Лекция
Привет, Вы узнаете о том , что такое магнитные свойства вещества, Разберем основные их виды и особенности использования. Еще будет много подробных примеров и описаний. Для того чтобы лучше понимать что такое магнитные свойства вещества, диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики , настоятельно рекомендую прочитать все из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов.
По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики , парамагнетики , ферромагнетики , антиферромагнетики и ферримагнетики . Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
Различаются пять основных типов магнитных свойств, которые ассоциируются с понятиями диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Установлено, что, помимо диамагнетизма заполненных электронных оболочек и диамагнетизма и парамагнетизма электронов проводимости, проявляются свойства, обусловленные наличием микроскопических магнитных моментов у некоторых или у всех атомов в твердом теле; различие в свойствах разных тел определяется расположением магнитных моментов внутри этих тел. Магнетизм в твердых телах был проблемой упорядочения магнитных моментов, пока рассматривались упорядоченные системы, содержащие одинаковые магнитные ионы, расположенные в эквивалентных атомных узлах правильной кристаллической решетки.
Положение изменилось благодаря резкой активизации теоретических и экспериментальных исследований двух родственных типов систем: аморфных твердых тел, в которых нет ни одной пары эквивалентных атомных позиций, и неупорядоченных твердых тел, в которых различные атомы беспорядочно занимают узлы правильной кристаллической решетки. Были обнаружены новые типы магнитного упорядочения, возникающие там, где нет никакого дальнего порядка, а также другие упорядочения, появляющиеся только в правильной кристаллической решетке. С этого момента предмет исследования усложнился и вместо пяти первоначальных типов магнитных свойств включил в себя почти втрое большее число типов, причем пропорционально расширилась и соответствующая терминология. Было замечено, что магнетизм нуждается в систематизаторе, который мог бы толком разобраться с такими названиями как миктомагнетизм, метамагнетизм, асперомагнетизм, сперомагнетизм, сперимагнетизм, спиновое стекло, кластерное стекло и множеством других, находящихся в обращении в настоящее время. Ясно, что постороннего наблюдателя такая ситуация способна привести в замешательство.
Рис. 1. Четырнадцать типов магнетизма.
Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждый моль вещества — суммарный магнитный момент), пропорциональный магнитной индукции H и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ = I/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряженности магнитного поля, так и от температуры.
Примеры: кремний, германий, вода.
К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением. Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю.
К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлии и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения AmBv, AnBVI) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии.
Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.
Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы 
.
Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обла дают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
К парамагнетикам относятся алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (О2), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо (FeCl2) и др.
Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично. Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнитная восприимчивость сильно зависит от температуры.
Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В очень сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках может наступать состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моменты ориентируются параллельно Н.
К числу парамагнетиков относятся кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.
Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.
Ферромагнетики — вещества (как правило, в твердом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определенной критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик — такое вещество, которое, при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Последние исследования в области физики показали, что некоторые ферромагнетики, при создании определенных условий, могут приобретать парамагнетические свойства при температурах, которые существенно выше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики, наряду со многими другими магнетическими веществами, остаются, как оказалось, плохо изученными веществами до сих пор.
Свойства ферромагнетиков:
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью, которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.
Антиферромагнетик — вещество, в котором установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов.
Иными словами, простой антиферромагнетик можно представить себе как совокупность двух взаимопроникающих идентичных ферромагнитных кристаллический подрешеток, моменты которых расположены так, что спин иона одной из подрешеток антипараллелен спинам соседних ионов другой подрешетки.
Простой антиферромагнетизм может существовать только в кристаллической системе, так как разделить аморфное тело на две идентичные подрешетки невозможно.
Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определенной температуры TN , так называемой точки Нееля и остается антиферромагнетиком вплоть до T/K.
Антиферромагнетик — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость, которая сильно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура такого перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).
Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm и др.). Типичными антиферро-магнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п. Всего известно около тысячи соединений со свойствами антиферромагнетиков.
Ферримагне́тики — материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешеток ориентируются антипараллельно, как и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешеток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю. Ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью. Различные подрешетки в них состоят из различных атомов или ионов, например, ими могут быть различные ионы железа, Fe2+ и Fe3+. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.
Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла. Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не компенсированы). Свое название эти материалы получили от ферритов — первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О2-. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.
Ферримагнитное упорядочивание.
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов.
Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но главным образом – различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.
Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют собой сильномагнитные материалы.
Метамагнетизм
МЕТАМАГНЕ́ТИК - антиферромагнетик, у которого обменное взаимодействие внутри атомных слоев значительно больше, чем между слоями. В слабых магнитных полях обладает свойствами антиферромагнетиков, а в более сильных полях (выше 5-10 кЭ) — ферромагнетиков. К метамагнетикам относятся хлориды и бромиды элементов группы железа (FeBr2, CoCl2 и др.), некоторые соединения редкоземельных элементов (GdN, TbAs, DySb, Eu3O4 и др.).
