ориентацией спинов. Суммарные магнитные моменты этих подрешеток скомпенсированы, и при Н=0 J=0. Антиферромагнетиками являются Mn, Cr, NiO, MnO, Fe₂O₃ и т.д.

Ферримагнитные материалы можно представить как антиферромагнетики с нескомпенсированными магнитными моментами подрешеток. При H=0 J≠0, т.е. вещество, так же как и ферромагнетик, спонтанно намагничено. К ферримагнетикам относятся ферриты, некоторые диэлектрики и полупроводники.