2015-05-27
4135Все существующие в природе вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на пять видов магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).
Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждая единица объёма — намагниченность M), пропорциональный магнитной индукции B и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ= M/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
Другими словами, магнитная проницаемость μ≤ 1 и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения. Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик.
Физическая природа основана на классической модели атома, в которой считается что электроны движутся вокруг ядра по замкнутым орбиталям. Каждая электронная орбита аналогична витку с током. Согласно закону Ленца, при изменении магнитного потока, пронизывающего контур с током, в контуре возникает ЭДС индукции, в результате чего изменяется ток. Это приводит к появлению дополнительного магнитного момента, направленного так, чтобы противодействовать внешнему магнитному полю. Другими словами, индуцированный магнитный момент направлен против поля. В контуре, образуемом движущимся по орбите электроном, в отличие от обычного витка с током, сопротивление = 0. Вследствие этого индуцированный магнитным полем ток сохраняется до тех пор, пока существует поле. Магнитный момент, связанный с этим током, и есть диамагнитный момент.
Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы μ>~1.
Парамагнетическая восприимчивость зависит от температуры: χ=С/Т (закон Кюри).
Природа парамагнетиков: каждый атом обладает определенным магнитным моментом, равным векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов. Так как орбитальные и спиновые моменты от внешнего магнитного поля не зависят, то орбитальный магнитный момента также не зависит от магнитного поля. Для некоторых атомов суммарный магнитный момент равняется нулю вследствие взаимной компенсации спиновых и орбитальных моментов. Атомарный водород (электронная конфигурация 1s1) на s-подуровне имеет всего один электрон. Поэтому для атомарного водорода спиновый момент не скомпенсирован, и он является парамагнетиком. Молекулярный водород Н2 в основном состоянии имеет два s-электрона с взаимно противоположными спинами. Суммарный спиновый, следовательно, и магнитный момент равен нулю. Поэтому, молекулярный водород является диамагнетиком. Аналогично, Li является парамагнитным и т.д.
Ферромагнетики. Для некоторых металлов, сплавов и соединений элементарные атомные магнитные моменты без внешнего магнитного поля ориентированы в одном направлении (рис.5). Такие вещества называются ферромагнетиками.
ферромагнетик — такое вещество, которое при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
Ферромагнетиками являются Fe, Ni, Co, их сплавы, ряд других соединений. Параллельная ориентация элементарных магнитных моментов имеет место не по всему объему ферромагнетика, а только в пределах небольших, макроскопических областей. Эти области, в пределах которых элементарные моменты ориентированы в одном направлении, называются доменами. Домены можно наблюдать под микроскопом при небольшом увеличении. В пределах домена ферромагнетик намагничен до насыщения. Такое намагничивание ферромагнетика происходит самопроизвольно, спонтанно без приложения внешнего поля. Ферромагнетик разбивается на большое число доменов. Направления намагничивания отдельных доменов различны. Поэтому полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю.
Тепловое движение разрушает ферромагнитный порядок. Поэтому намагниченность ферромагнетика с повышением температуры снижается. В области низких температур намагниченность меняется слабо с изменением температуры. Но при некоторой температуре тепловое движение полностью разрушает ферромагнитный порядок, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Эта температура называется температурой Кюри (рис.7). Выше температуры Кюри ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик. Наиболее быстрый спад наблюдается в области температуры Кюри ТС. В районе температуры Кюри наблюдается «хвост» на кривой I(T).
В некоторых соединениях силы обменного взаимодействия приводят к антипараллельной ориентации магнитных моментов атомов. При этом образуются две подрешетки, магнитные моменты которых направлены встречно друг другу (рис.9 а). Соединения, в которых магнитные моменты обеих подрешеток одинаковы по величине и направлены встречно друг другу, называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетиками являются MnO, MnS, NiCr, Cr2O3 и другие соединения. При низких температурах суммарный магнитный момент антиферромагнетика равен нулю. При некоторой температуре антипараллельная ориентация магнитных моментов подрешеток разрушается, и антиферромагнетик превращается в парамагнетик. Это температура называется антиферромагнитной температурой Кюри или температурой Неля.
 |
Если магнитные моменты подрешеток не одинаковы по величине, то появляется некомпенсированный магнитный момент (рис.9 б). Такие соединения называются ферритами или ферримагнетиками. Антиферромагнетики и ферриты также имеют доменную структуру, подобно ферромагнетикам.
