Классификация веществ по магнитным свойствам

4.Классификация материалов по магнитным свойствам.

В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.

Диамагнетики

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0). Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.

Парамагнетики

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0). Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.

Ферромагнетики

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается. Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.

2. Классификация веществ по магнитным свойствам

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру магнитного упорядочения все вещества делятся на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).

К диамагнетикам относятся вещества, в которых магнитная проницаемость меньше единицы и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Обычно магнитная проницаемость близка к единице. Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального обращения электронов при внесении атома в магнитное поле и присутствует в любом веществе.

Парамагнетики — это вещества с магнитной проницаемостью, немного больше единицы и не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. Парамагнетизм обусловлен преобладающей ориентацией магнитных моментов отдельных атомов, которые находятся в тепловом хаотичном движении, в одном направлении при внесении вещества в магнитное поле (рис. 4.3, а).

Ферромагнетики — вещества со значительной магнитной проницаемостью, которая сильно зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Ферромагнетизму присуща внутренняя упорядоченность, которая выражается в существовании макроскопических областей, внутри которых существует параллельная ориентация магнитных моментов атомов даже при отсутствии внешнего магнитного поля (рис. 4.3, б). Такие области называются доменами. Важнейшая особенность ферромагнетиков — их способность намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

В антиферромагнетиках, в отличие от ферромагнетиков, ниже некоторой критической температуры Нееля возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов (см. рис. 4.3, в). Поэтому, несмотря на магнитное упорядочение, суммарная намагниченность антиферромагнетика при отсутствии магнитного поля равняется нулю.

К ферримагнетикам (ферритам) относятся вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом (см. рис. 4.3, г). Они имеют свойства, характерные для ферромагнетиков, но отличаются от них больше высоким удельным сопротивлением и низкой индукцией насыщения. Их высокое удельное сопротивление обусловлено тем, что это оксиды металлов: MeО•Fe₂O₃, где Me — символ двухвалентного металла. Низкая индукция насыщения связана с антипараллельной ориентацией магнитных моментов отдельных атомов.

В технике получили применение в качестве магнитных материалов только ферромагнетики и ферриты.

Известно, что магнитные свойства вещества определяются спиновыми и орбитальными магнитными моментами электронов, а также магнитными моментами ядер атомов. Для того чтобы атом имел результирующий магнитный момент, отличный от нуля во время отсутствия магнитного поля, должны быть нескомпенсированы магнитные моменты спинов электронов. Это возможно только в атомах с незаполненными внешними оболочками. К ним относятся атомы элементов переходной группы: железа, никеля, кобальта и редкоземельных элементов.

Однако наличие магнитных моментов атомов еще не является достаточным условием для существования ферромагнетизма. Явление ферромагнетизма возможно при наличии взаимной ориентации постоянных магнитных моментов групп атомов в одном направлении. Поэтому между магнитными моментами отдельных соседних атомов должно существовать сильное взаимодействие. Подобное обменное взаимодействие нельзя описать с помощью классических моделей, оно представляет собой квантовый эффект,

При взаимодействии атомов с нескомпенсированными спинами с моментом количества движения иобменная энергия пропорциональна этим моментам:

(4.16)

где А — обменный интеграл.

Если расстояние между атомами мало, то обменный интеграл отрицательный и энергетически выгодным является размагниченное состояние вещества, т.е. антипараллельная ориентация соседних спинов атомов. Если обменный интеграл значителен и положителен, что возможно при большем расстоянии между атомами, то минимуму энергии системы отвечает намагниченное до насыщения состояние вещества, т.е. параллельная ориентация спинов у соседних атомов. Если же обменный интеграл мал (расстояние между атомами большое), то преобладающая ориентация спинов отдельных атомов отсутствует и вещество имеет слабые магнитные свойства (рис.4.4). На основании изложенного критерий перехода от антиферромагнитного состояния к ферромагнитному состоянию: а/d > 1,5. Это позволяет создавать ферромагнитные сплавы, которые состоят даже из целиком немагнитных материалов — сплавы Гейслера, например Cu₂MnAl.