Сперомагнетизм
Вещество, обладающее магнитным состоянием, в котором локализованные магнитные моменты заданного сорта обладают произвольными ориентациями и отсутствует как суммарная намагниченность, так и какая-либо регулярная картина локального упорядочения за пределами ближайших соседств, называется сперомагнетиком (в переводе с греческого означает «равновероятно рассеянный по всем направлениям»). Иными словами, если Р(φ) — вероятность того, что произвольный магнитный момент составляет с фиксированным направлением угол φ, то в сперомагнетике отношение Р(φ)/sin(φ) является постоянным sin(φ) пропорционален телесному углу, заключенному в пределах от φ до
φ + Δφ). Важно отличать эту магнитную структуру от парамагнитной, в которой направления магнитных моментов флуктуируют во времени непрерывно и случайным образом. В сперомагнетике ниже определенной температуры упорядочения, Туп, которая может выглядеть как точка резкого превращения (рис. 13), направления магнитных моментов «замораживаются» и далее с течением времени не изменяются. Возникающее расположение магнитных моментов не является единственным, а представляет собой одно из многих почти вырожденных основных состояний, которыми обладает система; оно определяется локальным равновесием обменных взаимодействий в каждой позиции, где расположен магнитный момент. (Не каждый магнитный момент обязательно заморожен, ибо силы, действующие на него в данной позиции, могут оказаться точно скомпенсированными; поэтому возможно существование так называемых «свободных моментов».)
Асперомагнетизм
Магнитное состояние, образующееся из хаотически размещенных в пространстве локализованных магнитных моментов данного сорта, направления которых ниже некоторой температуры упорядочения Туп, зафиксированы так, что имеются преимущественные ориентации, более вероятные, чем остальные, называется асперомагнитным. В этом состоянии существует спонтанная намагниченность. Асперомагнетизм отличается от сперомагнетизма тем, что отношение Р(φ)/sin(φ) зависит от φ.
Так как направление магнитного момента меняется от точки к точке не совсем случайным образом, существует вероятность локального упорядочения в ограниченных областях или доменах.
Асперомагнетизм довольно часто встречается в аморфных материалах - сплавах и соединениях 4f- и 3d-элементов.
Сперимагнетизм
Сперимагнитная структура до некоторой степени похожа на ферримагнитную структуру. В ней также магнитные моменты подрешеток (в кристаллических материалах) или подсистем (в аморфных материалах) направлены противоположно друг другу. Сперимагнитная структура содержит ионы двух (или более) магнитных веществ, причем магнитные моменты, по крайней мере, одного из них заморожены со случайными ориентациями. Отличие от ферримагнетика заключается в том, что в сперимагнетике магнитные моменты в одной или обеих подсистемах ориентируются случайным образом в пределах некоторого пространственного конуса (рис. 3, в). Такая ситуация возникает как в кристаллических, так и в аморфных материалах, если ионы одного сорта обладают сильной локальной одноионной анизотропией D, которая несколько меньше интеграла А обменного взаимодействия между ионами из разных магнитных подсистем (например, аморфные соединения Tb-Fe, Tb-Co).
Рис. Сперомагнитная (а), асперомагнитная (б) и сперимагнитная (в) структуры.
Гелимагнетизм
Магнитное состояние, возникающее в системе магнитных моментов, локализованных в узлах кристаллической решетки, ниже некоторой температуры и обладающее при различных ориентациях отдельных моментов некоторым преимущественным направлением (осью), называется гелимагнитным. Это состояние есть ни что иное, как кристаллическая форма асперомагнетизма и его генетическими предшественниками являются сперо- и асперомагнетизм.
Типичным примером спиральной, или геликоидальной, структуры служит MnAu2 (рис. 15), в котором преимущественная ориентация моментов систематически меняется от одной атомной плоскости кристалла к другой. Ионы Mn обладают магнитными моментами и образуют объемноцентрированную тетрагональную структуру. Их магнитные моменты параллельны в каждой плоскости, нормальной к оси с, но их направление поворачивается на угол порядка 50° при переходе от плоскости к плоскости вдоль оси С. Более сложные формы гелимагнетизма встречаются в редкоземельных металлах, причем в них направления магнитных моментов вращаются при перемещении вдоль оси С по поверхности конуса, а не в плоскости.
Кристаллические асперомагнетики другого класса включают в себя две (или более) антиферромагнитные подрешетки, магнитные моменты которых наклонены относительно друг друга на некоторый угол и, следовательно, не совсем коллинеарны, т. е. создают суммарную намагниченность.
Спиновое стекло
Спиновые стекла — разбавленные магнитные сплавы (например, CuMn, AgMn или AuFe), то есть немагнитные материалы с включением магнитных примесей с относительной концентрацией магнитных ионов от 10−3 до 10−1. Между магнитными ионами существует дальнодействующее РККИ-обменное взаимодействие посредством электронов проводимости.
