Литературный обзор. 
Изучение влияния магнитных полей на структурную организацию наночастиц кобальта в нанокомпозитных полимерных материалах

Магнитные свойства металлов и материалов на их основе

Все вещества являются магнетиками и намагничиваются во внешнем магнитном поле. По магнитным свойствам материалы подразделяются на слабомагнитные (диамагнетики и парамагнетики) и сильномагнитные (ферромагнетики и ферримагнетики).

Диамагнетики — вещества с магнитной проницаемостью мr < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. Диамагнетиками являются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля имеют магнитный момент равный нулю: водород, инертные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы (Cu, Zn, Ag, Au, Hg), а также Вi, Gа, Sb [1].

Парамагнетики — вещества с магнитной проницаемостью мr > 1, которая в слабых полях не зависит от напряженности внешнего магнитного поля. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие намагничивающего поля обладают магнитным моментом отличным от нуля: кислород, оксид азота, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, щелочные металлы, алюминий, платина.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитная проницаемость мr близка к единице. Применение в технике в качестве магнитных материалов носит ограниченный характер.

У сильномагнитных материалов магнитная проницаемость значительно больше единицы (мr >> 1) и зависит от напряженности магнитного поля. К ним относятся: железо, никель, кобальт и их сплавы, а также сплавы хрома и марганца, гадолиний, ферриты различного состава [2].

Раскроем физический смысл некоторых параметров, характеризующих магнитное состояние вещества. Согласно модели атома Резерфорда-Бора, электрон движется по одной из круговых орбит вокруг атомного ядра с частотой v. Его движение можно приравнять к течению кругового тока (I):

I = ev

где е — заряд электрона. При появлении электрического тока в окружающем пространстве возникает магнитное поле.

Величина, определяемая уравнением (2) называется орбитальным магнитным моментом электрона.

.

где — магнитная постоянная, S — площадь контура, обтекаемого током.

Магнитный момент — векторная величина. Его направление совпадает с направлением положительной нормали к контуру с током. роме орбитального момента импульса электрон обладает также собственным моментом импульса (спином). Соответственно электрон имеет и собственный (спиновый) магнитный момент. Результирующий магнитный момент атома является векторной суммой всех орбитальных и спиновых моментов.

Поскольку электрон имеет два магнитных момента, важно установить, какой из них определяет магнитные свойства ферромагнетиков. Специально проведенные опыты показали, что в металлах группы железа (Fe, Ni, Co) основной вклад в магнитный момент атома вносят спиновые магнитные моменты. Атомы этих металлов имеют незаполненные электронные d-оболочки. В этих оболочках число электронов со спинами одного направления не равно числу электронов, имеющих спины, направленные антипараллельно. В результате в d-оболочках часть спиновых магнитных моментов остается не-скомпенсированной [2, 3]. Их векторная сумма и определяет магнитный момент атома.

Остается рассмотреть причины, определяющие одно из основных свойств ферромагнетиков — их способность сильно намагничиваться в относительно слабых магнитных полях. В ферромагнитных металлах между d-электронами соседних атомов существует квантовое электростатическое взаимодействие, благодаря которому спиновые магнитные моменты электронов ориентируются параллельно друг другу. Квантовомеханические расчеты показывают, что в этом случае состояние системы электронов является энергетически выгодным. Силы взаимодействия между электронами, имеющие квантовую природу, называются обменными силами. Такое название они получили потому, что в процессе взаимодействия d-электроны соседних атомов обмениваются местами [4]. Эти силы поддерживают параллельность спиновых магнитных моментов в отдельных малых областях ферромагнетика. Поэтому каждая область является намагниченной до насыщения и имеет определенный результирующий магнитный момент. Магнитный момент единицы объема ферромагнетика называется намагниченностью. Намагниченность, как и магнитный момент, является векторной величиной (М). Так как рассмотренные области намагничиваются до насыщения без участия внешнего магнитного поля, они называются областями самопроизвольной намагниченности или доменами. В ненамагниченном состоянии ферромагнетик бывает разбит на множество доменов, имеющих различную ориентацию намагниченности. Поэтому результирующий магнитный момент всего магнитного образца может быть равен нулю.

При помещении ненамагниченного ферромагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты доменов начинают ориентироваться в направлении этого поля. Ферромагнетик в целом приобретает магнитный момент, равный векторной сумме магнитных моментов всех доменов. Происходит намагничивание образца. При возрастании внешнего магнитного поля процесс будет продолжаться, пока весь объем ферромагнетика не превратится в один большой домен. Поскольку области самопроизвольной намагниченности являются намагниченными еще до действия внешнего магнитного поля, намагничивание ферромагнетика происходит в относительно слабых магнитных полях. Когда векторы намагниченности всех доменов приобретают направление, совпадающее с ориентацией внешнего магнитного поля, наступает так называемое техническое насыщение. Магнитное поле, при котором достигается это состояние, называется полем насыщения Hs, а намагниченность, соответствующая этому состоянию, — намагниченностью насыщения Ms.