3.8. Магнитные свойства кристаллов

Магнитные свойства – это способность веществ взаимодействовать с магнитным полем, т. е. намагничиваться при помещении их в магнитное поле. Мерой намагниченного состояния вещества служит магнитный момент единицы объема или намагниченность:

,

где I – намагниченность, - объемная магнитная восприимчивость вещества,Н – напряженность магнитного поля.

В зависимости от величины магнитной восприимчивости различают:

 диамагнитные кристаллы;

 парамагнитные кристаллы;

 ферромагнитные кристаллы;

 антиферромагнитные кристаллы.

Магнитные свойства веществ зависят те только от особенностей их кристаллической структуры, но и от природы слагающих из частиц, то есть магнетизм связан с электронным строением оболочек и ядер, а также орбитальным движением вокруг них электронов.

При внесении атома или иона в магнитное поле изменяются угловые скорости движения электронов на орбите за счет того, что на первоначальное вращательное движение электронов вокруг ядер накладывается дополнительное вращательное движение, в результате чего атом получает дополнительный магнитный момент. При этом если все электроны с противоположными спинами сгруппированы попарно, то магнитные моменты электронов оказываются скомпенсированными и их суммарный магнитный момент будет равен нулю (рис. 3.6).

Такие частицы, не обладают постоянными магнитными моментами, называются диамагнитными, а вещества, состоящие из таких атомов диамагнетиками. К диамагнетикам относятся благородные газы, металлы побочных подгрупп (медь, серебро, золото и др.), большинство ионных кристаллов (хлорид натрия, фторид кальция и др.) и кристаллы с преобладающей ковалентной связью (сурьма, графит и др.).

При заполнении электронных оболочек атомов электроны стремятся оставаться неспаренными (правило Хунда), поэтому существует большое количество веществ, магнитные моменты электронов в атомах которых расположены беспорядочно и при отсутствии внешнего магнитного поля в них не происходит самопроизвольная ориентация магнитных моментов (рис. 3.7). Суммарный магнитный момент, обусловленный неспаренными электронами, будет постоянным, положительным и несколько большим, чем у диамагентиков. Такие атомы называются магнитными, а вещества, состоящие из таких частиц, парамагнетиками. Например, пирит, переходные металлы: платина, титан, скандий и др.

Рис. 3.6. Схема магнитной структуры диамагнетика	Рис. 3.7. Схема магнитной структуры парамагнетика

При внесении таких атомов в магнитное поле разориентированные спины приобретают некоторую ориентировку, в результате чего происходит упорядочение структуры, связанное с тремя типами явлений: ферромагнетизмом, антиферромагнетизмом и ферримагнетизмом.

Ферромагнитными свойствами обладают вещества, магнитные моменты которых направлены параллельно друг другу, в результате чего внешнее магнитное поле может усилиться в миллионы раз. Причем ориентация магнитных моментов сохраняется после удаления внешнего магнитного поля, то есть вещества становятся постоянными магнитами (рис. 3.8). С повышением температуры намагниченность уменьшается и исчезает вовсе при определенной температуре. Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель.

Рис. 3.8. Схема магнитной структуры ферромагнетика	Рис. 3.9. Схема магнитной структуры скомпенсированного антиферромагнетика	Рис. 3.10. Схема магнитной структуры ферримагнетика с неравенством магнитных моментов антипараллельно ориентированных атомов

Если магнитные моменты отдельных атомов антипараллельны и равны (рис. 3.9), то суммарный магнитный момент атомов равен нулю. Такие вещества называются антиферромагнетики. К ним относятся оксиды переходных металлов и многие соли. При неравенстве антипараллельных моментов атомов структуры кристаллов суммарный магнитный момент оказывается отличным от нуля и такие структуры обладают спонтанной намагниченностью. Этот нескомпенсированный антиферромагнетизм называется ферримагнетизмом (рис. 3.10). Такими свойствами обладают соединения со структурным типом шпинели – ферриты, например Fe₃O₄.