Общие положения

 

Магнитными называются материалы, которые применяются в технике с учетом их магнитных свойств и характеризуются способностью накапливать, хранить и трансформировать магнитную энергию, т.е. намагничиваться. Магнитные свойства вещества определяются его атомной структурой и наличием постоянного магнитного момента атомов, связанного с микротоками в нем. Магнитный момент атома является суммой векторов орбитальных и собственных (спиновых) магнитных моментов электронов. Полностью заполненные орбитали атома или четное число электронов на орбитали не дают результирующего спинового момента, так как в этом случае каждому спину одного направления в атомной оболочке соответствует магнитный момент спина, направленный антипараллельно. В атомах, имеющих не полностью заполненные (недостроенные) внутренние электронные оболочки, магнитные моменты спинов существенны, т.е. имеется результирующий спиновый магнитный момент электрона.

Орбитальный магнитный момент возникает в атомах за счет протекания микротока, обусловленного вращением электронов по орбиталям. Результирующий орбитальный магнитный момент, отличный от нуля, может наблюдаться лишь на некруговых орбиталях электронов.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты отдельных электронов складываются в результирующие орбитальные и спиновые моменты атомов, т.е. создается полный магнитный момент атома, который только у элементов с не полностью заполненными электронными оболочками может достигать больших значений.

В твердых телах атомы сближены настолько, что происходит перекрытие энергетических зон электронов; атомы обмениваются электронами, в результате чего возможны различная ориентация магнитных моментов твердого тела относительно внешнего магнитного поля.

Техническое применение находят ферро-и ферримагнетики - вещества, обладающие ферро- и ферримагнетизмом соответственно. Ферромагнетизм имеет место в результате обменного взаимодействия электронов недостроенных подуровней соседних атомов, перекрывающихся при образовании кристаллов. При этом электрон атома может временно находиться вблизи ядра соседнего атома. Такое взаимодействие приводит к изменению энергетического состояния, и его оценивают обменной энергией (рисунок 45).

При положительном значении обменной энергии более выгодным с энергетической точки зрения у атомов кристалла становится параллельная ориентация магнитных моментов (рисунок 46,а), что характерно для ферромагнетиков; при отрицательном - антипараллельная ориентация магнитных моментов, и такие металлы не обладают ферромагнитными свойствами (рисунок 46,б). Их называют антиферромагнетиками.

Положительное значение обменной энергии имеет место при отношении параметра решетки а к диаметру внутренней недостроенной оболочки dбольше 1,5, то есть а/d>1,5. Поэтому некоторые сплавы из неферромагнитных компонентов при введении их в решетку Mn вызывают увеличение межатомных расстояний в решетке сплава до значений, обеспечивающих положительное значение обменной энергии, необходимое для возникновения самопроизвольной намагниченности (например, сплавы Mn+Bi; Mn+Sb).

Таким образом, чтобы вещество обладало ферромагнетизмом, необходимо наличие у него внутренних незаполненных оболочек (d и f) в атомах, и положительное значение обменной энергии.

При нагревании магнитных материалов из-за увеличения хаотического теплового движения атомов параллельная ориентация магнитных моментов нарушается, самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении точки Кюри самопроизвольная намагниченность исчезает.

Если магнитные моменты в атомах антиферромагнетика не равны (не скомпенсированы), то возникает результирующий магнитный момент, и такой материал называют ферромагнетиком нескомпенсированнымили антиферромагнетиком. К ним относятся ферриты (рисунок 46,в). Ферриты представляют собой соединение окислов железа Fe₂O₃ с окислами других металлов и имеют сложную структуру кристаллической решетки, состоящей из двух или более подрешеток. Обменное взаимодействие между атомами металла в ферритах осуществляется не непосредственно, а через немагнитный ион кислорода - имеет место косвенное обменное взаимодействие.

Ферро-и ферримагнетики обладают большим собственным магнитным моментом. При намагничивании таких материалов внешним магнитным полем они способны создавать большие магнитные поля, многократно превышающие значения внешнего намагничивающего поля. На этом принципе и основано их применение в различных магнитопроводах и сердечниках устройств.