10.Свойства материалов: магнитные свойства. Магнито-мягкие, магнито-твердые материалы.

Магнитные свойства веществ обязаны сво­им происхождением магнитным моментам, возникающим при движении электронов и ядер. Магнитные моменты ядер примерно в тысячу раз меньше, чем магнитные моменты электронов. Поэтому промышленное значение имеют магнитные свойства, связанные с дви­жением электронов, которым и будет ниже уделено основное внимание. Магнитные свой­ства, определяемые движением ядер, имеют важное значение в научно-исследовательс­ких целях, которые будут кратко рассмотре­ны далее.

Существует два основных вида движения электронов, приводящих к возникновению магнитных моментов: орбитальное (по орби­те вокруг ядра) и спиновое (вокруг собствен­ной оси). Соответственно различают орбиталь­ный и спиновый магнитные моменты.

Спиновый магнитный момент равен одно­му магнетону Бора,

По характеру взаимодействия магнитных моментов с внешним по­лем различают следующие типы маг­нетизма: диамагнетизм, парамагне­тизм, ферромагнетизм, антиферро­магнетизм и ферримагнетизм (рис. 2.10). Перед их анализом приведем основные магнитные характеристи­ки. Магнитный момент тела М равен произведению намагниченности J на объем тела V:

М = JV.

Под намагниченностью вещества пони­мают магнитный момент его единицы объе­ма, образовавшийся под действием внешнего магнитного поля напряженностью Н. Способ­ность вещества намагничиваться полем Н ха­рактеризуется магнитной восприимчивос­тью х (в системе СИ х — безразмерная ве­личина):

Диамагнетизм. Под диамагнетизмом пони­мают способность вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле навстречу этому полю.

Физическая природа диамагнетизма связа­на с тем, что при внесении тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого атома вследствие закона электромагнитной индукции возникают индуцированные круговые токи (до­бавочное круговое движение электронов). Эти токи создают в атоме индуцированный магнит­ный момент, направленный, согласно прави­лу Ленца, противоположно внешнему магнит­ному полю. Поэтому диамагнитная воспри­имчивость х_д — величина отрицательная. В этом принципиальное отличие диамагнетизма от всех других типов магнетизма. Основной вклад в диамагнетизм вносят внешние электроны. Диамагнетизмом облада­ют все без исключения вещества. Но преоб­ладающим видом магнетизма он является толь­ко в веществах с заполненными электронны­ми оболочками: инертных газах, ионах типа Na⁺, СГ, полупроводниках (Ge, Si, Se и др.).

Парамагнетизм. Парамагнетизм — это свойство тела намагничиваться во внешнем поле Н в направлении поля. Следовательно, парамагнитная восприимчивость — величина положительная. Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита, тогда как диамагнитные отталкиваются. Суммарная на­магниченность парамагнетиков равна сумме внешнего и внутреннего полей.

Особенностью парамагнитных тел является наличие у их атомов собственных магнитных моментов (орбитального и спинового), но всилу межатомного взаимодействия магнитные орбитальные моменты двух спаренных элек­тронов погашают друг друга. В результате все заполненные электронные оболочки и орби­тали имеют нулевой орбитальный магнитный момент и не дают, следовательно, вклада в парамагнитные свойства. Поэтому парамагне­тизм обнаруживается только от неспаренных валентных электронов — электронов прово­димости.

Спиновые моменты не испытывают тако­го воздействия кристаллического поля, и по­этому их вклад в магнитный момент атома в твердых телах значителен.

В отсутствие внешнего поля за счет энер­гии теплового движения магнитные моменты атомов ориентированы беспорядочно, в ре­зультате чего намагниченность парамагнети­ков в подобных условиях равна нулю. Этим они и отличаются от ферромагнетиков.

Ферромагнетизм. Ферромагнетизм, как и парамагнетизм, связан со спиновыми магнит­ными моментами электронов. Но в отличие от парамагнетиков в ферромагнетиках имеются отдельные микрообласти (домены), в которых ниже определенной температуры — темпе­ратура Кюри Т_с — спиновые моменты всех атомов таких областей (доменов) одинаково ориентированы и в отсутствие внешнего маг­нитного поля. Таким образом, домен представ­ляет собой микрообласть (обычно размером порядка микрометра), самопроизвольно намаг­ниченную до насыщения при температуре ниже Т_с. В отсутствие внешнего поля векторы на­магниченности разных доменов ориентирова­ны так, что их моменты взаимно компенси­руются. При наложении внешнего магнитно­го поля векторы намагничивания всех доме­нов постепенно переориентируются вдоль поля (о механизме переориентирования см. ниже). По завершении этого процесса (в полях от 1 до 800 кА/м) достигаются предельные значения намагниченности J_s (намагниченность насыще­ния) и индукции В_т. Значение J, максимально при Т = 0 К. С повышением температуры J, уменьшается и при Т = Т_с становится равной нулю. Ферромагнетик переходит в парамагнит­ное состояние. Возникновение доменов обусловлено сле­дующим: обменное взаимодействие понижа­ет энергию соседних атомов, но одновремен­но увеличивает суммарный магнитный момент объема ферромагнетика и магнитостатическую энергию (магнитное поле, распространенное в окружающее пространство). Минимизация общей магнитной энергии и достигается за счет разбиения магнетика на домены. К числу важнейших характеристик магнит­ных материалов, во многом определяющих об­ласти их применения, относится форма пре­дельной петли гистерезиса. Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса и низкой коэрцитив­ной силой (Я_с < 2,4*4,0 кА/м) называют маг­нитно-мягкими, а с высокой (Я_с > 4 кА/м) — магнитно—твердыми. При необходимости максимального снижения магнитных потерь Я_с не Должна превышать нескольких десятков ампер на метр. В зависимости от химического и фазового составов магнитных материалов, технологии их изготовления петли гистерези­са могут иметь различную форму (рис. 2.14). Материалы с прямоугольной и квадратной формой петли гистерезиса используют в эле­ментах памяти электронных схем.