Наличие ферромагнитных свойств у таких сплавов легко объяснить из рис. 4.4. Небольшое увеличение межатомных расстояний между ионами марганца за счет внедрения в решетку немагнитных компонентов приводит к появлению ферромагнетизма.

Классификация материалов по магнитным свойствам

1. Классификация материалов по магнитным свойствам

1.
2.
3.
4.
5.
Диамагнетики
Парамагнетики
Ферромагнетики
Антиферромагнетики
Ферримагнетики
1

2. Диамагнетики

• 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,
пропорциональный магнитной индукции B и
направленный навстречу полю. Поэтому магнитная
восприимчивость χ = I/B у диамагнетиков всегда
отрицательна.
• По абсолютной величине диамагнитная
восприимчивость χ мала и слабо зависит как от
напряжённости внешнего магнитного поля, так и от
температуры.
2

3. Примеры диамагнетиков

• инертные газы, водород, азот
• многие жидкости (вода, нефть и ее производные)
• ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть,
галлий и др.)
• большинство полупроводников (кремний, германий,
бор) и органических соединений
• щелочно-галоидные кристаллы, неорганические
стекла и др.
• Диамагнетиками являются все вещества с
ковалентной химической связью и вещества в
сверхпроводящем состоянии.
• Человек в магнитном поле ведет себя как
диамагнетик.
3

4. Парамагнетики

• Вещества с положительной магнитной
восприимчивостью, не зависящей от напряженности
внешнего магнитного поля.
• Парамагнетики намагничиваются во внешнем
магнитном поле в направлении внешнего магнитного
поля.
• Парамагнетики относятся к слабомагнитным
веществам, магнитная проницаемость
незначительно отличается от единицы.
• Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика
обладают собственными магнитными моментами,
которые под действием внешних полей
ориентируются по полю и тем самым создают
результирующее поле, превышающее внешнее.
• В отсутствие внешнего магнитного поля
парамагнетик не намагничен.
4

5. Примеры парамагнетиков

• Кислород
• Окись азота
• Щелочные и щелочноземельные металлы, а
также сплавы этих металлов
• Некоторые переходные металлы
• Соли железа, кобальта, никеля и
редкоземельных элементов
• Алюминий, платина, натрий, магний, тантал,
вольфрам
• CaO, CoO, оксид марганца (MnO)
• Хлорное железо (FeCl2) и другие.
5

6. Ферромагнетики

• Вещества с большой положительной магнитной
восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от
напряженности магнитного поля и температуры.
• При не слишком высоких температурах
ферромагнетики обладают самопроизвольной
(спонтанной) намагниченностью, которая сильно
изменяется под влиянием внешних воздействий.
• Ниже определённой критической температуры (точки
Кюри) в ферромагнетиках устанавливается дальний
ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов
или ионов или моментов коллективизированных
электронов.
• Иными словами, ферромагнетик — такое вещество,
которое при охлаждении ниже определённой
температуры приобретает магнитные свойства.
6

7. Примеры ферромагнетиков

• Переходные элементы железо, кобальт и никель, их соединения
и сплавы.
• Редкоземельные металлы гадолиний, тербий, диспрозий,
гольмий, эрбий, тулий.
• Металлические бинарные и более сложные сплавы (сплавы
марганца, серебра, алюминия и других) и соединения
упомянутых металлов между собой и с другими
неферромагнитными элементами.
• Сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными
элементами (так называемые Гейслеровы сплавы)
• Некоторые соединения металлов группы актиноидов.
• Аморфные (метастабильные) металлические сплавы и
соединения
• Аморфные полупроводники
• Органические и неорганические стёкла
• Халькогениды (сульфиды, селениды, теллуриды) и т. п.
7

8. Примеры ферромагнетиков (редкоземельные металлы — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий)

9. Антиферромагнетики

• Вещества, в которых ниже некоторой
температуры спонтанно возникает
антипараллельная ориентация
элементарных магнитных моментов
одинаковых атомов или ионов
кристаллической решетки.
• При нагревании антиферромагнетик
испытывает фазовый переход в
парамагнитное состояние.
9

