Магнитные свойства твердых тел Керамические ферриты Зависимость

Магнитные свойства твердых тел. Керамические ферриты

Зависимость атомной магнитной восприимчивости от атомного номера

Рис. 3. 12. Намагниченность диамагнетиков (1) и парамагнетиков (2) во внешнем магнитном поле

Диамагнетик χ Парамагнетик χ Ферромагнетик χ Bi 18· 10 5 Ni. S 04 360· 10 5 Fe 1000 Cu 0. 9· 10 5 Fe. Cl 2 580· 10 5 Ni 150 Si 0. 3· 10 5 Са. О 120· 10 5 Со 240 Магнитная восприимчивость экспериментально может быть определена классическим методом Фарадея посредством изменения привеса образца, помещенного в неоднородное магнитное поле. Поскольку диамагнетики имеют отрицательную χ намагниченность, направленную навстречу внешнему полю, то они выталкиваются из неоднородного магнита. Парамагнетики из за положительного χ будут втягиваться. Схема измерений магнитной восприим чивости твердых тел по методу Фарадея: 1 — образец; 2, 3 — сосуды Дюара; 4 — вакуумная рубашка сосудов Дюара; 5 — кварцевый подвес; 6 — электронные весы; 7 — нагреватель — бифилярная спираль на медном стакане; 8 — полюсные наконечники магнита

Главной особенностью намагничивания ферромагнетиков является гистерезисный характер кривой В=f(H). На этом же рисунке показаны характерные параметры ферромагнетика: Воcт — остаточная намагниченность, Hк — коэрцитивная (удерживающая) си ла, которую надо приложить, чтобы свести остаточную намагничен ность образца к нулю. Кривые намагничивания ферромагнетиков: а — ферромагнетик с широкой петлей гистерезиса, б ферромагнетик с узкой петлей гистерезиса, Bост — остаточная намагниченность, Hк — коэрцитивная сила Площадь петли гистерезиса численно равна работе перемагничивания. В этом процессе работа переходит в теплоту. Нагрев ферромагнетика тем больше, чем больше площадь петли или, что то же самое, чем она шире.

Примерами магнитомягких ферромагнетиков могут служить сплавы: пермендюр (49 % Со, 49 % Fe, 2 % V), пермалой (45, 68 % или 78, 5 % Ni; остальное — железо), гиперко (35 % Со; 0, 5 % Сr; 64, 5 % Fe) Очень важный для практики эффект магнитострикция — изменение размеров ферромагнитного образца при намагничивавании. В таком образце — стрикторе — при быстром циклическом перемагничивании возбуждаются циклические изменения размеров, т. е. возбуждаются механические колебания. Такие стрикторы, помещенные, например, в жидкость, генерируют в ней ультразвуковые колебания. На этом явлении основана ультразвуковая очистка поверхностей различных деталей. Классификация магнетиков

Схема вращения электрона по классической круговой орбите: m, e — масса и заряд электрона; J — полный механический момент электрона; М — магнитный момент элект рона; v — линейная скорость электрона На рис. показана круговая орбита электрона, движущегося по ней с линейной скоростью v и угловой скоростью w. Момент количества движения электрона L=mvr, где r — радиус орбиты. Орбиту с электроном трактуют как проволочный виток с током I = eν , где ν — частота обращения электрона по орбите, т. е. ν = v/(2πr). Электрический ток в круговом витке создает магнитный момент Ме = IS , где S — площадь орбиты. Комбинируя выражения обоих моментов L и Ме, нетрудно получить Ме=[e. L/(2 m)](1/c), где с — скорость света, необходимая для сохранения размерности при переходе от электрических единиц к магнитным.

В уравнении содержится фундаментальный результат: пропорциональность магнитного момента механическому. Эта пропорциональность сохраняется и в квантовой механике, но величина орбиталь ного момента L приобретает квантовый, дискретный характер: L= nћ , где n=1, 2, . . . И Ме=enћ/(2 mc). При n = 1 величина Ме=eћ/(2 mc) оказывается универсальной постоянной, имеющей смысл единицы элементарного магнетизма, обозначаемой МВ и называемой магнетоном Бора. Численно МВ = 9, 27 10 24 Дж/Т. Электрон, помимо вращения по орбите вращается еще вокруг своей оси и обладает еще одним механическим моментом — спином s, а значит и вторым магнитным моментом Ms — спиновым. Величины Ms и s, как и величины Ме и L, пропорциональны, но коэффициент пропорциональности у них в два раза больше, что нельзя объяснить в рамках классической физики: Мs=eћs/(mc). Суммарный магнитный момент М = Ме + Ms. Таковы классические представления о магнетизме отдельного электрона. Но все атомы, кроме водорода, многоэлектронны, и у них M = g. MBJ, где J — полный механический момент, определяемый по формуле Большинство атомов имеет заполненные электронные оболочки, и полный момент их количества движения равен нулю. Поэтому у них в отсутствие внешнего магнитного поля (H=0) и магнитный момент равен нулю (у атомов с неспаренными электронами М≠ 0). Это атомы с d и f оболочками: переходные и редкоземельные элементы. У них даже при H = 0 уже есть собственный магнитный момент.

В веществах могут проявиться четыре случая упорядочения магнитных атомных моментов.

