2.3.2. Парамагнетики
У парамагнитных веществ атомы обладают отличными от нуля собственными магнитными моментами, которые в отсутствие внешнего поля ориентированы равновероятно по всем направлениям; поэтому средний магнитный момент вещества равен нулю. При наложени внешнего поля возникают силы, которые преодолевают дезориентирующее действие теплового движения атомов и ориентируют магнитные моменты атомов по полю подобно магнитным стрелкам, помещенным во внешнее поле. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создаваемый прецессией электронных орбит, в результате чего у парамагнетиков общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков имее положительное значение, а > 1. К парамагнетикам относятся многие металлы (магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец) и соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных элементов и др.
У диамагнетиков и парамагнетиков – слабомагнитных веществ – намагниченность невелика и является наведенной внешним поле намагниченностью, которая исчезает вместе с исчезновением поля.
2.3.3 Ферромагнетики
Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества, у которых относительная магнитная проницаемость >> 1 и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Из химически чистых элементов ферромагнитными свойствами обладают только девять: железо, никель, кобальт, гадолиний и при температурах значительно ниже 0°С пять редкооземельных элементов (эрбий, диспрозий, тулий,гольмий и тербий). Однако число ферромагнитных материалов очень велико, потому что к ферромагнитным материалам относятся сплавы ферроматнитных элементов и их сплавы с неферромагнитными элементами. Кроме того, известны ферромагнитные сплавы из неферромагнитных элементов.
Как уже отмечалось, собственный магнитный момент атома определяется суммой орбитальных и спиновых моментов электронов. Эксперименты показали, что ферромагнитные свойства определяются именно нескомпенсированными спинами электронов.
В атомах с достаточно большими порядковыми номерами электроны сгруппированы в электронные оболочки (слои). Максимальное число электронов в слое равно 2n2. В слоях имеются подслои: первый s, второй р, третий d, четвертый f, пятый g. Для каждого подслоя существует свое предельное число электронов, полностью заполняющих подслой, причем у заполненных слоев и подслоев как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты взаимно скомпенсированы.
По мере увеличения числа электронов в атоме происходит последовательное заполнение слоев и подслоев и лишь у ферромагнетиков последовательность нарушается.
На рисунок 2.2,а изображены электронные слои (их номер обозначают цифрой) и подслои (s, p, d) в атоме железа. В скобках около каждого подслоя указано число электронов, необходимое для полного его заполнения. Например, подслой Зd еще не заполнен (в нем шесть элек тронов, а для заполнения нужно десять) и в то же время началось заполнение следующего подслоя 4s, который имеет два электрона. В незаполненном подслое пять электронов обладают положительным (правым) спином и лишь один –отрицательным (левым). Следова тельно, атом железа имеет четыре нескомпенсированных спина. По добное отсутствие компенсации спиновых моментов в одном из внут ренних слоев электронной оболочки атома является необходимым условием ферромагнетизма.
а) электронные слои и подслои атома железа; |
б) график зависимости интеграла обмена от отношения расстояния между атомами а к диаметру незаполненного слоя d. |
Рисунок 2.2 Условия ферромагнетизма
Электроны внешнего (наружного) слоя являются валентными и при химических взаимодействиях различных элементов их магнит ные моменты взаимно компенсируются даже в том случае, когда у отдельно рассматриваемого атома во внешнем слое имеются электро ны с нескомпенсированными спинами.
Наличие нескомпенсированных спинов во внутренних слоях явля ется необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма. Кроме того, изолированные друг от друга атомы таких веществ не проявляют ферромагнитных свойств. Эти свойства наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле, когда электроны внутренних незаполненных слоев принадлежат одновременно и своим и соседним атомам. Такое взаи модействие характеризуется интегралом обмена, величина и знак которого в значительной степени зависят от относительного расстояния между атомами в кристаллической решетке.
При положительном значении этого интеграла обменное взаимо действие атомов приводит к параллельной ориентации нескомпенси рованных спинов, обусловливающей спонтанную (т.е. само произвольную) намагниченность вещества Js, которая характеризует его ферромагнитные свойства. Слово «спонтанная» подчеркивает, что эта намагниченность является следствием сил межатомного взаимо действия, а не появляется, как наведенная намагниченность у диа– и парамагнетиков, лишь в результате воздействия на вещество внеш него магнитного поля.