Химия твердого тела. Теория и приложения: В 2-х ч. Ч. 2 - Вест А.
ISBN 5-03-000071-2
Скачать (прямая ссылка):
Глава 16
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА
16.1. Введение
Помимо диамагнетизма, который присущ всем веществам, некоторые неорганические твердые тела проявляют особые магнитные свойства, связанные с наличием в них иеспаренных электронов. Эти иеспаренные электроны обычно локализованы на катионах металлов. Поэтому те магнитные свойства, о которых пойдет речь в настоящей главе, характерны главным образом для соединений переходных металлов лантаноидов, так как многие из них имеют иеспаренные с1- и /-электроны. Магнитные материалы можно классифицировать следующим образом.
Спины неспареыпых электронов различных атомов могут быть ориентированы случайным образом. Такие материалы называются парамагнетиками. Если почти все спины иеспаренных электронов выстраиваются параллельно, то материал характеризуется общим магнитным моментом. Такой материал называют ферромагнетиком. Возможен и противоположный случай - -антипараллелыюе упорядочение спинов иеспаренных электронов. Общий магнитный момент при этом равен нулю. Такие вещества называются антиферромагнетиками. Если спины электронов антипараллельны, но количество спинов, ориентированных в противоположных направлениях, разное, то общий магнитный момент отличен от нуля. Эти вещества называют ферри-магнетиками.
Из сказанного ясно, что существует близкая аналогия между описанными магнитными свойствами и соответствующими электрическими свойствами, в частности сегпетоэлсктричсскнми свойствами (гл. 15). Единственное различие состоит в отсутствии у магнитных материалов единичного магнитного заряда (мо-нополи), который можно было бы поставить в соответствие единичному электрическому заряду, т. е. заряду иона или электрона.
16,2. Теория магнетизма
129
Магнитные материалы на основе оксидов, например ферриты (М§Ре204 и др.), находят в настоящее время широкое применение при изготовлении сердечников трансформаторов, устройств для магнитной записи и хранения информации и т. п. Теория магнетизма, к сожалению, довольно сложна. В ней используется большое число терминов, символов, единиц измерений, в которых легко запутаться. Ситуация усугубляется тем, что на практике используют два разных (и к тому же противоречащих друг другу) способа оценки магнитных моментов ионов, имеющих пе-спареиные электроны. В настоящей главе изложен самый необходимый минимум теоретических положений, чтобы имелась возможность представить себе различные типы магнитных материалов и выявить связи с кристаллической структурой веществ.
16.2. Теория магнетизма
16.2.1. Поведение веществ в магнитном поле
Прежде всего рассмотрим, как ведут себя различные материалы в магнитном поле. Если вещество помещается в магнитное поле напряженностью /7, то плотность силовых линий в образце, называемая магнитной индукцией, равна сумме напряженности поля // и некоторого вклада самого образца
В-^Н+Ал1 (16.1)
где / — магнитный момент образца единичного объема. Магнитная проницаемость Р и магнитная восприимчивость х определяются следующими соотношениями:
= 1+4гас (16.2)
к = 1/Н (16.3)
Мольную магнитную восприимчивость % молено представить в виде
Х=н№ (16.4)
где 7*— молярная масса образца, а с! — его плотность.
Различные типы магнитных материалов отличаются друг' от друга значениями Р, %, % и их зависимостью от температуры и напряженности ноля (табл. 16.1).
Вещества, характеризующиеся малыми отрицательными значениями к и х и называются диамагнитными. Парамагнитные вещества имеют противоположные значения этих параметров (Р>1, х, % положительные). Если вещество поместить в магнитное поле, то число силовых линий, проходящих через вещество, будет больше (в случае парамагнетика) или несколько меньше (в случае диамагневдка) числа силовых линий, кото-
9—И 26
130
16. Магнитные свойства
Таблица 16.1. Магнитная восприимчивость различных веществ
Тип вещества Типичное значение X Изменение % с ростом температуры Зависимость от и а пр я ж е н н оста иол?»
Диамагиетики — МО"» Нет Нет
Парамагнетики 0-Ю-2 Уменьшение
Ферромагнетики Ю-2_Ю« » Зависит
Аитиферрома гнетики 0—Ю-2 Увеличение (Зависит)
рые проходили бы в вакууме (рис. 16.1). Следовательно, парамагнитные вещества притягиваются магнитным полем, а диамагнитные испытывают слабое отталкивание.
Для ферромагнитных веществ характерны большие значения х и %, а Р>1. Такие материалы сильно притягиваются магнитным полем. У антиферромагнетиков р>и % и х также положительные величины, причем к и х сравнимы по величине со значениями для па-р а м агн 11тн ы х веществ.
16.2.2. Влияние
температуры. Законы Кюри и Кюри — Вейсса
Магнитна я вое п р и и м-чпвость различных типов магнитных материалов р а з л н ч а етс я т е м п е р а ту -рной зависимостью, а также своими абсолютными значениями. Для многих парамагнитных веществ выполняется простой закон Кюри (особенно в области высоких температур), согласно которому магнитная восприимчивость обратно пропорциональна температуре
%=С/Т (16.5)
где С — постоянная Кюри. Однако часто лучшее согласие с экспериментальными данными дает закон Кюри-Вейсса
