Магнитные свойства твердых тел обусловлены поведением электронных спинов и орбитальных движений электронов в атомах и молекулах, а также характером их взаимодействия в кристаллической решетке. Важнейшим фактором является наличие неспаренных электронов в d- и f-орбиталях, что определяет тип магнетизма вещества.
Диамагнетики — вещества, у которых все электроны спарены. Внешнее магнитное поле индуцирует слабый противоположный магнитный момент, что проявляется слабым отталкиванием. Диамагнетизм свойственен большинству органических соединений и благородных газов, а также некоторым металлам, таким как медь и серебро.
Парамагнетики — вещества с одним или несколькими неспаренными электронами. Магнитные моменты атомов ориентируются вдоль внешнего магнитного поля, вызывая слабое притяжение. При повышении температуры парамагнитная восприимчивость уменьшается, что описывается законом Кюри:
$$ \chi = \frac{C}{T} $$
где χ — магнитная восприимчивость, C — постоянная Кюри, T — абсолютная температура.
Ферромагнетики — вещества, в которых магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно друг другу благодаря обменным взаимодействиям, даже без внешнего поля. Это приводит к спонтанной намагниченности и проявлению гистерезиса. К типичным ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель и их сплавы.
Антиферромагнетики — характеризуются антипараллельной ориентацией соседних магнитных моментов, что приводит к компенсации макроскопического магнетизма. Примерами служат оксиды марганца и железа.
Ферримагнетики — подобны антиферромагнетикам, но антипараллельные моменты имеют разную величину, в результате чего сохраняется остаточная намагниченность. Такие материалы широко применяются в магнитной технике и памяти.
Основным механизмом является обменное взаимодействие, возникающее вследствие перекрытия волновых функций электронов соседних атомов. Оно может быть ферромагнитным, когда спины выравниваются параллельно, или антиферромагнитным, при антипараллельной ориентации.
Диполь-дипольное взаимодействие между магнитными моментами атомов играет второстепенную роль, но существенно для точного описания магнитного порядка в сложных структурах.
Температурные колебания тепловой энергии нарушают упорядоченность магнитных моментов. Для ферромагнетиков существует критическая точка — температура Кюри (T_C), выше которой материал теряет спонтанную намагниченность и становится парамагнитным. Для антиферромагнетиков аналогичная точка называется температурой Нёеля (T_N).
Кристаллическая решетка оказывает значительное влияние на магнитные свойства. Геометрия и расстояния между магнитными центрами определяют силу обменного взаимодействия. В сложных оксидных и интерметаллических соединениях ориентация атомов может создавать магнитные суперструктуры, включая спиральные и слоистые конфигурации спинов.
Для изучения магнитных свойств используют:
Магнитная восприимчивость и коэрцитивная сила являются ключевыми параметрами для классификации материалов и определения их практического применения.
Магнитные материалы применяются в электронике, энерготехнике, информационных носителях и медицине. Ферромагнитные сплавы используются в трансформаторах и электродвигателях, антиферромагнетики — в магнитных сенсорах, а парамагнитные и диамагнитные вещества — в магнитной сепарации и контрастных средствах в МРТ.
Магнитные свойства тесно связаны с электронной структурой вещества, что делает их важным инструментом для анализа химического состава и кристаллической структуры.