Квантовые свойства кристаллов. Классификация кристаллов по электрической проводимости. Cверхпроводимость, страница 8

Парамагнитная восприимчивость Паули электронного газа в металле практически не зависит от температуры и втрое превышает его диамагнитную восприимчивость:

, где  – энергия Ферми,  – концентрация электронов проводимости, m – масса электрона,  – магнетон Бора, h – постоянная Планка.

Антиферромагнетики (кристаллы элементов переходных групп Периодической системы Д.И. Менделеева) при температуре большей температуры, соответствующей антиферромагнитной точке Кюри  являются нормальными парамагнетиками.

Магнитное поле, которое создаётся молекулами (атомами, ионами) веществ, называют собственным, или внутренним магнитным полем. Оно обусловлено существованием у молекул (атомов, ионов) магнитных моментов и характеризуется вектором магнитной индукции .

Вектор индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен геометрической сумме магнитных индукции внешнего (намагничивающего) и внутреннего полей:

, где – магнитная индукция поля в вакууме; .

Магнитная индукция внутреннего магнитного поля для неферромагнитных веществ прямо пропорциональна вектору намагниченности:

.

Векторы индукции , напряженности  и намагниченности   связаны соотношением

.

Связь относительно магнитной проницаемости  и магнитной восприимчивости  такова:

.

Для диамагнитных веществ  и . Для парамагнитных веществ и .  У веществ обоих типов   не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, в котором находятся вещества, и мало отличается от единицы ().

Ферромагнетиками называют твёрдые (как правило, кристаллические) вещества, которые при не очень высокой температуре обладают спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью, сильно изменяющейся под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики – сильномагнитные среды, собственное магнитное поле которых может в сотни и тысячи раз превосходить по индукции обусловившее его внешнее магнитное поле.

Большое значение намагниченности ферромагнетиков объясняется существованием в них «молекулярного» магнитного поля, обусловленного особым квантовомеханическим (обменным) взаимодействием нескомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов атомов в кристаллических решётках ферромагнетиков. Устойчивым и энергетически выгодным состоянием системы электронов в кристалле является такое упорядоченное состояние, при котором спиновые  моменты соседних атомов в решётке параллельны (ферромагнетизм) или антипараллельны (антиферромагнетизм).

Ферромагнетизм и антиферромагнетизм наблюдаются только у кристаллов переходных металлов – железа, кобальта, никеля (ферромагнетизм), галоидных солей элементов группы железа, хрома, марганца и др. (антиферромагнетизм), в решётке которых имеются атомы с недостроенными оболочками 3d или 4f, обладающими отличным от нуля значением результирующего спинового магнитного момента.

Ферромагнетизм (антиферромагнетизм) имеет место при условии положительного (отрицательного) значения обменного интеграла, характеризующего особое квантовое (обменное) взаимодействие магнитных спиновых моментов.

Ферромагнетизм (антиферромагнетизм) существует только при определённых параметрах кристаллической решётки. Расстояния между соседними атомами должны быть такими, чтобы обеспечивалась необходимая степень перекрытия волновых функций электронных оболочек, такая, чтобы взаимодействие между соседними атомами обусловило реализацию устойчивого ферромагнитного (антиферромагнитного) состояния системы электронов – с минимальной возможной энергией.

Условие ферромагнетизма выполняется только для кристаллов переходных металлов, для которых отношение диаметра атома к диаметру незаполненной оболочки 3d(или 4f) не меньше 1,5: . У элементов группы железа ферромагнетизм наблюдается только у -железа, кобальта и никеля.

При  обменный интеграл отрицателен и упорядоченному расположению спинов соответствует их антипараллельная ориентация. В этой ситуации магнитную структуру кристалла можно рассматривать как сложную, состоящую из двух подрешёток, намагниченных противоположно друг другу. Если магнитные моменты подрешёток численно равны, то спонтанной намагниченности кристалла не возникает. Если же они неодинаковы (различно число атомов или их природа), то возникает нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм. Характеристикой его является разность модулей магнитных моментов подрешёток. Таким свойством обладают, например, ферриты.