Магнитные свойства веществ тесно связаны с их кристаллической структурой и характером химических связей. В основе формирования магнитного момента атома лежит наличие неспаренных электронов в орбиталях d- и f-элементов. В твердых телах взаимодействие между магнитными моментами атомов проявляется через обменные взаимодействия, определяемые законом Паули и правилом Гуддуина–Канна.
Типы магнитного упорядочения:
Парамагнетизм: Возникает в веществах с отдельными неспаренными электронами. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты ориентируются в направлении поля, но при его отсутствии термически хаотическое движение нейтрализует намагниченность. Характеризуется положительной магнитной восприимчивостью, зависящей от температуры по закону Кюри–Вейса.
Ферромагнетизм: Характерен для веществ с сильными параллельными спинами, приводящими к крупномасштабной спонтанной намагниченности. Основные ферромагнитные элементы – железо, кобальт, никель, а также их соединения. Важнейшие параметры: коэрцитивная сила, насыщение намагниченности, магнитная анизотропия.
Антиферромагнетизм: В таких системах соседние спины ориентированы антипараллельно, что приводит к полной компенсации макроскопического магнитного момента. Температура Нееля определяет переход от парамагнитного состояния к антиферромагнитному.
Ферримагнетизм: Подобен антиферромагнетизму, но суммы антипараллельных моментов не равны, что обеспечивает остаточную намагниченность. Типично для оксидов железа с спиновой разностью на различных кристаллических позициях.
Железо- и никельсодержащие сплавы: Обладают высокой насыщаемой намагниченностью и низкой коэрцитивной силой, применяются в сердечниках трансформаторов и магнитопроводах.
Ферриты: Керамические оксиды, как правило, с формулой MFe2O4 (где M = Mn, Zn, Ni), обладают ферримагнитными свойствами при низкой проводимости, что делает их идеальными для высокочастотных приложений.
Редкоземельные магнитные материалы: Смесь сплавов на основе Nd–Fe–B и Sm–Co характеризуется высокой коэрцитивностью и остаточной намагниченностью, используемых в миниатюрных двигателях и постоянных магнитах.
Аморфные и металлические стекла: Не имеют кристаллической упорядоченности, что снижает магнитные потери при перемагничивании. Особое значение имеют сплавы Fe–Co–B, применяемые в высокочастотной электронике.
Анизотропия определяется энергетическими различиями при ориентации магнитного момента вдоль различных кристаллографических осей. Основные типы:
Энергия анизотропии определяет коэрцитивную силу и стабильность намагниченности.
Температурные зависимости магнитных свойств описываются законами Блохa и Кюри–Вейса с учетом спиновой корреляции и взаимодействий обменного типа.
Эти методы позволяют установить характер магнитного упорядочения, а также количественно оценить магнитные параметры, такие как момент на атом, коэрцитивность и намагниченность насыщения.
Магнитные материалы представляют собой область с высокой междисциплинарной значимостью, объединяя физику твердого тела, химию переходных и редкоземельных элементов, а также инженерные технологии по обработке и применению.