Классификация веществ по магнитным свойствам

Классификация веществ по магнитным  свойствам 

  По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе можно подразделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять различных видов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм. 

К диамагнетикам  относят вещества, у которых магнитная  восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий, соединения АЗВ5, А2В6) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. 

К парамагнетикам относят вещества с положительной  магнитной восприимчивостью, не зависящей  от напряженности внешнего магнитного поля. К числу парамагнетиков относят  кислород, окись азота, щелочные и  щелочноземельные металлы, некоторые  переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. 

К ферромагнетикам  относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. 

Антиферромагнетиками  являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Тm и др.). Типичными антиферромагнетиками являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т.п. 

К ферримагнетикам  относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированным  антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам  они обладают высокой магнитной  восприимчивостью, которая существенно  зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Наряду с этим ферримагнетики характеризуются и рядом существенных отличий от ферромагнитных материалов. 

Свойствами ферримагнетиков  обладают некоторые упорядоченные  металлические сплавы, но, главным  образом,- различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты

Применяемые в  электронной технике магнитные  материалы подразделяют на две основные группы: магнитотвердые и магнитомягкие. В отдельную группу выделяют материалы  специального назначения. 

К магнитотвердым относят материалы с большой  коэрцитивной силой Нс. Они перемагничиваются  лишь в очень сильных магнитных  полях и служат для изготовления постоянных магнитов. 

К магнитомягким  относят материалы с малой  коэрцитивной силой и высокой магнитной проницаемостью. Они обладают способностью намагничиваться до насыщения в слабых магнитных полях, характеризуются узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на перемагничивание. Магнитомягкие материалы используются в основном в качестве различных магнитопроводов: сердечников дросселей, трансформаторов, электромагнитов, магнитных систем электроизмерительных приборов и т. п.

Условно магнитомягкими считают материалы, у которых  Нс < 800 А/м, а магнитотвердыми - с  Нс > 4 кА/м. Необходимо, однако, отметить, что у лучших магнитомягких материалов коэрцитивная сила может составлять менее 1 А/м, а лучших магнитотвердых материалах ее значение превышает 500 кА/м. По масштабам применения в электронной технике среди материалов специального назначения следует выделить материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ), ферриты для устройств сверхвысокочастотного диапазона и магнитострикционные материалы. 

Внутри каждой группы деление магнитных материалов по родам и видам отражает различия в их строении и химическом составе, учитывает технологические особенности и некоторые специфические свойства. 

Свойства магнитных  материалов определяются формой кривой намагничивания и петли гистерезиса. Магнитомягкие материалы применяются  для получения больших значений магнитного потока. Величина магнитного потока ограничена магнитным насыщением материала, а потому основным требованием к магнитным материалам сильноточной электротехники и электроники является высокая индукция насыщения. Свойства магнитных материалов зависят от их химического состава, от чистоты используемого исходного сырья и технологии производства. В зависимости от исходного сырья и технологии производства магнитомягкие материалы делятся на три группы: монолитные металлические материалы, порошковые металлические материалы (магнитодиэлектрические) и оксидные магнитные материалы, кратко называемые ферритами.

Помимо высокой  магнитной проницаемости и малой  коэрцитивной силы магнитомягкие материалы  должны обладать большой индукцией  насыщения, т.е. пропускать максимальный магнитный поток через заданную площадь поперечного сечения магнитопровода. Выполнение этого требования позволяет уменьшить габаритные размеры и массу магнитной системы. 

Магнитный материал, используемый в переменных полях, должен иметь, возможно, меньшие потери на перемагничивание, которые складываются в основном из потерь на гистерезис и вихревые токи. 

Для уменьшения потерь на вихревые токи в трансформаторах  выбирают магнитомягкие материалы  с повышенным удельным сопротивлением. Обычно магнитопроводы собирают из отдельных изолированных друг от друга тонких листов. Широкое применение получили ленточные сердечники, навиваемые из тонкой ленты с межвитковой изоляцией из диэлектрического лака. К листовым и ленточным материалам предъявляется требование высокой пластичности, благодаря которой облегчается процесс изготовления изделий из них. 

Важным требованием  к магнитомягким материалам является обеспечение стабильности их свойств, как во времени, так и по отношению  к внешним воздействиям, таким, как  температура и механические напряжения. Из всех магнитных характеристик наибольшим изменениям в процессе эксплуатации материала подвержены магнитная проницаемость (особенно в слабых полях) и коэрцитивная сила. 

Отличие ферро- и антиферромагнетиков 

  Ферромагнетики — вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Ландау предсказал существование диамагнетизма свободных электронов. 

Свойства  ферромагнетиков 

Ферромагнетики  сильно втягиваются в область  более сильного магнитного поля.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.

При не слишком  высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

Представители ферромагнетиков 

Среди химических элементов ферромагнитны переходные элементы Fe, Со и Ni (3 d-металлы) и редкоземельные металлы Gd, Tb, Dy, Ho, Er. (См. Таблица 1) 

Таблица 1. —  Ферромагнитные металлы

 

¹ Js0 — величина намагниченности единицы объёма при абсолютном нуле температуры, называемая спонтанной намагниченностью.

² Tc — критическая  температура, связанная с фазовым  переходом из парамагнитного в ферромагнитное состояние, называемая точкой Кюри. 

Для 3d-металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных  редкоземельных ферромагнетиков — неколлинеарная (спиральная и др.; см. Магнитная структура). 

Среди соединений 

Ферромагнитны также многочисленные металлические  бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими  неферромагнитными элементами, сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнитными элементами (так называемые Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn2 и ZrxM1-xZn2 (где М — это Ti, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3In и др. (Таблица 2), а также некоторые соединения металлов группы актиноидов (например, UH3).Соединение Tc, К  
 
 
 
 
 

 
 

Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Со в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях, аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах, халькогенидах (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т. п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La1-x CaxMnO5(0,4 > x > 0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrB3 и т. п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение Q ~ 100 К. 

Антиферромагнетики  

Антиферромагнетик - вещества, в которых ниже некой положительной температуры спонтанно возникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов.

Среди элементов  антиферромагнетиками являются твёрдый  кислород (a-модификация при ), хром ( ), а также ряд редкоземельных металлов. В последних обычно наблюдаются сложные антиферромагнитные структуры в температурной области между   и ( ). При более низких температурах они становятся ферромагнетиками. Данные о наиболее известных антиферромагнетиках - редких землях - приведены в таблице 3. 

Таблица 3. Данные о наиболее известных антиферромагнетиках.

 

Антиферромагнетики  среди химических соединений 

Число известных  химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче. Ряд наиболее простых антиферромагнетиков  и их температуры   приведены в таблице 2. Большая часть антиферромагнетиков обладает значениями , лежащими существенно ниже комнатной температуры. Для всех гидратированных солей не превышает , например  у .