Общие сведения. Магнитное состояние веществ определяет магнетизм

Магнитное состояние веществ определяет магнетизм.

Магнетизм − особая форма взаимодействия, осуществляемого маг­нитным полем, между движущимися электрически заряженными частицами (телам) или частицами (телами) с магнитным моментом.

Магнитный момент М − векторная величина, характеризующая веще­ства как источник магнитного поля. Характеристикой магнитного состояния вещества является на­магниченность J, которая определяется как отношение магнитного момента М вещества к его объему V. При этом достижение макси­мально возможного для данного вещества значения намагниченности называется магнитным насыщением.

Совокупность атомов с упорядоченно ориентированными маг­нитными моментами может образовать самостоятельный элемент структуры вещества − домен.

Домен − элемент субструктуры химически однородного веще­ства, характеризующийся спонтанной (самопроизвольной) намагни­ченностью. Обычно домены имеют размеры ~ 10^-5 ...10^{-2 см и доступны} непосредственному наблюдению.

Вещества в соответствии со схемами ориентации магнитных моментов их атомов классифицируются по магнитному состоянию на парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

У парамагнетиков магнитные моменты атомов внутри каждого домена ориентированы хаотично и взаимно компенсируют друг друга, поэтому материал в целом не намагничен. Парамагнетиками являются: все переход­ные металлы с недостроенными f- и d-электронными оболочками; щелоч­ные и щелочноземельные металлы, ряд солей Fe, Co, Ni и редкоземельных элементов; водные растворы солей, содержащих ионы переходных элемен­тов; из газов − кислород О₂.

У ферромагнетиков внутри каждого домена магнитные моменты ато­мов расположены параллельно друг другу в одном направлении, и поэтому каждый домен спонтанно намагничен до величины магнитного насыще­ния. Вектора намагниченности доменов ферромагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что результи­рующая намагниченность образца в целом, как правило, равна нулю.

Ферромагнетизм проявляется в кристаллах Fe, Co, Ni, ряде редкозе­мельных металлов (Gd, Dy, Er и др.), в сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Сr, Мn и в соединениях U. Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов (например, Fe или Со) в диамагнитной матрице Pd. Ферромагнитные свойства обнаружены также в металлических стеклах и аморфных полупроводниках.

У некоторых веществ более выгодным является антипараллельное упорядочение магнитных моментов в доменах. В этом случае домен состо­ит из двух подрешеток с противоположной ориентацией магнитных мо­ментов атомов. Если магнитные моменты двух подрешеток скомпенсиро­ваны, то такие вещества называют антиферромагнетиками, а если не ском­пенсированы, то возникает результирующий магнитный момент и такие тела называют ферримагнетиками. Антиферромагнитные материалы отно­сятся к группе парамагнетиков, а ферримагнитные − к группе ферромаг­нетиков.

К антиферромагнетикам относятся ряд элементов (твердый кислород, Сг, α-марганец и др.) и порядка тысячи известных химических соединений металлов (NiF₂, FeO и др.). Значительная часть ферримагнетиков − это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но находя­щиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решетки). К ферримагнетикам относятся также ряд упо­рядоченных металлических сплавов, интерметаллиды и, главным образом, различные оксиды, в том числе ферриты.

Вещества даже одного и того же химического состава в зави­симости от кристаллического строения и фазового состава могут на­ходиться в различных магнитных состояниях. Например, Fe, Co и Ni с кристаллическим строением ниже определенной температуры (точ­ка Кюри) обладают ферромагнитными свойствами, а выше этой тем­пературы они парамагнитны. Переход из парамагнитного состояния в антиферромагнитное происходит при понижении температуры (ни­же температуры Нееля T_N) и представляет собой фазовое превращение 2-го рода. У некоторых редкоземельных металлов между ферро- и парамагнитной температурными областями существует антиферро­магнитная область.

Под влиянием внешнего магнитного поля в веществах проте­кают процессы намагничивания, то есть изменения намагниченности, и возникают дополнительные магнитные моменты:

диамагнитный, обусловленный орбитальным движением электронов;

парамагнитный, складывающийся из спиновых магнитных моментов атомов и движения свободных электронов.

Преобладание той или другой составляющей определяет маг­нитные свойства материалов, характеризующие их способность на­магничиваться при воздействии внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм − свойство веществ (диамагнетиков) намагни­чиваться в направлении, противоположном действующему на них внешнему магнитному полю. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако во многих случаях он маскируется парамагнетизмом, ферро­магнетизмом и др. Диамагнетиками являются инертные газы (N₂, Н₂), некоторые металлы (Si, P, Bi, Zn, Си, Au, Ag, Hg), растворы, сплавы и химические соединения (например, галогенов), а также многие ор­ганические и неорганические соединения с неполярной связью. На­магниченность, связанная с диамагнетизмом, обычно невелика, и ис­ключение представляют сверхпроводники, которые иногда относят к диамагнетикам.

Парамагнетизм − свойство веществ (парамагнетиков), поме­ченных во внешнее магнитное поле, намагничиваться в направлении, совпадающем с направлением этого поля. В парамагнетиках проис­ходит ориентация хаотически колеблющихся магнитных моментов атомов или ионов в направлении поля. Парамагнетизм наблюдается у щелочных (Li, К, Na и др.), щелочноземельных (Са, Ra, Ba) и пере­ходных металлов (кроме Fe, Ni, Со, Мn, Сr).

В ферромагнетиках под действием внешнего магнитного поля число и размеры доменов, намагниченных по полю, увеличиваются за счет других доменов. Рост доменов обусловлен движением доменных стенок. Кроме того, векторы намагниченности отдельных доменов могут поворачиваться по полю. Изменение формы, размеров и ори­ентации доменов может привести к магнитострикции.

В достаточно сильном магнитном поле ферромагнитный обра­зец намагничивается до насыщения.

Намагниченность насыщения − состояние ферромагнетика, при котором его намагниченность достигает предельного значения J_m, не меняющегося при дальнейшем увеличении напряженности намагни­чивающего поля. При этом образец состоит как бы из одного домена с намагниченностью насыщения, направленной по полю.

Намагниченность насыщения чистых металлов является кон­стантой и не изменяется при пластической деформации или термиче­ской обработке. Намагниченность насыщения однофазных сплавов определяется их составом, а гетерогенных, состоящих из ферромаг­нитной и парамагнитной фаз, − составом и количеством ферромаг­нитной фазы. Она не зависит от дисперсности фаз, уровня микро- и макронапряжений, изменения плотности дислокаций. Таким образом, намагниченность насыщения не является структурно чувствительным свойством.