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 TN) 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 Jm, 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.