В ферромагнетиках группы железа основную роль в создании магнит­ного момента атома играет спиновой магнитный момент. В первом при­ближении магнитный момент атома определяется алгебраической суммой спиновых магнитных моментов электронов незаполненной оболочки. Так, в незаполненном 3d-слое железа вместо 10 имеется только шесть электронов, спины пяти из них направлены параллельно друг другу, а одного – антипараллельно. Следовательно, результирующий магнитный момент атома железа должен быть равен 4μ_в.

В действительности магнитный момент атома железа равен 2,218μ_в. Расхождение в значениях момента обу­словлено нарушением ориентации спинов при переходе в твердое состояние, связанным с межатомными взаимодействиями и перекрытием электронных уровней атомов. Если поместить вещество во внешнее магнитное поле, то, взаимодействуя с полем, вещество будет намагничиваться.

Основными магнитными величинами являются намагниченность и напряженность магнитного поля. Между ними существует зависимость, которая описывается следующим уравнением:

где М – намагниченность, А/м; χ – магнитная восприимчивость; H – напряженность магнитного поля, А/м.

Если магнитное поле создается соленоидом длиной l (в метрах) с числом витков N, через который течет ток I (в амперах), то напряженность магнитного поля равна:

Все вещества по магнитным свойствам делятся на диамагнетики, па­рамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики и различаются по величине и знаку магнитной восприимчивости (χ), а также по характеру ее зависимости от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетиками называют вещества, в которых имеется полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна и имеет значение , а магнитная проницаемость равна  и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Физическая природа диамагнетизма заключается в возникновении во всем объеме тела индуцированных внешним полем незатухающих элек­трических микроскопических вихревых токов.

Из классической теории известно, что если на электрон, вращающий­ся по своей орбите, действует внешнее магнитное поле (H), то оно стремит­ся развернуть орбиту электрона перпендикулярно H, что вызывает прецессию орбиты вокруг направления поля (подобно прецессии волчка, которая возникает, если ось быстро вращающегося волчка не совпадает с вертикалью и волчок помимо вращения вокруг своей оси совершает также вращение вместе с осью вокруг вертикали, называемой прецессией).

Прецессия электронной орбиты эквивалентна дополнительному движению электрона, приводящему к возникновению тока, и индуцированного момента, направленного противоположно направлению внешнего поля. Появление этого индуцированного момента и обусловливает диамаг­нетизм, который является результатом прецессии всех электронов, т.е. общим свойством атомов и молекул. Диамаг­нетизм присущ всем веществам, но проявляется только в том случае, если он не перекрывается более сильным пара- и ферромагнетизмом.

Диамагнетики отличаются тем, что они выталкиваются из неоднород­ного магнитного поля. К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Си, Ag, Аи, Be, Zn, Cd, Hg, РЬ, В, Ga, Sb, а также графит, стекло и др.

Вещества, атомы которых имеют постоянные магнитные моменты, могут быть парамагнитными, антиферромагнитными или ферримагнитными в зависимости от характера взаимодействия между магнитными момен­тами атомов.

Парамагнетиками называются вещества, в которых взаимодействие между постоянными магнитными моментами атомов (элементарными магнитными диполями) мало, в результате чего при обычных температу­рах под действием теплового движения молекул магнитные моменты ато­мов располагаются статистически равновероятно относительно любого направления (рис. 6.1,а) и суммарный магнитный момент равен нулю.

Рис. 6.1. Схематическое расположение спинов в веществах:

а – парамагнитных; б – ферромагнитных; в – антиферромагнитных; г – ферромагнитных 

У парамагнетиков  и практически не зависит от напряженности внешнего магнитного по­ля. С повышением температуры, при неизмененной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность убывает.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость магнитной восприимчивости характеризуется законом Кюри, установленным экспериментально в 1895 г.:

                                  (6.1)

где С – постоянная Кюри; Т – температура, К.

На рис. 6.2, а показана зависимость намагниченности М(Н) для диа- и парамагнетиков при не слишком сильных полях и при обычных и высоких температурах. В обоих случаях значение М пропорционально Н, что сви­детельствует о независимости χ от Н. Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (рис. 6.2, б), т.е. до состояния, когда все элементарные маг­нитные моменты будут параллельны внешнему полю, требуется при ком­натной температуре поле напряженностью примерно 10¹¹ А/м, а при T = 1 напряженность равна 3∙10⁵ А/м. Однако в последние годы выяснилось, что в парамагнетиках можно создать высокую намагниченность, не прибегая к сильным магнитным полям, а используя поток квантов света (оптическую накачку).

