На какие группы делятся все вещества по магнитным свойствам

Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

Что такое диамагнетики

Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

Определение 1

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.

Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики бывают следующих видов:

• классические;
• аномальные;
• сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Рисунок 1

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.

Определение 2

Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше. 

Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

• нормальные;
• парамагнитные металлы;
• антиферромагнетики.

Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.

Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.

Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.

Определение 3

При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.

Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

Рисунок 2

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Определение 4

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Рисунок 3

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.

Пример 1

Пример 2

По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе подразделяют на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять разных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.

1) Диамагнетики.

К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне.

Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением.

Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю.

Если плоскость электронной орбиты расположена не перпендикулярно Н, то внешнее магнитное поле вызывает прецессионное движение орбиты вокруг направления Н.

При этом вектор орбитального магнитного момента (Морб) описывает конус. Угловая скорость прецессии определяет значение отрицательного магнитного момента ДМ.

Рисунок 1. – Прецессия электронной орбиты под действием магнитного поля:

Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он, маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен нулю (т. е., спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы).

Диамагнетиками являются 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) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Численное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет 10-6 – 10-7. Поскольку

диамагнетики намагничиваются против направления поля, для них выполняется неравенство µ1.

Однако относительная магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков незначительно изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

2) Парамагнетики.

К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю.

Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности.

Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется законуКюри-Вейсса:

Где:

Си и – постоянные величины для данного вещества.

При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков равна 10-3 – 10-6.

Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках наступает состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моментыориентируются параллельно Н. К парамагнетикам относят кислород, оксид азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, солижелеза, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.

3) Ферромагнетики.

К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.

4) Антиферромагнетики.

Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанновозникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость 10-3 – 10-5, которая значительно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).

Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tmи др.). Типичными антиферро-магнетикамн являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группытипа оксидов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т. п.

5) Ферримагнетики.

К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированвым антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, но, главным образом – оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют сильномагнитные материалы.

Собственные магнитные поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, определяют широкий спектр магнитных свойств. По реакции на внешнее поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения вещества делятся на группы слабомагнитных (диа-, пара-, антиферромагнетики) и сильномагнитных (ферро- и ферримагнетики) веществ.

Диамагнетики – вещества с очень малой отрицательной магнитной восприимчивостью –10-6, которая не зависит от температуры и напряженности внешнего магнитного поля.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент диамагнетика равен нулю. В атомах (ионах) диамагнетиков все электроны спарены. Спины таких электронов направлены противоположно и скомпенсированы, их суммаpный магнитный момент pавен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля электронные орбиты прецессируют. Сила тока в замкнутом контуре изменяется, возникает магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. Внутри диамагнетика магнитное поле ослабляется. Индуцированный (диамагнитный) магнитный момент исчезает при снятии внешнего поля.

К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), некоторые металлы (Сu, Be, Аg, Аu, Zn, Pb, Нg), большинство полупроводников (Si, Ge, соединения типа А3В5 и А2В6), диэлектрики (полимеры, стекло). Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью, сверхпроводники.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от напряженности внешнего магнитного поля и слабо изменяется с температурой: диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния.

Диамагнетики намагничиваются против направления поля (рис. 11.1), для них выполняется неравенство . Отличие магнитной проницаемости от единицы очень мало (за исключением сверхпроводников). Внешнее проявление диамагнетизма – выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.

Парамагнетики– вещества с очень малой положительной магнитной восприимчивостью 10-2–10-5. Парамагнетизм обусловлен неспаренными электронами. При отсутствии поля атомы в парамагнетиках обладают элементарным магнитным моментом. Вследствие теплового движения атомов магнитные моменты распределены хаотично, намагниченность вещества в целом равна нулю (рис. 11.2,а).

В магнитном поле спины выстраиваются по направлению внешнего магнитного поля, внутри парамагнетика магнитное поле усиливается. С ростом напряженности намагниченность и магнитная индукция парамагнетика растут (см. рис. 11.1). Порядок в расположении спинов нарушается хаотическим тепловым движением. Для большинства парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости в слабых полях и при высоких температурах подчиняется закону Кюри-Вейсса:

,

где С – постоянная для данного вещества; q – поправка Вейсса, связанная с появлением ферромагнетизма или антиферромагнетизма. Чем ниже температура, тем выше c.

Парамагнетики намагничиваются вдоль направления поля, для них выполняется неравенство . При комнатной температуре магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Внешнее проявление – втягивание парамагнетиков в неоднородное магнитное поле.

