Природа магнетизма и магнитные свойства веществ

ПЛАН-КОНСПЕКТ (ТЕЗИСЫЛЕКЦИИ)

проведения занятия по дисциплине «Химия радиоматериалов»

Классификация и свойства магнитных материалов

(полное название темы в соответствии с тематическим планом)

\

Воронеж – 2011

ТЕМЫБЛОКА

Тема №12

ПРИРОДА МАГНЕТИЗМА И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВ

Магнетик — вещество, основным свойством которого является способность намагничиваться.

Магнитные свойства всех веществ обусловлены магнит­ными свойствами атомов, которые в свою очередь опреде­ляются магнитными свойствами электронов, поскольку магнетизм других частиц — нейтронов, протонов — весь­ма незначительный.

Электрон обладает орбитальным и спиновым магнит­ными моментами, которые, геометрически складываясь, создают результирующий момент атома. Следует подчер­кнуть, что на полностью заполненных электронами орби­тах спиновый и орбитальный моменты скомпенсированы и, таким образом, магнитный момент атома определяется только электронами на не полностью заполненных внутренних орбитах.

Суммарный магнитный момент всех атомов в единице объема называется намагниченностью J. Намагниченность J= О, когда вещество не намагничено, т.е. в пространстве, окружающем вещество, отсутствует внешнее магнитное поле. При помещении вещества в магнитное поле с напря­женностью Н происходит ориентация магнитных момен­тов атомов и намагниченность определяется соотношени­ем J = kH, где k — безразмерная величина, которая называется магнитная восприимчивость. Она характери­зует способность веществ намагничиваться во внешнем маг­нитном поле с напряженностью Н.

На практике способность веществ намагничиваться при­нято характеризовать относительной магнитной прони­цаемостью μ= (1 + k), которая фактически является ко­эффициентом пропорциональности, связывающим магнит­ную индукцию в веществе с напряженностью внешнего поля Н. Магнитная проницаемость μ показывает, во сколько раз магнитная индукция В поля в веществе больше, чем магнитная индукция В_о в вакууме.

В соответствии с численными значениями k μ, а так­же характером их зависимости от напряженности внешнего поля Н и температуры Т различают следующие ос­новные типы магнитных явлений и магнетиков:

• диамагнетизм — диамагнетики k ~ -10^-5 < 0, μ < 1;

• парамагнетизм — парамагнетики к ~ (10 ^-3...10 ^-6) >0, μ ~ 1;

• ферромагнетизм — ферромагнетики k ~ 10⁶ »0, μ »1;

• антиферромагнетизм — антиферромагнетики к~(10 ^-3...10-⁵)> 0, μ > 1;

• ферримагнетизм —ферримагнетики k ~ (10³...10⁵) > О,

Диамагнитный эффект заключается в том, что под дей­ствием внешнего магнитного поля возникающий в веще­стве магнитный момент направлен противоположно на­правлению внешнего поля. Следовательно, магнитная вос­приимчивость — величина отрицательная, очень мала и часто не зависит от напряженности поля и температуры. Диамагнетизм проявляется в веществах, в которых орби­тальные и спиновые моменты атомов полностью ском­пенсированы. К ним относятся водород, инертные газы, цветные и благородные металлы.

Парамагнитный эффект наблюдается в веществах с не-скомпенсированными орбитальным и спиновым магнит­ными моментами, когда отсутствует магнитный атомный порядок. При отсутствии внешнего поля векторы магнит­ных моментов разориентированы и суммарный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля воз­никает преимущественная ориентация магнитных момен­тов вдоль него. Однако k очень мала и существенно зави­сит от температуры. К веществам данного класса отно­сятся щелочные, щелочно-земельные и некоторые переход­ные металлы.

Ферромагнитный эффект заключается в том, что при температуре ниже точки Кюри даже в отсутствие внешне­го поля существует ферромагнитный атомный порядок. Ему соответствует параллельное расположение спиновых моментов. Это означает, что при напряженности поля Н = О ферромагнетик находится в состоянии самопроизвольного или спонтанного намагничивания. Магнитная восприим­чивость k » 0 и существенно зависит от напряженности внешнего поля и температуры. К ферромагнетикам отно­сятся Fe, Ni, Co, Cd, их соединения и сплавы, а также неко­торые сплавы Mn, Ag, A1.

Ферромагнетики характеризуются:

• кристаллическим строением и доменной структурой при температурах ниже точки Кюри;

• нелинейной зависимостью μ и k от Н и температуры;

• способностью даже в слабых полях намагничиваться до насыщения, когда магнитные моменты всех атомов со­риентированы по направлению внешнего поля;

• магнитным гистерезисом, т.е. отставанием намагни­ченности от внешнего поля Н;

• температурой Кюри Т_к, выше которой теряются маг­нитные свойства, т.е. разрушается ферромагнитный атом­ный порядок.

Антиферромагнитный эффект характеризуется нали­чием антиферромагнитного атомного порядка, когда маг­нитные моменты соседних атомов ориентированы антипа-раллельно и скомпенсированы так, что при Н = 0 резуль­тирующий магнитный момент равен нулю. Под действи­ем внешнего поля магнитные моменты атомов устанавли­ваются по его направлению. Поэтому k положительна, но очень мала и сильно зависит от температуры.

Ферримагнитный эффект — это некомпенсированный антиферромагнетизм, который характеризуется ферримагнитным атомным порядком. Это означает, что магнит­ные моменты атомов антипараллельны и нескомпенсированы. Эффект проявляется в том, что вещество по крис­таллической структуре состоит из двух подрешеток, со­здающих встречные нескомпенсированные моменты. Для таких веществ k» О и зависит от температуры, причем при некоторой Т_н, называемой температурой (точкой) Нееля, наступает компенсация встречных магнитных мо­ментов и вещество теряет магнитные свойства. Точка Кюри для некоторых ферримагнетиков может совпадать с точ­кой Нееля, а может быть и несколько выше.

При температурах выше точки Кюри для ферромагне­тиков и выше точки Нееля для антиферромагнетиков и ферримагнетиков нарушается соответствующий атомный магнитный порядок и они переходят в парамагнитное со­стояние.

Деталь­ная классификация магнитных материалов дана на рис. 1.

Рис.1. Классификация магнитных материалов.