Рис. 6.2. Зависимость намагниченности (М) от напряженности поля (Н):

а – для диамагнетиков (1) и для парамагнетиков (2); б – для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в неоднородное магнитное поле. К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pd и др.

Ферромагнетиками называют вещества, в которых магнитные момен­ты атомов взаимодействуют так, что они выстраиваются параллельно друг другу (см. рис. 6.1, б). Ферромагнетики в большинстве случаев имеют кри­сталлическую структуру и характеризуются большими положительными значениями χ (до сотен тысяч и миллионов) и сложной нелинейной зави­симостью χ от температуры и внешнего магнитного поля.

Характерная особенность ферромагнетиков – способность сильно намагничиваться да­же при обычных температурах в слабых полях. При температурах выше точки Кюри (Т_к), определенной для каждого материала, ферромагнитное состояние переходит в парамагнитное (рис. 6.3). Точка Кюри чистого железа составляет 1043 К, никеля – 631К, кобальта – 1404 К.

Рис. 6.3. Типичная зависимость магнитной проницаемости ферро-магнитных материалов от температуры

Для ферромагнетиков характерно также наличие гистерезиса, сущность которого состоит в том, что значение индукции (В) не одно­значно определяется величиной магнитного поля (Н), а зависит также от предшествующей истории образца, т.е. от величины и направления магнитного поля, действовавшего на него раньше. Например, индукция в данном поле будет больше в том случае, если материал предвари­тельно намагничивался до насыще­ния полем того же направления. В случае же, когда ранее действовавшее поле насыщения имело противоположное направление, индукция будет меньше.

Гистерезис, как правило, обусловлен необратимостью процессов намагничива­ния, что приводит к рассеянию энергии и снижению качества тех намагни­чивающих устройств, где ферромагнитные материалы используются как сердечники (магнитопроводы). Однако такая необратимость и полезна, так как именно благодаря ей материал остается намагниченным после снятия намагничивающего поля, т.е. ферромагнитный материал становится посто­янным магнитом.

Как уже было сказано, необходимое условие для возникновения ферромагне­тизма – наличие внутренних незаполненных оболочек в атоме. Но этого условия недостаточно. Например, незаполненные оболочки имеют атомы всех переходных элементов, тогда как ферромагнитными свойствами об­ладают лишь три из восьми элементов группы железа (Fe, Co, Ni) и шесть из 14 лантаноидов (Gd, ТЬ, Dy, Но, Еr и Ти). Таким образом, не все элементы, имеющие внутренние незаполненные оболочки, обладают ферромагнетизмом.

Критериями ферромагнетизма являются:

1) наличие внутренних незаполненных оболочек (d или f) в атомах;

2) положительное значение интеграла обменной энергии, которое бывает, когда размер незаполненных оболочек мал в сравнении с расстоянием между атомами в решетке (a /d > 1,5).

При нарушении самопроизвольной намагниченности энергия обменного взаимодействия в магнитном материале увеличивается. При нагревании магнитных материалов из-за увеличения хаотического теплового движения атомов параллельная ориентация магнитных моментов нарушается, самопроизвольная намагниченность уменьшается. Когда температура нагревания достигает точки Кюри, самопроизвольная (спонтанная) намагниченность исчезает, при этом энергия хаотического теплового движения атомов достигает величи­ны обменной энергии.

Антиферромагнетиками называют вещества, в которых магнит­ные моменты атомов взаимодействуют так, что они стремятся выстроиться друг другу антипараллельно (см. рис. 6.1, в). Интеграл обменной энергии антиферромагнетиков А < 0. Они обладают атомным магнитным поряд­ком, при котором в отсутствие внешнего магнитного поля энергетически выгодно антипараллельное расположение соседних спинов и имеется взаимная компенсация магнитных моментов атомов.

Теоретическое обоснование явления антиферромагнетизма впервые было дано советским физиком Л.Д. Ландау в 1933 г. Французский физик Л. Неель провел значительные исследования в этой области, поэтому тео­рию антиферромагнетизма и ферримагнетизма называют теорией Нееля. Одно из основных положений Нееля сводится к тому, что кристаллическая решетка некоторых соединений рассматривается как сложная структура, состоящая из двух и более подрешеток, намагниченных про­тивоположно друг другу.

