Ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики, обменное взаимодействие

Материалы, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются.
Известно, что электроны обладают орбитальными и спиновыми магнитными моментами, а магнитные свойства атома обусловлены в основном магнитными свойствами его электронов.
В случае нескольких электронов полный, или собственный, магнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов с учетом их направления.
Введение:
Рис.1. Электроны обладают орбитальными и спиновыми магнитными моментами.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты могут иметь лишь одно из двух возможных направлений – согласное или противоположное.
В том случае, если орбитальные и спиновые магнитные моменты направлены в противоположные стороны, магнитные моменты пары электронов взаимно компенсируются.
Это имеет место в любой полностью заполненной оболочке атома.
Введение:
Рис. 2. Магнитные моменты пары электронов взаимно компенсируются.

Если на атом воздействует внешнее магнитное поле напряженностью , то возникает прецессия орбит электронов вокруг вектора этого поля.
Прецессия орбиты сопровождается появлением дополнительного магнитного момента, направление которого согласно правилу Ленца всегда противоположно направлению внешнего магнитного поля.
Введение:
Рис.3. Прецессия орбиты электрона.

Ферромагнетики – вещества, в которых наблюдается (ниже температуры Кюри) магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля.
Ферромагнетики
Рис.4. Идеальный ферроматизм.

Ферромагнетики

В создании магнитного момента атома принимают участие не все его электроны, а только небольшая их часть. Это объясняется тем, что магнитные спиновые моменты части электронов имеют противоположные направления и взаимно компенсируют друг друга, вследствие чего эти электроны становятся нейтральными в магнитном отношении.
Ферромагнетики
Ферромагнитные свойства определяются нескомпенсированными спинами электронов.

В атоме железа не заполнена предпоследняя подоболочка ( 3d ), которой не достает четырех электронов. У этой оболочки имеются пять «положительных» спинов и один «отрицательный» спин. Таким образом, имеется четыре нескомпенсированных спина, которые и определяют результирующий магнитный момент атома.
Ферромагнетики
Отсутствие компенсации спиновых моментов в одном из внутренних слоев электронной оболочки атома является необходимым условием ферромагнетизма.

Наличие нескомпенсированных спинов во внутренних слоях является необходимым, но недостаточным условием ферромагнетизма.
Ферромагнетики
Вторым условием возникновения ферромагнетизма является наличие сильного электростатического взаимодействия между электронами соседних атомов, способного ориентировать их нескомпенсированные спиновые магнитные моменты одинаковым образом.

Наличие у вещества спонтанной намагниченности означает, что атомные угловые и магнитные моменты ориентированы в веществе упорядочным образом.
Модель Кюри-Вейсса:
С ростом температуры наступает момент когда тепловое возбуждение разрушает упорядочение магнитных моментов и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

В модели Кюри-Вейсса считается, что обменное поле пропорционально намагниченности вещества :
Здесь –постоянная величина, не зависящая от . Определяется из опыта.
Модель Кюри-Вейсса:
Газ магнитных стрелок упорядочивается полем
Где – внешнее магнитное поле.

Для определения намагниченности ферромагнетика получаем следующие трансцендентное уравнение.
Где – число парамагнитных ионов в единице объема, - магнитный момент, - тепловая энергия.
Модель Кюри-Вейсса:

Проанализируем решение уравнения при :
Пусть уравнение вида:
Решениями данного трансцендентного уравнения:
Высокие температуры:
,
Низкие температуры:
,
Модель Кюри-Вейсса:

Дипольное взаимодействие является магнитным по своей природе и меньше кулоновского взаимодействия.
Обменное взаимодействие связано с действием кулоновских сил между электронами при учете их квантово-маханической природы.
Модель Кюри-Вейсса:

При повышении температуры усиливается дезориентирующее действие теплового движения атомов, которое стремится разрушить состояние самопроизвольной намагниченности ферромагнетика, обусловленное обменным взаимодействием электронов соседних атомов.
Влияние температуры:
При повышении температуры спонтанная намагниченность уменьшается и при некоторой температуре, называемой температурой Кюри, обращается в нуль.
При Т больше Тс ферромагнетик становится парамагнетиком.

Антиферромагнетики – материалы, в которых в результате обменного взаимодействия соседних атомов происходит антипараллельная ориентация равных по величине магнитных моментов.
Антиферромагнетики

В точке Нееля Тн упорядоченное расположение спинов полностью нарушается и антиферромагнетик становится парамагнетиком, после чего зависимость
χ (Т) подчиняется закону Кюри-Вейсса.
Антиферромагнетики

Ферримагнетики – материалы, в которых обменное взаимодействие соседних атомов приводит к антипараллельной ориентации различных по величине (нескомпенсированных) магнитных моментов.
Ферримагнетики