Общие сведения о ферромагнетизме

К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni, гадолиний Gd, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы Mn, Ag, Al и некоторых других элементов. При низких температурах ферромагнитны отдельные редкоземельные элементы – лантаноиды (эрбий и диспрозий).

В атоме с большим порядковым номером вокруг ядра вращается значительное количество электронов. Максимальное их число в слое равно 2n², где n– порядковый номер слоя. В слоях имеются подслои (s, p, d, f). Количество электронов в этих подслоях ограничено. Так, в s- подслое их не более 2, в p- подслое – не более 6, в d- подслое – не более 10 и в f- подслое – не более 14. Последовательный характер заполнения слоев при переходе к химическим элементам с большими порядковыми номерами нарушается. Например, предыдущий слой еще не заполнен, а уже заполняется следующий. Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов незаполненных электронных слоев между соседними атомами. Эти электроны перестают быть связанными с определенными атомами, они «коллективизируются». Электрон, принадлежащий одному атому, принадлежит и второму атому. Атомы как бы обмениваются электронами. Такое взаимодействие называется обменным.

Все ферромагнетики характеризуются:

1. Кристаллическим строением (кроме аморфных).

2. Большими положительными значениями магнитной проницаемости, ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры.

3. Способностью намагничиваться при обычных температурах до насыщения уже в слабых магнитных полях.

4. Гистерезисом, т. е. зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния (магнитной истории).

5. Точкой Кюри – температурой, выше которой исчезают ферромагнитные свойства.

Таким образом, ферромагнетизм присущ лишь тем элементам, у атомов которых имеются незаполненные внутренние электронные слои, а отношение диаметра атома в кристаллической решетке к диаметру незаполненного электронного слоя больше трех (энергия обменного взаимодействия положительна).

Рис.1. Зависимость энергии обменного взаимодействия от отношения диаметра атома к диаметру незаполненного электронного слоя Написать цифру 3

Магнетизм на молекулярном уровне в основном обусловлен спиновыми моментами электронов. Магнитные свойства вещества характеризуются:

1.Вектором намагниченности М, равным плотности магнитного момента в данном объеме:

(1)

2.Вектором магнитной индукции:

. (2)

где = Гн/м - магнитная постоянная;

[A/м] – вектор напряжённости магнитного поля;

3.Абсолютной магнитной проницаемостью:

(3)

где - относительная магнитная проницаемость (безразмерная величина).

4.Абсолютной магнитной восприимчивостью

(4)

Из выражений (3) и (2) можно получить:

(5)