Теоретические представления о характере анти­ферромагнитных и ферримагнитных структур получили подтверждение благодаря опытам с применением методов нейтронной дифракции. Ввиду того, что нейтроны не имеют заряда, они легко проникают в вещество и благодаря наличию у них спина взаимодействуют с электронной оболочкой, обладающей нескомпенсированным спиновым магнитным моментом, и с ядром атома. При этом интенсивность рассеяния зависит от направле­ний магнитных моментов атомов или ионов.

Антиферромагнетикам свойственна специфическая температурная за­висимость магнитной восприимчивости. При Т = 0 К магнитные моменты подрешеток компенсируют друг друга, и результирующий магнитный мо­мент антиферромагнетика во внешнем поле равен нулю. По мере повыше­ния температуры, начиная от Т = 0 К, антипараллельное расположение спи­нов постепенно нарушается, и магнитная восприимчивость возрастает, дос­тигая максимум в точке Нееля (Т_н) (рис. 6.4), в которой упорядоченное рас­положение спинов полностью нарушается, и антиферромагнетик становит­ся парамагнетиком, после чего зависимость χ (Т) подчиняется закону Кю­ри-Вейсса.

Рис. 6.4. Зависимость магнитной восприимчивости антиферро-магнетика от температуры

Как правило, магнитная восприимчивость антиферромагнетиков мала и составляет χ ≈ 10^-5…10^-3. В слабых полях χ антиферромагнетиков практически не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в сильных по­лях χ – обычно сложная функция поля. К антиферромагнетикам относятся:

· редко-земельные металлы – Се, Pr, Nd, Sm и Еu, а также Сr и Мп;

· многие окислы, хлориды, фториды, суль-фиды, карбонаты переходных элементов, например на основе марганца: МпО, МпСl₂, МпF₂, МпS₂ и др., аналогично на основе Fe, Co, Ni, Cr.

Ферримагнетиками (ими являются оксиды металлов), или нескомпенсированными антиферромагнетиками, называют вещества, в которых магнитные моменты атомов взаимодействуют так, что стремятся выстроиться антипараллельно друг другу (см. рис. 6.1, г), однако их магнитные моменты имеют различные значения, благодаря чему результирующая намагниченность может быть достаточно большой.

К ферримагнетикам относятся ферриты – соединения, которые могут иметь различную структуру кристаллической решетки типа шпинели, граната, каменной соли, гексагональную и др. Ферриты со структурой типа шпинели представляют собой соединения окиси железа Fe₂O₃ с окислами других металлов, структурная формула которых:

МеО∙Fе₂О₃,

где Me – двухвалентный металл (Fe, Ni, Mn, Zn, Co, Си, Cd, Mg и др.).

В качестве ферримагнетиков применяются и однокомпонентные ферриты, в которых ионы двухвалентного металла оди­наковы, а также двух- и многокомпонентные.

Магнитные параметры ферритов (μ, B_s) в постоянных и низкочастотных магнитных полях ниже соответствующих параметров металлических магнитных материалов. Безусловные преимущества ферритов при работе в высокочастотном (ВЧ) диапазоне объ­ясняются тем, что их удельное электрическое сопротивление в 10⁶ …10¹¹ раз превышает удельное сопротивление металлических ферромагнетиков, так как они являются оксидными соединениями, а не металлами. По значению удельного электрического сопротивления они относятся к классу полупроводников или даже диэлектриков. Вследствие этого вихревые токи в ферритах при воздействии на них переменных магнитных полей очень малы, и они применяются в качестве магнитного материала при частотах до сотен мегагерц, тогда как металлические магнитные материалы применяются при частотах до нескольких десятков килогерц.

Для ферримагнетиков, как и для ферромагнетиков, характерно наличие доменной структуры, и магнитные свойства их так же, как и свойства ферромагнетиков, тесно связаны с их кристаллическим строением. Результирующий магнитный момент ферримагнетика определяется исходя из магнитных моментов подрешеток. Многие свойства ферримагнетиков аналогичны свойствам ферромагнетиков, но между этими группами веществ имеются и существенные различия.

Ферримагнетики отличаются от ферромагнетиков меньшей величиной индукции насыщения и имеют более сложную температурную зависимость индукции насыщения. Упрощенно это можно объяснить наличием в структуре сложного материала двух или более подрешеток, создающих встреч­ные нескомпенсированные магнитные моменты. Для ферримагнетика с двумя подрешетками результирующая величина намагниченности насы­щения (M_s) может быть получена путем сложения величин намагниченности насыщения первой и второй подрешеток (M_s1 и M_s2).