Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества, у которых относительная магнитная проницаемость m >> 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.