§ 39. Виды магнетиков.

Опыт и теория показывают, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, т. е. намагничиваются, и потому в некоторой мере изменяют внешнее (первоначальное) поле. При этом оказывается, что одни вещества ослабляют внешнее поле, а другие — усиливают его; первые называются диамагнитными, вторые — парамагнитными веществами, или, короче, диамагнетиками и парамагнетиками. Среди парамагнетиков резко выделяется группа веществ, вызывающих очень большое усиление внешнего поля. Эти вещества называются ферромагнетиками.

1. Подавляющее большинство веществ относится к диамагнетикам. Диамагнетиками являются такие элементы, как фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (висмут, ртуть, золото, серебро, медь и др.), большинство химических соединений (в том числе вода и почти все органические соединения).

В атомах и молекулах любого вещества имеются круговые токи, образованные движением электронов по орбитам вокруг ядер — орбитальные токи. Каждому орбитальному току соответствует определенный магнитный момент, называемый орбитальным магнитным моментом. Кроме того, электроны обладают собственным, или спиновым, магнитным моментом. Собственным магнитным моментом обладает также ядро атома. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.

У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю, так как имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты взаимно компенсируются. Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов возникает (индуцируется) магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему полю

Рассмотрим подробнее механизм намагничивания. Предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора произвольным образом, составляя с ним угол (рис. 39.1), то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг , при котором вектор магнитного момента , сохраняя постоянным угол , вращается вокруг вектора с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения (рис. 39.2).

рис. 39.1(выбрать один рисунок)

рис. 39.2

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то (согласно правилу Ленца(см.§ )) у атома появляется составляющая магнит ного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атмов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

На рис. 39.3. представлен график зависимости намагниченности от напряженности внешнего намагничивающего поля.

Рис. 39.3(оставить только для диамагнетика)

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

Абсолютное значение магнитной восприимчивости для диамагнетиков очень мало (порядка 10^-4—10^-6), и для них незначительно отличается от единицы. Это просто понять, так как магнитное поле молекулярных токов значительно слабее намагничивающего поля. Таким образом, для диамагнетиков <0 и <1.

2. Прамагнетики — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля. К парамагнетикам относятся некоторые газы (кислород, азот) и металлы (алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным.

На рис. 39.4. представлена зависимость намагниченности парамагнетиков от напряженности внешнего поля.

Рис. 39.4(оставить только для парамагнетиков)

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.

Так как абсолютное значение магнитной восприимчивости парамагнетиков, как и для диамагнетиков, очень мало, то для них незначительно отличается от единицы. Таким образом, для парамагнетиков >0 и >1.

Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным. Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной поляризации диэлектриков с полярными молекулами, только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничивания.

Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком.

3. Ферромагнетики. Ферромагнетики — сильномагнитные вещества —вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В довольно малочисленную группу ферромагнетиков входят железо, никель, кобальт, гадолиний и диспрозий, а также некоторые сплавы и окислы этих металлов и некоторые сплавы марганца и хрома.

Описательная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком П. Вейссом (1865 — 1940). Последовательная количественная теория на основе квантовой механики развита Я. И. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом (1901 - 1976).

Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878г. для железа русским физиком А.Г.Столетовым (1839—1896), является довольно сложной. По мере возрастания намагниченность сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение , уже не зависящее от напряженности поля (рис. 39.5). Подобный характер зависимости от можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля возрастает степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю. Однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше несориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение прекращается и наступает магнитное насыщение.

Рис. 39.5(оставить только для ферромагнетика)

Магнитная индукция см. (38.8) в слабых полях растет быстро с увеличением вследствие возрастания J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно ( ), В возрастает с увеличением Н по линейному закону (рис. 39.6).

рис. 39.6

Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость от (рис. 39.7). Вначале растет с увеличением , затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 ( , поэтому при с ростом отношение , а ).

Рис. 39.7

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от ) определяется предысторией намагничивания ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (рис. 39.8, точка 1), а затем начать уменьшать напряженность намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение описывается кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При Н=0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничивание J_oc.

рис. (39.8)

С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничивание обращается в нуль под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4—5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6—1).

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1—2—3—4—5—6—1, которая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией , т.е. одному и тому же значению соответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1—2 А/см) коэрцитивной силой (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) — жесткими. Величины , J_oc и определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Так, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мягкие (например, мягкое железо, сплав железа с никелем) — для изготовления сердечников трансформаторов.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Рассмотри физическую природу ферромагнетизма. Согласно представлениям Вейсса, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Спонтанное намагничивание, однако, находится в кажущемся противоречии с тем, что многие ферромагнитные материалы даже при температурах ниже точки Кюри не намагничены. Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения (как и для сегнетоэлектриков в случае электрического поля).

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга (рис. 15.4), поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен пулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом намагниченность (см. рис. 39.5) и магнитная индукция В (см. рис. 39.6) уже в довольно слабых полях растут очень быстро. Этим объясняется также увеличение ферромагнетиков до максимального значения в слабых полях (см. рис. 39.7). Эксперименты показали, что зависимость В от Н не является такой плавной, а имеет ступенчатый вид, как показано на рис. 39.6. Это свидетельствует о том, что внутри ферромагнетика домены поворачиваются по полю скачком.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничивание, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты столь крупных образований, какими являются домены. Поэтому и наблюдается явление магнитного гистерезиса. Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу; размагничиванию способствуют также встряхивание и нагревание ферромагнетика. Точка Кюри оказывается той температурой, выше которой происходит разрушение доменной структуры.

