Природа ферромагнетизма

В кристалле два соседних атома, обладающие магнитным моментом, взаимодействуют друг с другом. При этом энергия двух атомов понижается на величину обменной энергии (U_обм). Величина обменной энергии зависит от квантово-механической функции - обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов:

U_обм = –А (s₁s₂) . (4.10)

Обменный интеграл зависит от расстояния между соседними атомами (а) и от радиуса незаполненных орбиталей (r) или в обобщенном виде от отношения (а/r). Зависимость обменного интеграла от отношения а/r показана на рис. 4.1.

Рис. 4.1. Зависимость обменного интеграла А от расстояния между атомами, отнесенного к радиусу незаполненной электронной оболочки (a/r)

При отношении расстояния между атомами к радиусу незапол-ненных оболочек, большем 3, обменный интеграл положителен. При этом для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы, необходима параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Тогда достигается минимальное значение энергии. В результате обменного взаимодей-ствия спин второго атома установится параллельно спину первого, спин третьего параллельно второму, спин четвертого параллельно третьему и т.д. Таким образом, спины всех атомов установятся параллельно друг другу. Такие вещества являются ферромагнетиками.

При отношении а/r, меньшем 3, обменный интеграл отрицателен, и для того чтобы энергия системы была минимальной, скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов устанавливаются антипараллельно, поэтому магнитная индукция в них практически не изменяется. Такие вещества называют антиферромагнетиками (например, марганец).

Таким образом, чтобы вещество было ферромагнитным, необходимо выполнение двух условий:

– в состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;

– отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.

Именно такая ситуация наблюдается в железе, кобальте, никеле и в некоторых других элементах (см. рис. 4.1).