Основні характеристики магнітних матеріалів

Всі речовини в природі є магнітними, тобто вони взаємодіють із зовнішнім магнітним полем і володіють визначеними магнітними властивостями, які зумовлені внутрішніми прихованими формами руху електричних зарядів. По силі взаємодій з магнітним полем всі речовини можна розділити на слабомагнітні і сильномагнітні. Сила взаємодії речовини з магнітним полем оцінюється безрозмірною величиною – магнітною сприйнятливостю К_М:

(6.1)

де М – намагніченість речовини під дією магнітного поля, (А/м), Н – напруженість цього поля (А/м).

Слабомагнітні речовини характеризуються К_М <<1, тобто зміна намагніченості речовини під дією зовнішнього поля дуже незначна. До них відносяться діамагнетики і парамагнетики.

До діамагнетиків відносяться речовини, в яких магнітна сприйнятливість не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. Діамагнітний ефект зумовлений незначною зміною кутової швидкості орбітального обертання електронів. Якщо електронну орбіту розглядати як замкнутий контур, який не володіє активним опором, то під дією зовнішнього поля в цьому контурі змінюється сила струму й виникає додатковий магнітний момент. Відповідно до закону Ленца цей момент спрямований назустріч зовнішньому полю. У тому випадку, коли площина електронної орбіти розташована не перпендикулярно до вектора Н,то зовнішнє магнітне поле викликає прецесійний рух орбіти навколо напрямку Н. При цьому вектор орбітального магнітного моменту описує конус. Кутова швидкість прецесії визначає значення негативного магнітного моменту ∆ М. Діамагнітний ефект має місце у всіх речовинах, але виступає на перший план у тих випадках, коли власний момент атомів дорівнює нулю, тобто спінові магнітні моменти попарно скомпенсовані.

Чисельне значення магнітної сприйнятливості діамагнетиків становить – (10^-6-10^-7). Відносна магнітна проникність цих речовин незначна (μ < 1). Зовнішнім проявом діамагнітного ефекту є виштовхування цих речовин з неоднорідного магнітного поля. Діамагнетики характеризуються тим, що послаблюють всередині себе це магнітне поле, яке діє ззовні. Це проходить внаслідок того, що їх намагніченість напрямлена проти зовнішнього поля (K_М < 0). До них відносяться: інертні гази, водень, азот, вода, мідь, срібло, золото, свинець та більшість органічних з’єднань. Діамагнетиками є також речовини в надпровідному стані.

Парамагнетики відрізняються тим, що при поміщенні цих речовин у магнітне поле вони підсилюють його всередині себе (K_М > 0). Це проходить із-за співпадання напрямку намагніченості парамагнетиків з напрямом зовнішнього поля.

До парамагнетиків відносяться речовини з позитивною магнітною сприйнятливістю, що не залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля, а саме алюміній, платину, хром, вольфрам, кисень, лужні й лужноземельні метали, солі заліза, кобальту, нікелю та інші. У парамагнетиках атоми мають елементарні магнітні моменти навіть при відсутності зовнішнього магнітного поля, однак через тепловий рух ці магнітні моменти розподілені хаотично, в результаті чого намагніченість речовини в цілому дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле викликає переважну орієнтацію магнітних моментів атомів в одному напрямку, але теплова енергія протидіє створенню магнітної впорядкованості. У зв'язку з цим парамагнітна сприйнятливість сильно залежить від температури. При нормальній температурі магнітна сприйнятливість парамагнетиків дорівнює 10^-4-10^-6. Тому їхня магнітна проникність невисока (μ > 1). Завдяки позитивній намагніченості парамагнетики, вміщені в неоднорідне магнітне поле, втягуються в нього.

6.1. Криві залежності намагніченості від напруженості магнітного поля.

До феромагнетиків відносяться речовини з великою позитивною магнітною сприйнятливістю (до 10⁶), що сильно залежить від напруженості магнітного поля й температури. Для феромагнетиків характерна внутрішня магнітна впорядкованість, що полягає в існуванні макроскопічних областей з паралельно орієнтованими магнітними моментами атомів. Ці речовини здатні намагнічуватися до насичення у відносно слабких магнітних полях (K_М = 10³-10⁵). Інша особливість полягає в тому, що вище визначеної температури, що називається температурою Кюрі Т_к, феромагнітний стан речовини переходить в парамагнетний, тобто магнітна сприйнятливість знижується на 3-4 порядки. До феромагнетиків відносять залізо, нікель, кобальт та їх сплави, сплави хрому, марганцю та інші.

Феримагнетики – це речовини, що отримали назву від складних оксидних матеріалів – феритів. Вони мають властивості, що подібні до властивостей, але значно поступаються їм по величині допустимої намагніченості. Під феритами розуміють з’єдна-ння оксиду заліза Fе ₂ О ₃ з оксидом металу МеО типу МеО · Fе ₂ О ₃. Магнітні властивості феромагнетиків тісно пов’язані з взаємним розміщенням в кристалічній решітці іонів заліза і металу. Магнітні властивості матеріалів зумовлені внутрішніми прихованими формами руху електричних зарядів, що є елементарними круговими струмами. Такими круговими струмами є: обертання електронів навколо власних осей – електронні спіни і орбітальний рух електронів у атомах. Явище феромагнетизму пов’язано з утворенням всередині деяких матеріалів нижче точки Кюрі таких кристалічних структур, при яких у межах макроскопічних областей, що називаються магнітними доменами, електронні спіни є орієнтованими паралельно один одному і однаково направлені. Таким чином, характерним для феромагнітного стану речовини є наявність в ньому самодовільної (спонтанної) намагніченості без прикладання зовнішнього магнітного поля.

Антиферомагнетиками є речовини, в яких нижче деякої температури виникає антипаралельна орієнтація елементарних магнітних моментів однакових атомів або іонів кристалічних решіток. Вони характеризуються незначною позитивною магнітною сприйнятливістю (10^-4-10^-5), що дуже залежить від температури. При нагріванні антиферомагнетик зазнає фазового переходу у парамагнітний стан. Температура такого переходу, при якій зникає магнітна впорядкованість, називається антиферомагнітною точкою Кюрі.

Усього відомо близько тисячі з'єднань з властивостями антиферомагнетиков. Представниками антиферомагнетиків є хром, марганець, германій і т.д.

До феримагнетиків відносяться речовини, магнітні властивості яких зумовлені нескомпенсованим антиферомагнетизмом. Як і феромагнетики, вони мають високу магнітну сприйнятливість, що істотно залежить від напруженості магнітного поля й температури.

Властивостями феримагнетиків володіють різні оксидні з'єднання, серед яких найбільш практичний інтерес мають ферити.