Магнитные свойства радиоматериалов
Первопричиной магнитных свойств радиоматериалов являются внутренние скрытые формы движения электронов. Для объяснения магнитных свойств материалов с достаточным приближением можно пользоваться моделью Бора. При орбитальном движении электронов в атомах возникают орбитальные магнитные моменты, а при вращении электронов вокруг своей оси — спиновые магнитные моменты. Результирующий орбитальный магнитный момент определяют путем суммирования орбитальных магнитных моментов отдельных атомов. У полностью заполненных оболочек он равен нулю. Аналогично определяют результирующий спиновый магнитный момент, который также равен нулю при полностью заполненных оболочках. Результирующий магнитный момент атома определяется суммированием результирующих орбитальных и спиновых магнитных моментов.
Любой материал, независимо от того, обладают или не обладают атомы материала собственным магнитным моментом, при помещении его в магнитное поле приобретает некоторый магнитный момент М. Магнитный момент единицы объема материала называют намагниченностью:
Намагниченность пропорциональна напряженности магнитного поля Н:
где kм — безразмерный коэффициент, характеризующий способность материала намагничиваться в магнитном поле и называемый магнитной восприимчивостью.
Намагниченное тело, находясь во внешнем магнитном поле, создает собственное магнитное поле, которое суммируется с внешним полем. В результате суммарная магнитная индукция становится равной
(1.29)
Здесь 
= 4*π*10-7 Гн/м — магнитная постоянная, μ — относительная магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитная индукция В поля в данном веществе больше, чем магнитная индукция Bо в вакууме. По реакции на внешнее магнитное поле все материалы делят на пять групп:
◙ диамагнетики;
◙ парамагнетики;
◙ ферромагнетики;
◙ антиферромагнетики;
◙ ферримагнетики.
Диамагнетики — это материалы, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом. При помещении такого материала в магнитное поле в нем индуцируется магнитный момент, направленный навстречу направлению поля, поэтому магнитная восприимчивость kM отрицательна и составляет -(10-6-10-7). К таким материалам относятся золото, серебро, медь, кремний, германий и ряд других.
Парамагнетики — это материалы, атомы которых обладают собственным магнитным моментом. Под действием внешнего поля магнитные моменты атомов ориентируются в направлении поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна и составляет 10-3-10-6. К этим материалам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, соли железа, кобальта, никеля и ряд других.
Ферромагнетики — это материалы, в которых атомы, обладающие собственным магнитным моментом, расположены настолько близко друг к Другу, что между ними возникает обменное взаимодействие, приводящее к уменьшению энергии системы взаимодействующих атомов. При таком взаимодействии происходит обмен электронами недостроенных внутренних электронных оболочек атомов, в результате чего магнитные моменты взаимодействующих атомов приобретают одинаковое направление. Атомы с одинаковым (параллельным) направлением магнитных моментов группируются в микроскопические области, называемые доменами. Размеры и форма доменов определяются из условия минимума свободной энергии системы. Энергетически выгодна структура с боковыми замыкающими доменами, показанная на рис. 1.35.
При такой структуре доменов магнитный поток замыкается внутри образца, а за его пределами магнитное поле отсутствует. Под воздействием внешнего магнитного поля изменяются размеры и границы доменов и происходит намагничивание образца, при этом магнитная восприимчивость достигает 105-106. Подобными свойствами обладают железо, никель, кобальт и некоторые сплавы.
Антиферромагнетики — это материалы, в которых в результате обменного взаимодействия происходит антипараллельная ориентация магнитных моментов атомов, поэтому собственный магнитный момент у таких материалов отсутствует. Для антиферромагнетиков характерна невысокая положительная магнитная восприимчивость (10-3-10-5). Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца, некоторых редкоземельных элементов и ряда соединений на основе металлов переходных групп.
Ферримагнетики — это материалы, в которых обменное взаимодействие происходит косвенно, через немагнитные ионы кислорода. B результате такого взаимодействия образуются магнитные моменты, ориентированные в противоположные стороны, но их количество неодинаково, поэтому у ферримагнетиков существует собственный магнитный момент. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью. Ферримагнетизмом обладают соединения оксида железа (Fe2O3) с оксидами других металлов. Примером может служить соединение оксида железа с оксидом никеля (NiO), называемое ферритом никеля, формула которого может быть записана как NiFe2O4.
Чтобы понять природу ферримагнетизма, необходимо рассмотреть структуру кристалла феррита, элементарная ячейка которого представляет собой куб, содержащий восемь структурных единиц NiFe2O4. Тридцать два крупных отрицательных иона кислорода в элементарной ячейке расположены так, что они соприкасаются друг с другом, в промежутках между ними расположены более мелкие положительные ионы железа и никеля. В восьми промежутках расположена половина трехвалентных ионов железа, каждый из которых окружен четырьмя ионами кислорода. Такое положение ионов железа называют А-положением. Эти ионы имеют одинаковую ориентацию магнитных моментов и образуют первую подрешетку. В шестнадцати других промежутках расположена другая половина трехвалентных ионов железа и восемь двухвалентных ионов никеля, каждый из которых окружен шестью ионами кислорода. Такое положение ионов называют В-положением. Эти ионы образуют вторую подрешетку, в которой магнитные моменты ионов имеют направление, противоположное направлению магнитных моментов в первой подрешетке. Учитывая описанный характер распределения ионов и используя стрелки для указания магнитных моментов, структурную формулу феррита никеля можно представить в виде
Здесь в круглых скобках указаны ионы, занимающие А-положение, а в квадратных — ионы, занимающие В-положение. При такой структуре магнитные моменты трехвалентных ионов железа компенсируются, и спонтанное намагничивание вызывается магнитными моментами двухвалентных ионов никеля.