К парамагнетикам относятся: атомы и молекулы с нечетным числом электронов (кислород, окись азота, атомы щелочных и щелочноземельных металлов); некоторые переходные металлы и их сплавы, имеющие недостроенные внутренние подуровни; соли железа, никеля, кобальта и редкоземельных элементов; дефекты кристаллической решетки с нечетным числом электронов (вакансии и дивакансии в кремнии и т. д.). В металлах дополнительный вклад в парамагнетизм, который не зависит от температуры, вносят электроны проводимости. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах выше температуры Кюри или Нееля (температур фазового перехода в парамагнитное состояние).

Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (χ ~ 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Эти вещества имеют самопроизвольную (спонтанную) намагниченность без приложения внешнего магнитного поля. Ферромагнетизм связан с образованием макроскопических областей – магнитных доменов, спины в которых ориентированы параллельно друг другу и направлены одинаково (см. рис. 11.2,б).

Однодоменное состояние энергетически невыгодно – на концах ферромагнетика магнитные полюса создают внешнее магнитное поле, которое обладает определенной потенциальной энергией. Более выгодна многодоменная структура. Направления магнитных моментов в отдельных доменах различны – магнитный поток замыкается внутри ферромагнетика, за его пределами магнитное поле равно нулю. Кристаллы малых размеров могут состоять из одного домена. Деление на множество доменов энергетически невыгодно. Для образования доменной границы необходимо совершить работу против обменных сил, которые стремятся вызвать параллельную ориентацию спиновых моментов, и сил магнитной кристаллографической анизотропии (см. ниже). Размер доменов составляет от 0,001 до 10 мм3. Переходный слой, разделяющий два домена, намагниченные в противоположных направлениях, называют «стенкой Блоха». Толщина слоя – десятки-сотни атомных расстояний (в железе – около 100 нм). У чистых веществ размеры доменов больше. Существование доменов доказано экспериментально. На полированной поверхности ферромагнетика насыпанный ферромагнитный порошок образует узоры на границах отдельных доменов – фигуры Акулова–Биттера.

Ферромагнитные свойства имеют: 3d– (Fе, Со, Ni) и 4f-металлы (Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm), а также многие их сплавы и соединения. Редкоземельные элементы проявляют ферромагнитные свойства при пониженных температурах. Особенности ферромагнетиков: способность намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях (см. рис. 11.1); точка Кюри – температура, выше которой ферромагнетик переходит в парамагнетик (см. табл. 11.1).

Таблица 11.1

Некоторые свойства ферромагнетиков

Антиферромагнетики – вещества с небольшой положительной магнитной восприимчивостью (χ = 10-3–10-5), которая зависит от температуры. Ниже некоторой температуры (точки Нееля) спонтанно возникает антипараллельная ориентация магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки (см. рис. 11.2,в). При нагревании антиферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

К антиферромагнетикам относятся: кристаллы хрома, марганца (a-Mn), редкоземельных элементов (Ce, Nd, Sm, Eu); многие соединения (оксиды, сульфиды Fe, Ni, Mn), сплавы (Fe3Mn, CrPt) и аморфные вещества, содержащие атомы переходных элементов. Кристаллическая решетка этих веществ разбивается на две или более магнитные подрешетки, в которых векторы спонтанной намагниченности антипараллельны, либо направлены под углом друг к другу. Суммарная намагниченность кристалла при отсутствии внешнего поля равна нулю.

Ферримагнетики – вещества с высокой магнитной восприимчивостью, которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферримагнетизм обусловлен нескомпенсированным антиферромагнетизмом. В ферримагнетиках имеются магнитные ионы разной или одной химической природы, но разной валентности (например, Fe2+ и Fe3+ в магнетите FeO × Fe2O3), либо ионы одной химической природы и валентности, количество которых в магнитных подрешетках – разное.

При отсутствии внешнего поля магнитные моменты подрешеток ориентированы антипараллельно, они не одинаковы, т. е. не скомпенсированы (см. рис. 11.2,г), суммарный магнитный момент не равен нулю.

К ферримагнетикам относятся в основном оксидные соединения с решетками типа шпинели, граната, перовскита и др. Наибольший практический интерес представляют ферриты – двойные окислы металлов типа МеО × Fe2O3: где O – ион кислорода О2–, Mе – двухвалентный металл – Mg2+, Zn2+, Cu2+, Ni2+, Fe2+, Mn2+ и др.

Рекомендуемые страницы:

Воспользуйтесь поиском по сайту: