Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике   ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику и электронику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, технологии автоматизации и многое другое.
Чтобы не тратить каждый раз свое время на поиски добавляйте наш сайт в закладки и подписывайтесь на наши странички в соцсетях!
 


 

 Школа для электрика / Справочник электрика / Электротехнические материалы / Магнетизм диэлектриков и полупроводников


 

Магнетизм диэлектриков и полупроводников



В отличие от металлов, диэлектрикам и полупроводникам не свойственно наличие коллективизированных электронов. Как следствие, магнитные моменты в данных веществах локализованы вместе с электронами на ионных состояниях. В этом и заключается главное отличие магнетизма металлов, описываемого зонной теорией, от магнетизма диэлектриков и полупроводников.

Магнетизм металла

В соответствии с зонной теорией, диэлектрики являются кристаллами, содержащими в примитивной ячейке четное количество электронов. А это значит, что диэлектрики могут проявлять лишь диамагнитные свойства, что, однако, не объясняет некоторых свойств многих веществ такого рода.

На самом деле парамагнетизм локализованных электронов, а также ферро- и антиферромагнетизм (одно из магнитных состояний вещества, отличающееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества ориентированы навстречу друг другу, и поэтому намагниченность тела в целом очень мала) диэлектриков является результатом кулоновского взаимного отталкивания электронов (энергия кулоновского взаимодействия электронов Uс в реальных атомах находится в пределах от 1 до 10 и более электронвольт).

Допустим что в изолированном атоме появился дополнительный электрон, что привело к возрастанию его энергии на величину e. Значит следующий электрон оказывается на энергетическом уровне Uc+e. Внутри кристалла энергетические уровни двух этих электронов расщепляются на зоны, и пока запрещенная зона существует, кристалл является либо полупроводником, либо диэлектриком.

Вместе обе зоны обычно содержат четное количество электронов, но может возникнуть ситуация, в которой заполнена только нижняя зона и в ней число электронов нечетно.

Такой диэлектрик называется диэлектриком Мотта-Хаббарда. Если интегралы перекрытия малы, то диэлектрик будет проявлять парамагнетизм, в противном случае возникнет ярко выраженный антиферромагнетизм.

Магнетизм диэлектриков и полупроводников

Такие диэлектрики как CrBr3 или EuO проявляют ферромагнетизм, в основе которого лежит суперобменное взаимодействие. В подавляющем большинстве ферромагнитные диэлектрики состоят из магнитных 3d — ионов, разделенных немагнитными ионами.

В ситуации когда расстояние для непосредственного взаимодействия 3d-орбиталей друг с другом велико, тем не менее обменное взаимодействие возможно - путем перекрытия волновых функций 3d-орбиталей магнитных ионов и p-орбиталей немагнитных анионов.

Орбитали двух типов «смешиваются», их электроны становятся общими для нескольких ионов — это и есть суперобменное взаимодействие. То, является ли такой диэлектрик ферромагнетиком или антиферромагнетиком, определяется типом d-орбиталей, количеством их электронов, а также углом, под которым видна пара магнитных ионов из узла, в котором расположен немагнитный ион.

Антисимметричное обменное взаимодействие (называемое взаимодействием Дзялошинского-Мория) между двумя ячейками с векторами спина S1 и S2 имеет не равную нулю энергию только если рассматриваемые ячейки не магнитно эквивалентны.

Взаимодействие данного типа наблюдается в некоторых антиферромагнетиках в виде слабой спонтанной намагниченности (в форме слабого ферромагнетизма), то есть намагниченность составляет тысячные доли по сравнению с намагниченностью обычных ферромагнетиков. Примеры таких веществ: гематит, карбонат марганца, карбонат кобальта.