1.1.     Классификация веществ по магнитным свойствам

1.1.1.  Общие понятия

Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию.

Открытие в начале XIX века магнитного поля электрического тока позволило Амперу выдвинуть предположение, что причина магнетиз­ма веществ – наличие в них электрических молекулярных токов. Эта идея была теоретически и экспериментально развита во второй четверти XX в., когда были созданы квантовая механика и современная теория атома.

Магнитные свойства вещества определяются его атомной структурой и зависят, прежде всего, от того, обладают ли атомы вещества постоянным магнитным моментом. Полюсы магнита не существуют раздельно, в отли­чие от раздельно существующих отрицательных и положительных элек­трических зарядов. Элементарные носители магнетизма – это элементар­ные магнитики, характеризуемые некоторым магнитным моментом.

Экспериментальные и теоретические исследования показали, что магнетизм атома порождается тремя причинами:

1) наличием у электрона спинового магнитного момента, который связан с соответствующим механическим моментом электрона;

2) орбитальным движением электронов в атоме, создающим орбитальный магнитный момент, или в соответствии с современным представлением о строении атома – наличием магнитного момента пространственного движения электронного облака вокруг ядра;

3) магнитным моментом атомного ядра, который создается спиновы­ми моментами протонов и нейтронов.

Спиновой магнитный момент ядра менее 10-3 спинового магнитного момента электрона, так как масса ядра значительно больше массы элек­трона. Поэтому можно считать, что элементарными носителями магнит­ных моментов в веществах являются электроны.

В атоме, содержащем несколько электронов, результирующий спиновой магнитный момент определяется исходя из спиновых магнитных мо­ментов отдельных электронов.



Согласно принципу Паули в каждом квантовом состоянии могут находиться два электрона с противоположными спинами. Результирующий спиновой момент таких спаренных электронов равен нулю. Если атом или ион содержит нечетное число электронов, то  один из них окажется неспаренным, и атом в целом будет обладать постоянным магнитным моментом. Полностью заполненные оболочки не дают результирующего спинового момента, так как в этом случае каждому спину одного направления в атомной оболочке соответствует спин, направленный антипараллельно, и суммарный магнитный момент, создаваемый такой парой электронов, ра­вен нулю.

Так как магнитные моменты заполненных оболочек равны нулю, а   внешние валентные электроны обобществляются в металле, то магнитные моменты спинов электронов существенны лишь в атомах, имеющих не полностью заполненные (недостроенные) внутренние электронные обо­лочки, т.е. в атомах переходных элементов.

Согласно классической физике, орбитальный магнитный момент возникает за счет протекания элементарного кругового тока, обусловленного вращением электронов

по орбитам. Из квантовой теории следует, что результирующий орбитальный маг­нитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруго­вых орбитах.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные спиновые моменты атомов. Единица атомных магнитных моментов – магнетон Бора (μв):

Дж/Тл;                                        (1.1)

ħ = h/2π

где  е = 1,6∙10-19 Кл – заряд электрона; m = 9,1∙10-31 кг – масса электрона; h = 6,62·10-34Дж∙с – постоянная Планка.

Определение полного магнитного момента атома существенно облегчается в связи с тем, что у заполненных оболочек как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты скомпенсированы, поэтому можно учитывать только не полностью заполненные электронные оболочки.