Магнитные свойства твердых тел — важнейшая часть материаловедения, физики твердого тела и теоретической химии. Они определяются взаимодействием атомов, молекул и ионов вещества с внешним магнитным полем, а также внутренними взаимодействиями между ними. В зависимости от природы этих взаимодействий можно выделить несколько типов магнитных материалов, каждый из которых имеет свои характерные особенности.
Парамагнетики Парамагнитные материалы характеризуются тем, что их магнитные моменты ориентируются в поле, создавая слабое магнитное воздействие. Однако, в отличие от ферромагнитных материалов, это воздействие исчезает после снятия внешнего магнитного поля. Магнитный момент парамагнитных веществ пропорционален интенсивности внешнего поля, что можно описать через уравнение Лоренца:
[ = _m ]
где () — магнитная восприимчивость, () — магнитное поле. Парамагнетизм проявляется при наличии неспаренных электронов в атомах или молекулах вещества, которые создают индивидуальные магнитные моменты.
Ферромагнетики Ферромагнитные материалы обладают свойством сохранять магнитный момент даже после прекращения действия внешнего магнитного поля. Это происходит за счет сильного обменного взаимодействия между электронами, приводящего к выравниванию магнитных моментов в определенном направлении. При определенной температуре, называемой температурой Кюри, ферромагнитные материалы переходят в парамагнитное состояние. Механизм ферромагнитизма был подробно описан в модели Исайи Исаковича Ландау и использует представление о спиновом орбитальном взаимодействии.
Антиферромагнетики Антиферромагнитные материалы обладают особенностью, при которой магнитные моменты атомов ориентируются противоположно друг другу. В результате макроскопическая магнитная индукция в таком материале равна нулю, несмотря на наличие внутренних магнитных моментов. Обменное взаимодействие в антиферромагнитных материалах также играет ключевую роль, однако оно приводит к противоположным ориентациям магнитных моментов соседних атомов.
Ферримагнетики Ферримагнетики можно рассматривать как промежуточный вариант между ферромагнитными и антиферромагнитными материалами. В этих веществах магнитные моменты атомов также ориентируются противоположно, однако в отличие от антиферромагнитных материалов, магнитные моменты различных подрешеток не равны по величине. Это приводит к конечной магнитной индукции, как в ферромагнитных материалах.
Магнитная восприимчивость (()) — это мера изменения магнитной индукции в материале при воздействии внешнего магнитного поля. Она является важным параметром, который позволяет классифицировать материалы на магниты, парамагнетики и диамагнетики.
[ = ]
где (M) — магнитная индукция, (H) — напряженность внешнего магнитного поля. Для парамагнитных материалов () всегда положительно и пропорционально температуре, согласно уравнению Кюри, которое выражает зависимость магнитной восприимчивости от температуры:
[ = ]
где (C) — константа Кюри, (T) — температура. При снижении температуры магнитная восприимчивость парамагнитного вещества возрастает, а при достижении точки Кюри — стремится к нулю.
В основе магнитных свойств твердых тел лежат спиновые магнитные моменты электронов. Спин — это внутреннее свойство элементарных частиц, которое проявляется в виде их магнитных моментов. В нормальных условиях электроны в атомах могут располагаться с противоположными спинами, что приводит к взаимной компенсации их магнитных моментов. В том случае, если у атома имеется неспаренный электрон, его спин создает индивидуальный магнитный момент.
Ферромагнитные материалы обладают парами электронов, у которых спины ориентированы в одну сторону, что приводит к сильному магнитному моменту. В антиферромагнитных материалах же спины соседних электронов ориентированы противоположно, что ведет к аннигиляции их магнитных моментов.
Электронная структура атомов и молекул напрямую влияет на магнитные свойства материала. В том случае, если материал состоит из атомов с неспаренными электронами, возникает возможность для формирования индивидуальных магнитных моментов. Обменное взаимодействие между этими электронами является основой для всех магнитных явлений.
Для ферромагнитных материалов характерно наличие значительного числа неспаренных электронов в атомах или молекулах, что позволяет образовывать домены — области с одинаковой ориентацией спинов. Внутреннее поле этих доменов стабилизирует магнитное состояние вещества, и это состояние сохраняется даже после прекращения действия внешнего поля.
Магнитный гистерезис — это явление, при котором магнитная индукция материала зависит не только от текущего внешнего магнитного поля, но и от его предыдущее значения. Этот эффект наблюдается в ферромагнитных материалах, где процесс намагничивания не является мгновенным, а происходит через изменение ориентации магнитных доменов. При уменьшении внешнего поля магнитная индукция не возвращается к нулю, что и ведет к появлению петли гистерезиса.
Гистерезис описывается кривой, где ось абсцисс представляет собой магнитное поле, а ось ординат — магнитную индукцию. Важно отметить, что петля гистерезиса имеет широкий спектр практических применений, включая в области записи информации, а также в технологии магнитных сердечников для трансформаторов и электродвигателей.
Тепловое движение атомов и молекул также влияет на магнитные свойства материалов. При высоких температурах кинетическая энергия частиц становится достаточной для преодоления взаимодействий между ними, что ведет к исчезновению упорядоченности магнитных моментов и переходу в парамагнитное состояние. Например, температура Кюри для ферромагнитных материалов характеризует точку, при которой материал утрачивает свои ферромагнитные свойства и становится парамагнитным.
Температурная зависимость магнитной восприимчивости также играет важную роль в описании поведения магнитных материалов в различных условиях, что особенно актуально для материалов, используемых в магнитных датчиках и системах охлаждения.
Магнитные материалы находят широкое применение в различных отраслях науки и техники. Ферромагнитные материалы используются в производстве магнитных устройств, таких как двигатели, генераторы, трансформаторы и магнитные сердечники. Парамагнитные материалы активно применяются в медицине, например, в магнитно-резонансной томографии (МРТ). Антиферромагнитные материалы интересны для создания новых типов памяти, а ферримагнитные материалы находят применение в технологии жестких дисков.
Таким образом, магнитные свойства твердых тел представляют собой сложное и многогранное явление, включающее как макроскопические проявления, так и фундаментальные молекулярно-атомные механизмы.