10. Примеры антиферромагнетиков

• Хром, марганец, цезий, неодим,
самарий и ряд редкоземельных
элементов.
• Простейшие химические соединения на
основе металлов переходной группы
типа окислов, галогенидов, сульфидов,
карбонатов MnSe, FeCl2, FeF2, CuCl2,
MnO, FeO, NiO.
10

11. Примеры антиферромагнетиков (хром, марганец, цезий, неодим, самарий)

12. Ферримагнетики

Вещества, магнитные свойства которых обусловлены
нескомпенсированным антиферромагнетизмом.
Высокая магнитная восприимчивость, которая существенно зависит от
напряженности магнитного поля и температуры.
У ферримагнетиков магнитные моменты атомов различных
подрешёток ориентируются антипараллельно, как и в
антиферромагнетиках, но моменты различных подрешёток не равны,
и, тем самым, результирующий момент не равен нулю.
Ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью.
Ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные
антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не
компенсированы).
Свое название эти материалы получили от ферритов — первых
некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов
назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у
ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри.
12

13. Примеры ферримагнетиков

• Некоторые упорядоченные
металлические сплавы
• Различные оксидные соединения,
среди которых наибольший
практический интерес представляют
ферриты.
13

14. Ферриты

• Ферриты (оксиферы) — химические
соединения оксида
железа Fe2O3 с оксидами других металлов,
обладающие уникальными магнитными свойствами,
сочетающие высокую намагниченность и
полупроводниковые или диэлектрические свойства,
благодаря чему они получили широкое применение
как магнитные материалы в радиотехнике,
радиоэлектронике, вычислительной технике.
Различают ферриты — шпинели, ферриты — гранаты,
ортоферриты и гексаферриты.
14

15. Ферриты-шпинели Ферриты-шпинели имеют структуру минерала шпинели с общей формулой MeFe2O4

16. Ферриты-гранаты Монокристаллы феррита граната (ФГ) -Re3Fe5O12 (Re-редкоземельный катион) широко используются как

Ферриты-гранаты
Монокристаллы феррита граната (ФГ) -Re3Fe5O12 (Re-редкоземельный
катион) широко используются как магнитооптические материалы в СВЧ
технике, оптоэлектронике, аппаратуре магнитной записи и др.
16

17. Ортоферриты ферриты редкоземельных элементов, кристаллизующиеся в структурном типе перовскита с общей формулой MFeO3, где М –

редкоземельный ион.
17

18. Гексаферриты ферриты с гексагональной кристаллической структурой. Наиболее распространены гексаферриты с формулой (МО)(Fe2О3)6,

где М — Ва, Sr или Pb.
18

19. Направления магнитных моментов атомов в отсутствие внешнего магнитного поля при 0°К в веществах разной магнитной природы

20. Классификация магнитных материалов, применяемая в электронной технике

1.
2.
Магнитотвердые — материалы с большой
коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются
лишь в очень сильных магнитных полях и служат
для изготовления постоянных магнитов.
Магнитомягкие — материалы с малой коэрцитивной
силой и высокой магнитной проницаемостью. Они
обладают способностью намагничиваться до
насыщения в слабых магнитных полях,
характеризуются узкой петлей гистерезиса и
малыми потерями на перемагничивание.
Магнитомягкие материалы используются в
основном в качестве различных магнитопроводов:
сердечников дросселей, трансформаторов,
электромагнитов, магнитных систем
электроизмерительных приборов и т. п.
20

21. Содержание металлов и элементов в Земной коре

Медь = 0,01 %
Серебро = 4*10-6 %
Олово = 6*10-4 %
Титан = 0,58 %
Магний = 1,94 %
Золото = 5*10-7 %
Бериллий = 5*10-4 %
21

22.

Цинк = 2*10-2 %
Железо = 4,5 %
Алюминий = 7,5 %
Кремний = 25,7 %
Свинец = 8*10-4 %
Хром = 3,3*10-2 %
Никель = 1,8*10-2 %
22

Особенности ферримагнетиков

Строение ферримагнетиков. Ферримагнетики получили свое название от ферритов, под которыми понимают химические соединения окисла железа Fe ₂ O ₃ с окислами других метал­лов. В настоящее время используют сотни различных марок ферритов, отличающихся по хи­мическому составу, кристаллической структуре, магнитным, электрическим и другим свой­ствам.

