1. Магнитные материалы

1.1. Магнитные характеристики

Намагниченность любого вещества в магнитном поле можно определить как отношение суммарного момента М материала к единичному объему V

J = M / V.     (1.1)

Намагниченность зависит от намагничивающего поля

J = k_м • H, A/M     (1.2)

где k_м - магнитная восприимчивость - безразмерная величина, характеризующая способность к намагничиванию данного вещества.

Магнитная индукция В является основным параметром магнитного материала

B = μ₀H + μ₀J = μ₀H(1 + k_м) = μ₀μH    (1.3)

где μ₀ =4π • 10^-7 Гн/м - магнитная постоянная; μ = 1 + k_м - относительная магнитная проницаемость.

Основная кривая намагничивания. Зависимости B=F(H) и J=F(H), полученные на предварительно размагниченных образцах, называют основными кривыми намагничивания.

Основная кривая намагничивания - важнейшая характеристика магнитных материалов. Физика процессов намагничивания магнитных материалов может быть понята при отождествлении ее с характерными участками основной кривой намагничивания. На рис. 1.1 а показана основная кривая намагничивания по намагниченности и по индукции.

рис. 1.1 а

1.2. Классификация веществ по магнитным свойствам

Диамагнетики - вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю. Для диамагнетиков k_м  - (10 ^- 6 - 10 ^- 7), μ < 1. k_м слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примерами диамагнетиков являются все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галлоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводники-соединения А^IIIВ^V, А^IIВ^VI, кремний, германий, бор и др.,; ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.; водород, азот, вода, нефть и др.

Парамагнетики - вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равён нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамагнетиков k_м > 0, μ < 1. k_м парамагнетиков в большинстве случаев сильно зависит от температуры. При комнатной температуре k_м  10 ^- 6 - 10 ^- 3.

К парамагнетикам относятся щелочные и щелочно-земельные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота, Al, Na, Mg, Та, W, СаO и др.

Ферромагнетики - вещества, в которых ниже температуры Кюри Т_к наблюдается магнитная упорядоченность соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях даже в отсутствие внешнего магнитного поля. k_м ферромагнетиков (также как и μ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.

К ферромагнетикам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, марганца, алюминия и др. При низших температурах некоторые редкоземельные элементы - гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий. А также сплавы RCo₅, где R - редкоземельный элемент (Sm, Се или Рr).

Антиферромагнетики - характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков k_м = 10^-3 - 10^-5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).

К антиферромагнетикам относятся хром, марганец, церий, неодим и др. Химические соединения на основе металлов переходной группы окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др.: MnSe, FeCl₂, FeF₂, CuCl₂, MnO, FeO, NiO.

Ферримагнетики - вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм ферримагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля, выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.

К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические сплавы и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты МnО • Fe₂О₃, ВаO • 6Fе₂O₃, (NiO • ZnO) Fe₂O₃, Li₂O(Fе₂O₃) и др.

Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальные группы к слабомагнитным веществам.

Аморфные магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии. У таких веществ имеет место обменное взаимодействие (обменной энергией) между ближайшими соседними атомами. Такими структурами могут быть, например, проводящие сплавы с малым содержанием переходных элементов. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем - бором, углеродом, кремнием или фосфором.

Спиновые магнитные стекла - это сильномагнитные вещества с ферромагнитным порядком, если магнитные свойства в них возникают в результате косвенных обменных взаимодействий через электроны проводимости и с антиферромагнитным порядком, если возбуждение происходит через промежуточные немагнитные атомы.