2. Упорядочение с параллельными моментами, существующее уже при Н = 0. Такие вещества являются ферромагнетиками. Основной вклад в магнетизм атомов этих веществ дают спиновые магнитные моменты. На рис. показано изменение Ms в зависимости от температуры. Повышение температуры приводит к разупорядочению моментов, и магнитный момент Ms падает. При некоторой критической температуре Тс, называемой температурой Кюри, Ms=0 и, начиная с этой температуры, вещество ведет себя подобно парамагнетику. Таким образом, для ферромагнетика справедлив закон: χ= С/(T-Tc), именуемый законом Кюри—Вейса. Упорядочение спинов и температурная зависимость намагниченности в ферромагнетике

Величина А — функция расстояния между атомами или функция отношения a/d, где а — период кристаллической решетки, d — размер (диаметр) оболочки атома. Зависимость A =f(a/d) показана на рис. Зависимость обменного интеграла А от межатомного расстояния Поскольку любая система стремится к минимуму энергии, то при А > 0 минимумом энергии будут обладать только те атомы, у которых Si и Sk имеют одинаковое направление, т. е. это ферромагнетики. При А < 0 минимум энергии будет при антипараллельном направлении соседних магнитных моментов. Эти вещества — антиферромагнетики. Критическая точка, при которой А = 0, составляет a/d=1, 5. Поэтому, например, марганец — не ферромагнетик, хотя его d оболочка заполнена лишь наполовину (d 5). Но те же атомы марганца в соединениях Mn. Sb, Mn. As находятся на таких расстояниях, что А > 0, и для достижения минимума энергии выгоднее оказывается ситуация с параллельными спинами. Поэтому эти соединения — ферромагнетики. Для веществ, в которых расстояния r>>rкр , значение А стремится к нулю, ферромагнетизм ослабевает и практически даже отсутствует. Таким образом, для возникновения ферромагнетизма необходимо выполнение двух условий: обязательно незаполненная электронная оболочка и близкое расположение атомов в кристаллической решетке: 1, 5 ≤ a/d ≤ 10.

3. Упорядочение с антипараллельными равными моментами (антиферромагнетик). Наблюдается у веществ с А < 0 и, как правило, состоящих из двух подрешеток с разными атомами. Типичный пример такого вещества Мn. О. Зависимость χ=f(T) для антиферромагнетиков описывается законом 1/χ= С/(T-Tc) Критическая точка TN, в которой магнитные моменты разупорядочиваются, называется точкой Нееля. По достижению TN зависимость 1/χ от Т подчиняется закону Кюри—Вейса , но с отрицательной температурой Кюри. Кристаллическая структура Мn. О (стрелками указаны направления магнитных моментов отдельных ионов марганца) Упорядочение с антипараллельными равными спинами в антиферромагнетике

4. Упорядочение с антипараллельными неравными моментами. Такие вещества получили название ферримагнетиков. У них при H = 0 магнитный момент не равен нулю. Во внешнем магнитном поле они ведут себя подобно ферромагнетикам. Их используют для изготовления керамических материалов — ферритов. Пример ферримагнетика в природе — минерал магнетит Fe. O·Fe 2 О 3. В его кристаллической структуре отрицательные ионы кислорода образуют кубическую решетку, в которой на каждую молекулу Fe. O Fe 2 O 3 приходятся один двухва лентный ион. Fe 2+ и два трехвалентных иона Fe 3+. Ионы железа обоих типов могут быть замещены ионами других двухвалентных металлов: Mg, Ni, Co, Mn, Сu, . . . , так что общая формула будет Me 2+ Fe 2 O 3. В таких металлозамещенных ферритах одна из подрешеток состоит из половины Fe 3+ ионов, а другая подрешетка — из второй половины Fe 2+ ионов и ионов Me 2+ замещающего металла. Ферриты имеют два существенных отличия от ферромагнитных материалов: сочетание высоких магнитных свойств (малая коэрцитивная сила, большое значение магнитной восприимчивости и т. п. ) с высокими изоляционными свойствами; удельное электрическое сопротивление ферритов достигает 103 Ом·см, что на шесть порядков больше, чем у железа; петля гистерезиса (рис. ) имеет прямоугольную форму. Прямоугольная петля гистерезиса специальных ферритов Упорядочение с антипараллельными неравными моментами в ферромагнетике

Оба этих отличия предопределили практическое применение ферритов. Одно из них электронная техника, где они применяются в качестве сердечников катушек индуктивности, трансформаторов, дросселей, магнитных антенн и других магнитопроводов, способных работать на высоких радиочастотах. Еще одна важная область применения ферритов — вычислительная техника. В ней необходимы ферриты с прямоугольной петлей гистере зиса и сравнительно малой коэрцитивной силой. Ферриты типа BAO (Fe 2 O 3)6, обладающие, наоборот, большой коэрцитивной силой , превышающей 80 к. А/м, применяются для изготовления постоянных магнитов. Технология изготовления ферритов — типично керамическая: из смеси исходных оксидов прессуются изделия требуемой конфигурации, которые спекают при температурах 900. . . 1500°С в различной газовой среде. От состава газа (воздух, азот, аргон, двуокись углерода, вакуум) и скорости охлаждения от температуры обжига существенно зависит концентрация ионов Fe 2+, распределение катионов по подрешеткам феррита и содержание в нем дефектов. Эти зависимости и используют для формирования магнитных и электрических характеристик феррита.