Наиболее широкое применение нашли ферриты со структурой природного минерала шпи­нели . Химический состав ферритов-шпинелей отвечает формуле Ме Fe ₂ O ₄ , где под Ме пони­мают какой-либо двухвалентный катион. На примере этих соединений рассмотрим наиболее характерные особенности магнитных свойств ферримагнетиков.

Исследования показывают, что наличие или отсутствие магнитных свойств определяется кристаллической структурой материалов и, в частности, расположением ионов двухвалент­ных металлов и железа между ионами кислорода. Элементарная ячейка шпинели представ­ляет собой куб, в состав которого входит восемь структурных единиц типа Ме Fe ₂ O ₄ , то есть 32 иона кислорода, 16 ионов трехвалентного железа и 8 ионов двухвалентного металла. Ки­слородные ионы расположены по принципу плотной кубической упаковки шаров. При этом возникают междоузлия двух типов: тетраэдрические, образованные окружением четырех ио­нов, и октаэдрические, образованные окружением шести ионов кислорода. В этих кислород­ных междоузлиях находятся катионы металлов. Всего в элементарной ячейке шпинели мо­жет быть заполнено 8 тетраэдрических промежутков (назовем их позициями типа А ) и 16 ок­таэдрических мест (позиции типа В ).

Структуру, в которой все катионы двухвалентного железа занимают позиции типа А , а ка­тионы трехвалентного железа распределяются в междоузлиях типа В , называют нормальной шпинелью . Учитывая такой характер распределения катионов по кислородным междоузлиям, формулу феррита со структурой нормальной шпинели можно представить в следующем виде: (Мe 2 + )[Fe 3 + Fe 3 + ]O ₄ , где в круглых скобках указаны ионы, занимающие позиции типа А, а в квадратных – ионы в позициях типа В. Стрелками условно показано направление магнит­ных моментов катионов. В структуре нормальной шпинели кристаллизуются ферриты цинка (Zn Fe ₂ O ₄) и кадмия (Cd Fe ₂ O ₄). Как будет показано далее, ферриты со структурой нор­мальной шпинели являются немагнитными.

Чаще встречаются ферриты с иным характером распределения катионов по кислородным междоузлиям. Структура, в которой катионы Ме 2 + находятся в позициях типа В, а катионы трехвалентного железа поровну распределяются между позициями А и В, получила название обращенной шпинели . Формулу обращенной шпинели с учетом распределения катионов можно записать в виде: (Fe 3 + )[Me 2 + Fe 3 + ]O ₄ .

Структуру обращенной шпинели имеют ферриты никеля, кобальта, меди и некоторых дру­гих элементов.

Большинство реальных ферритов характеризуется некоторым промежуточным распреде­лением катионов, когда и ионы Ме 2 + , и ионы трехвалентного железа Fe 3 + занимают пози­ции того и другого типов. Такие структуры называют амфотерной шпинелью . Промежуточ­ному распределению катионов соответствует следующая структурная формула :

(Me 2 + _{1 – X} Fe 3 + _X )[Me 2 + _X Fe 3 + _{1 – X} ]O ₄ , где параметр X характеризует степень обращенно­сти шпинели. Структуре нормальной и обращенной шпинели отвечают значения X , равные, соответственно, нулю и единице.

Природа магнитного упорядочения. В ферритах магнитоактивные катионы находятся дос­таточно далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом. Поэтому прямое обменное взаимодействие между катионами оказы­вается очень слабым или отсутствует вообще. Их электронные оболочки практически не пе­рекрываются.

Библиографический список.

1. Нефедцев Е. В. «Радиоматериалы и радиокомпо» , Томск 2000 г.

2. Пасынков В.В., Сорокин В.С. «Материалы электронной техники» , Москва 1986 г.

3. Тареев Б.М. «Электрорадиоматериаллы» , Москва 1978 г.