Антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты)

Ферромагнитное состояние возникает, если спиновые магнитные моменты взаимодействующих электронов ориентируются параллельно друг другу (рис. 8.10, а.)

Если же эти моменты ориентируются антипараллельно (рис. 8.10, б), то вещество при абсолютном нуле температуры совершенно немагнитно из-за компенсации магнитных полей в парных взаимодействиях. Такие тела называются антиферромагнетиками.

а

ба

вба

Рисунок 8.10. Ориентация спинов при температуре, близкой к абсолютному нулю: а - в ферромагнетике; б и в -в антиферромагнетике

При нагревании такая ориентация спинов нарушается и некоторые пары приобретают параллельную ориентацию спинов - появляется намагничение вещества. Это происходит вплоть до некоторой температуры – температуры Нееля или антиферромагнитной температуры Кюри. Выше этой температуры вещество проявляет обычные парамагнитные свойства.

Антиферромагнетиками являются окись хрома Сr₂О₃, соединения марганца с кислородом МnO₂, селеном MnSe, теллуром МnТе, мышьяком MnAs и многие другие вещества. Кристаллическая решетка антиферромагнетика как бы состоит из двух подрешеток, намагниченных в одинаковой степени, но в противоположных направлениях (рис. 8.11, а). Поэтому суммарная намагниченность равна нулю.

а)

б)

Рисунок 8.11. Ориентация спинов

а) в антиферромагнетике, б) в ферримагнетике.

Например, магнитная структура MnO рассматривается как сложная структура, состоящая из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу (рис. 8.12). Как ионы марганца, так и ионы кислорода образуют гранецентрированную кубическую решетку. Эти две решетки скомбинированы таким образом, что ионы металла имеют в качестве ближайших соседей только ионы кислорода, и наоборот (структурный тип NaCl). Магнитная структура ионов Mg²⁺ такова, что спины ионов, расположенных в плоскостях (111) гранецентрированной кубической решетки марганца (на рисунке выделены точечными линиями), параллельны, а спины ионов смежных слоев антипараллельны. Очевидно, что моменты ионов в обоих направлениях компенсируются, и тело в целом не обладает спонтанной намагниченностью.

Рисунок 8.11. Магнитная структура окисла марганца MnO
(показаны только ионы марганца).

Антиферромагнетики так же, как и ферромагнетики, обладают доменной структурой и испытывают явление гистерезиса при перемагничевании.

Однако существуют соединения, кристаллическая решетка которых также состоит из двух подрешеток, но с различной по величине намагниченностью (рис. 8.11, б). К ним относятся вещества, в соседних узлах решетки которых находятся разнородные по своим магнитным свойствам атомы. В результате обменного взаимодействия полной компенсации магнитных моментов не происходит. Магнитные свойства таких веществ, называемых ферримагнетиками или ферритами, похожи на свойства ферромагнетиков.

Ферримагнетики также как и ферромагнетики обладают спонтанной намагниченностью, которая обусловлена нескомпенсированными магнитными моментами различных подрешеток. Возникающая ферримагнитная упорядоченность моментов описывается определённой магнитной структурой, т. е. разбиением кристалла на магнитные подрешётки, величиной и направлением векторов их намагниченностей.

Ферримагнетики характеризуются достаточно высокими значениями спонтанного магнитного момента и намагниченностью насыщения, достигающей 6400 Гс для Fe₃O₄, 1800 Гс для MgFe₂O4, 6000 Гс для CoFe₂O₄, 9000 Гс для Nd₂Fe₁₄B.

Ферримагнетики могут обладать свойствами, как металлов – сплавы типа SmCo₅ (T_К=1020 K), CdCo₅, так и диэлектриков либо полупроводников. Значительный интерес к ферримагнетикам-диэлектрикам обусловлен низкими значениями вихревых токов, характерных для металлов. Это позволяет их использовать на высоких и сверхвысоких частотах, в то время как металлы теряют свою добротность даже при умеренных частотах.

Ферриты нашли широкое применение в электро- и радиотехнике благодаря сочетанию очень хороших магнитных свойств широкого диапазона и большого электрического сопротивления. Из ферритов изготавливают, в частности, стержни магнитных антенн, сердечники высокочастотных трансформаторов и т.д.

Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике, получили ферриты, сочетающие ферромагнитные и полупроводниковые свойства.

Контрольные вопросы

1. На какие виды подразделяются вещества по магнитным свойствам?

2. Какими элементарными частицами, в основном, определяются магнитные свойства веществ?

3. Что является мерой взаимодействия магнита с внешним магнитным полем?

4. В чем отличие орбитального и спинового магнитных моментов?

5. Что такое «магнитная восприимчивость», «магнитная постоянная» и «относительная магнитная проницаемость»?

6. Каковы значения магнитной восприимчивости для диа-, пара- и ферромагнетиков?

7. Объясните природу диамагнетизма. Приведите примеры диамагнитных веществ.

8. Какова природа парамагнетизма?

9. В чем заключается суть закона Кюри?

10. Какие вещества относятся к парамагнетикам?

11. Чем обусловлен ферромагнетизм?

12. Поясните доменную структуру ферромагнетика. Как домены ведут себя во внешнем магнитном поле?

13. Поясните процесс намагничивания ферромагнетика.

14. Объясните ход петли гистерезиса.

15. Что такое «точка (температуру) Кюри»?

16. В чем природа антиферромагнитного состояния вещества? Что происходит с такими веществами после достижения температуры Нееля?

17. Обладают ли антиферромагнетики доменной структурой и испытывают ли явление гистерезиса?

18. Каковы свойства ферритов?

19. Чем отличается ориентация спинов у антиферромагнетиков и ферримагнетиков?

20. Приведите примеры применения в технике веществ с различными магнитными свойствами.