XVI Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2024

Все материалы могут быть классифицированы с точки зрения их магнитных свойств и отнесены к одной из пяти категорий в зависимости от их объемной магнитной восприимчивости [1]. Двумя наиболее распространенными типами магнетизма являются диамагнетизм и парамагнетизм, которые объясняют магнитные свойства большинства элементов периодической системы Менделеева при комнатной температуре[1].

Рис.1 – Магнитные материалы в таблице Менделеева

Рассмотрим магнитный материал в размагниченном состоянии (B = 0, H = 0) [2]. Несмотря на то, что локальные магнитные моменты имеют дальний порядок (обычно более нескольких микрон), размагниченное состояние может быть достигнуто путем формирования магнитных доменов [2]. Домены представляют собой области однородной намагниченности, разделенные доменными стенками, поверхностями, на которых ориентация атомных моментов изменяется относительно резко [2]. Векторные намагниченности доменов суммируются до нуля в размагниченном состоянии [2]. Приложение поля к размагниченному образцу приводит к перемещению доменных стенок таким образом, чтобы увеличить объем тех доменов, которые имеют наибольшую составляющую M вдоль H [2]. Начальная плотность потока, B = µo(H + M) = ϕ/area, создаваемая в ответ на небольшое поле, H, определяет начальную проницаемость, µ_i = B/H]H≈ 0 [2]. При более сильных полях проницаемость увеличивается до максимального значения µ_max [2]. Относительная начальная проницаемость, µ_r, может достигать 10⁵ или µ_rμo≈ 10^-1 в некоторых материалах [2].

Рис. 2 – Направления намагниченности доменов

1. Диамагнетизм

Диамагнетизм является фундаментальным свойством всей материи, хотя обычно он очень слаб [3]. Это связано с некоммуникабельным поведением вращающихся по орбите электронов при воздействии приложенного магнитного поля [3]. Диамагнитные вещества состоят из атомов, которые не имеют суммарных магнитных моментов (т.е. все орбитальные оболочки заполнены и в них нет неспаренных электронов) [3]. Однако при воздействии поля возникает отрицательная намагниченность и, следовательно, восприимчивость отрицательна [3]. Если мы построим график зависимости M от H, мы увидим:

Рис. 2- Магнитная восприимчивость

Когда поле равно нулю, намагниченность равна нулю [3]. Другой характерной особенностью диамагнитных материалов является то, что восприимчивость не зависит от температуры [3]. Некоторые хорошо известные диамагнитные вещества в единицах измерения 10^-8 м³/кг включают:

кварц (SiO2) -0,62

Кальцит (CaCO3) -0,48

воду -0,90

2. Парамагнетизм

В этом классе материалов некоторые атомы или ионы в материале обладают суммарным магнитным моментом из-за неспаренных электронов на частично заполненных орбиталях [3]. Одним из наиболее важных атомов с неспаренными электронами является железо [3]. Однако отдельные магнитные моменты не взаимодействуют магнитным образом, и, подобно диамагнетизму, намагниченность равна нулю при снятии поля [3]. При наличии поля теперь происходит частичное выравнивание магнитных моментов атомов в направлении поля, что приводит к суммарной положительной намагниченности и положительной восприимчивости.

Рис. 3 – Магнитная восприимчивость парамагнетика

Многие железосодержащие минералы являются парамагнитными при комнатной температуре [3]. Некоторые примеры, в единицах измерения 10^-8 м³/кг, включают:

Монтмориллонит (глина) 13

Нонтронит (глина, богатая железом) 65

Биотит (силикат) 79

Сидерит (карбонат) 100

Пирит (сульфид) 30

3. Ферромагнетизм

Когда вы думаете о магнитных материалах, вы, вероятно, думаете о железе, никеле или магнетите [3]. В отличие от парамагнитных материалов, атомные моменты в этих материалах демонстрируют очень сильные взаимодействия [3]. Эти взаимодействия создаются силами электронного обмена и приводят к параллельному или антипараллельному выравниванию атомных моментов [3]. Силы обмена очень велики, эквивалентны полю порядка 1000 Тесла, или примерно в 100 миллионов раз превышающему напряженность поля Земли [3].

Рис. 4 – Намагничивание ферромагнетика

Элементы Fe, Ni и Co и многие из их сплавов являются типичными ферромагнитными материалами [3].

4. Антиферромагнетизм

Рис. 5 – Намагничивание антиферромагнетика

Если моменты подрешеток A и B в точности равны, но противоположны, суммарный момент равен нулю [3]. Этот тип магнитного упорядочения называется антиферромагнетизмом[3].

Рис. 6 – Магнитная восприимчивость

5. Ферримагнетизм

В ионных соединениях, таких как оксиды, в результате кристаллической структуры могут возникать более сложные формы магнитного упорядочения[3].

Один из типов магнитного упорядочения называется ферримагнетизмом [3]. Здесь показано простое представление магнитных спинов в ферримагнитном оксиде [3].

Рис. 7 – Намагничивание антиферримагнетика

Магнитная структура состоит из двух магнитных подрешеток (называемых A и B), разделенных атомами кислорода [3]. Обменные взаимодействия опосредуются анионами кислорода [3]. Когда это происходит, взаимодействия называются непрямыми или сверхобменными взаимодействиями.[3] Сильнейшие сверхобменные взаимодействия приводят к антипараллельному выравниванию спинов между подрешетками A и B [3].

Вернемся к простому примеру магнита, который мы регулярно используем на практических занятиях по физике, - стержневому магниту [4]. Мы знаем, что этот магнит остается намагниченным даже при отсутствии магнитного поля благодаря тому факту, что мы можем приклеить его к другим магнитам, например, к магниту, приклеиваемому к дверце холодильника, или к магниту, используемому для подбора скрепок [4]. Это показывает нам, что они состоят из ферромагнитных материалов [4].

Другим ключевым примером использования ферромагнетиков является стрелка компаса [4]. Если вы когда-нибудь пробовали самостоятельно пользоваться компасом старой школы, вы будете знать, что независимо от того, в какую сторону вы смотрите, стрелка компаса всегда будет указывать на истинный север [4]. Это связано с тем, что Земля обладает собственным внутренним магнитным полем, поэтому намагниченная стрелка всегда притягивается к северному полюсу, что делает ее идеальным прибором для заблудившихся путешественников в море [4].

На общепринятом языке “немагнитными” называются те материалы, которые не проявляют сильного магнитного отклика - они имеют низкую относительную проницаемость µr, очень близкую к единице, или восприимчивость, близкую к нулю (аналогично вакууму)[5].

В инженерных приложениях проницаемость таких материалов обычно принимается равной единице (такой же, как у вакуума) с незначительной погрешностью Диамагнетики, парамагнетики и антиферромагнетики используются из-за отсутствия у них магнитного отклика (немагнитности). Антиферромагнетики используются в некоторых магнитных датчиках, таких как спиновые клапаны, из-за их магнитных свойств [5].

Список литературы

1. https://www.birmingham.ac.uk/Documents/college-eps/metallurgy/research/Magnetic-Materials-Background/Magnetic-Materials-Background-4-Classification-of-Magnetic-Materials.pdf

2. https://www.sciencedirect.com/topics/chemistry/magnetic-material

3. https://cse.umn.edu/irm/2-classes-magnetic-materials

4. https://www.studysmarter.co.uk/explanations/physics/magnetism-and-electromagnetic-induction/magnetic-materials/

5. http://www.e-magnetica.pl/doku.php/magnetic_materials

Код для цитирования: Скопировать