Кристаллический сплав, содержащий в себе магнитные ионы данного сорта, включенные в немагнитную матрицу, при охлаждении ниже критической температуры Туп может упорядочиваться сперомагнитно. Этот процесс называется «замораживанием спинового стекла». Хаотичность ориентации магнитных моментов напоминает хаотичность расположений составляющих обычного стекла; отсюда и название спиновое стекло.
Но выше температуры замораживания спинового стекла Тсс, в парамагнитном состоянии, моменты становятся свободными и могут совершать хаотические флуктуации (рис. 16).
Состояние спинового стекла в кристаллических сплавах существует только в ограниченной области концентраций растворяемого магнитного вещества. Концентрация должна быть достаточно высокой для того, чтобы возникла взаимосвязь между ионами посредством взаимодействия РККИ и в то же время достаточно низкой для того, чтобы избежать образования кластеров или цепочек непосредственно связанных друг с другом магнитных моментов, распространяющихся по всему образцу.
Спиновые стекла рассматриваются как состояние магнитной системы с случайным распределением спин-спиновых взаимодействий. В системе отсутствует дальний порядок, причем беспорядок в системе замороженный, то есть не меняется со временем. Энергия обменного взаимодействия осциллирует, меняя знак, в зависимости от расстояния между атомами, поэтому в спиновых стеклах конкурируют ферромагнитные и антиферромагнитные взаимодействия, распределенные случайным (но постоянным во времени) образом благодаря случайному расположению магнитных атомов.
Спиновые стекла отличаются от других магнетиков рядом свойств:
Миктомагнетизм
Миктомагнетик в общем сходен с идеальным спиновым стеклом, за исключением того, что в нем доминируют локальные корреляции магнитных ионов (двойные, тройные и т. д.) ввиду повышенной концентрации магнитных примесей. Для отдельных материалов характерно то, что небольшие группы ионов связываются друг с другом прямым обменным взаимодействием и сосуществуют как отдельные образования, внедренные в матрицу спинового стекла (рис. 17). Моменты кластеров взаимодействуют друг с другом косвенно посредством взаимодействия РККИ и кооперативно замораживаются ниже некоторой температуры Tзам как в сперомагнетике.
Замораживание моментов в миктомагнетике обусловлено термической блокировкой суперпарамагнитных моментов кластеров. Так как в миктомагнетике обычно наблюдается целый набор размеров кластеров, можно ожидать, что существует также и соответствующий набор температур, при которых осуществляется блокировка магнитных моментов. Это делает процесс замораживания не столь резко выраженным, чем тот, который осуществляется в системе с кластерами одного размера. Другая характерная черта миктомагнетизма — зависимость намагниченности σ от магнитной предыстории образца (см. рис. 17). Охлаждение образца ниже Тзам в сравнительно слабых полях (~1 Тл) создает в конфигурации замороженных кластерных моментов некоторое преимущественное направление. Такое асперомагнитное состояние (2 на рис. 17) обладает типичной смещенной петлей гистерезиса и повышенным значением σ ниже Тзам, соответствующим «вмороженному» эффективному полю частично упорядоченных моментов.
Ближний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе, которая (в отличие от дальнего порядка) повторяется лишь на расстояниях, соизмеримых с расстояниями между атомами, то есть ближний порядок это наличие закономерности в расположении соседних атомов или молекул.
Ближним порядком в расположении атомов или молекул обладают, наряду с кристаллами, также аморфные тела и жидкости.
Дальний порядок — упорядоченность во взаимном расположении атомов или молекул в веществе (в жидком или твердом состоянии), которая (в отличие от ближнего порядка) повторяется на неограниченно больших расстояниях.
Дальним порядком в расположении атомов или молекул обладают, например, кристаллы.
Точка Нееля — антиферромагнитная точка Кюри, температура TN, выше которой антиферромагнетик теряет свои специфические магнитные свойства и превращается в парамагнетик (фазовый переход II рода). Вблизи TN достигают максимального значения аномалии немагнитных свойств антиферромагнетиков (теплоемкости, коэффициент теплового расширения, температурного коэффициента электропроводности и т. д.). Названа по имени Луи Нееля.
Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — в сегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах). Названа по имени П. Кюри. При температуре T ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определенной магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T = Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично у антиферромагнетиков при T = Q (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешеток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками. В сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при T = Q тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решетки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (ее называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.
Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при T = Q в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решетки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоемкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при T = Q, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.
Данная статья про магнитные свойства вещества подтверждают значимость применения современных методик для изучения данных проблем. Надеюсь, что теперь ты понял что такое магнитные свойства вещества, диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики и для чего все это нужно, а если не понял, или есть замечания, то не стесняйся, пиши или спрашивай в комментариях, с удовольствием отвечу. Для того чтобы глубже понять настоятельно рекомендую изучить всю информацию из категории Материаловедение и материалы электронных аппаратов
Комментарии
Оставить комментарий
Материаловедение и материалы электронных аппаратов
Термины: Материаловедение и материалы электронных аппаратов