Существование доменов в ферромагнетиках доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. На тщательно отполированную поверхность ферромагнетика наносится водная суспензия мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетита). Частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т.е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом. Линейные размеры доменов оказались равными 10^-4—10^-2см.

Дальнейшее развитие теории ферромагнетизма Френкелем и Гейзенбергом, а также ряд экспериментальных фактов позволили выяснить природу элементарных носителей ферромагнетизма. В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с нескомпенсированными спинами. В подобных кристаллах могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания. Эти силы, называемые обменными силами, имеют квантовую природу — они обусловлены волновыми свойствами электронов.

Так как ферромагнетизм наблюдается только в кристаллах, а они обладают анизотропией, то в монокристаллах ферромагнетиков должна иметь место анизотропия магнитных свойств (их зависимость от направления в кристалле). Действительно, опыт показывает, что в одних направлениях в кристалле его намагниченность при данном значении напряженности магнитного поля наибольшая (направление легчайшего намагничивания), в других — наименьшая (направление трудного намагничивания).

Процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции (открыто Д. Джоулем, 1842). Величина и знак эффекта зависят от напряженности намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.

4. Антиферромагнетики. Антиферромагнетики - вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллелъную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Их существование теоретически было предсказано Л.Д.Ландау. Первыми соединениями, в которых был обнаружен антиферромагнетизм, были слоистые хлориды Fe, Co и Ni. Антиферромагнетиками являются хром, марганец, ряд редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Nm и др.). Известно более тысячи соединений, обладающих антиферромагнитными свойствами. Простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа оксидов, галогенидов, сульфидов, фторидов, сульфатов, карбонатов и т.п. также являются типичными антиферромагнетиками. Типичными представителями кристаллов с простой антиферромагнитной структурой являются оксиды переходных металлов. К антиферромагнетикам принадлежит твердый кислород ( -модификация, существующая при Т<24 К).

Антиферромагнетик также как, ферромагнетик разбивается на домены. Внутри которых спины электронов соседних атомов антипараллельны (рис.39.9). В структуре антиферромагнетика суммарная намагниченность кристалла отсутствует, так как магнитные моменты атомов взаимно компенсируются. Макроскопический суммарный момент единицы объема (одного домена) магнитной элементарной ячейки такой структуры равен нулю.

Рис. 39.9 (внутри ячеек антипараллеьные ориентации спинов)

Для антиферромагнетиков характерны небольшие значения магнитной восприимчивости, сильно зависящие от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход II рода в парамагнитное состояние при температуре Т_N — так называемой точке Нееля (антиферромагнитная точка Кюри), при которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается. В интервале температур ниже точки Нееля в большинстве случаев вещество остается антиферромагнетиком.

В основном антиферромагнетики пока еще не находят практического применения. Однако изучение физических свойств антиферромагнетиков играет большую роль в современном развитии физики магнитных явлений и особенно теории фазовых переходов и исследований свойств одно- и двухмерных магнитных структур. Возможные приложения могут найти антиферромагнетики-полупроводники. Особого внимания заслуживают -Fe₂O₃ и FeBO₃, в которых можно заметно изменять скорость звука, прикладывая сравнительно слабое магнитное поле. Среди антиферромагнетиков, относящихся к боридам и халькогенидам, есть сверхпроводники (например, SmRhB₄ с температурой перехода в сверхпроводящее состояние =2,7К, CdMo₆S₈ с =1,4К и др.).

5. Ферримагнетики. Ферримагнетики - вещества, у которых элементарные магнитные моменты, ионов, входящих в состав, образуют две или большее число подсистем – магнитных подрешёток, магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно, как и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешёток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю. То есть ферримагнетик разбивается на домены и внутри каждого домена существует несколько групп молекул (ионов) (внутри группы одинаковая ориентация спинов) у которых спины ориентированы произвольно (рис. 39.10).

Рис. 39.10 (внутри ячеек для ферримагнетика)

Термин "ферримагнетик" был введён Л. Неелем (1948) и происходит от слова феррит – названия большого класса окислов переходных элементов, в которых явление ферримагнетизма было впервые обнаружено.

Ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью. Различные подрешётки в них состоят из различных атомов или ионов, например, ими могут быть различные ионы железа, Fe²⁺ и Fe³⁺. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты (химические соединения типа Me Fe₂O₃, где Me — ион двухвалентного металла (Мn, Со, Ni, Cu, Mg, Zn, Cd, Fe)).

Ферримагнетики отличаются заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем у металлов). Для ферримагнетиков существует точка Кюри - температура выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. Данный переход является переходом II рода и сопровождается характерными аномалиями теплоёмкости, линейного расширения, гальваномагнитных и др. свойств. Ферримагнетики имеют характерную кривую намагничивания с насыщением и гистерезисом. В них наблюдается магнитострикция. В ферримагнетиках с при доступных значениях магнитного поля насыщения обычно не наблюдается.

Самопроизвольная намагниченность J вещества в ферримагнитном состоянии равна векторной сумме намагниченностей всех подрешёток. Ферримагнетики можно рассматривать как наиболее общий вариант магнитного упорядоченного вещества. С этой точки зрения и ферромагнетики (в веществе имеется только одна подрешётка) и антиферромагнетики (когда все подрешётки состоят из одинаковых магнитных ионов и J=0) это частные случаи ферримагнетиков.

Изучение ферримагнетизма развивалось очень бурно и далеко продвинуло физику магнитных явлений. Удалось создать теорию ферримагнетиков-диэлектриков (большинство ферримагнетиков является диэлектриками); многие магнитные диэлектрики стали широко применяться в радиотехнике, СВЧ-технике, вычислительной технике. Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, ферритовых антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике и т.д.