Ферромагнетик – вещество, в котором ниже определённой температуры (Кюри точки) – устанавливается ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или магнитных моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Среди химических элементов ферромагнитные переходные элементы: Fе, Со и Ni (3d- металлы) и редкоземельные металлы Gd, Тb, Dу; Но, Ег, Тm (таблица 6.2 ).
Таблица 6.2 - Ферромагнитные металлы
| Металлы | Θ, К | J SO1 Гс * |
| Fe Co Ni Gd Tb Dy Ho Er Tm | 1043 1403 631 289 219 ** 87 ** 20 ** 19,6 ** 25 ** | 1735,2 1445 508,8 1980 2713 1991,8 3054,6 1872,6 |
*Jso - намагниченность ед. объёма при абсолютном нуле температуры.
** Точка перехода из ферромагнитного в антиферромагнитное состояние.
Для 3d-металлов и Gd характерна коллинеарная ферромагнитная атомная структура, а для остальных редкоземельных ферромагнетиков – неколлинеарная (спиральная, циклоидальная и синусоидальная).
Ферромагниты также многочисленны: металлические бинарные и более сложные (многокомпонентные) сплавы и соединения упомянутых металлов между собой и с другими неферромагнитными элементами; сплавы и соединения Сг и Мn с неферромагнитными элементами (Гейслеровы сплавы), соединения ZrZn2 и ZrxM1-x (где М – это Тi, Y, Nb или Hf), Au4V, Sc3Ln и др. (таблица 6.3), а также некоторые соединения группы актинидов, например UH3.
Таблица 6.3 - Ферромагнитные соединения
| Соединения | Θ, К | Соединения | Θ, К |
| Fe3Al Ni3Mn FePd3 MnPt3 CrPt3 ZnCMn3 AlCMn3 | 743 773 705 350 580 353 275 | TbN DyN EuO MnB ZrZn3 Au4V Sc3In | 43 26 77 578 35 42 – 43 5 – 6 |
Особую группу ферромагнетиков образуют сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов, например Fe или Co в диамагнитной матрице Pd. В этих веществах атомные магнитные моменты распределены неупорядоченно (при наличии ферромагнитного порядка отсутствует атомный порядок). Ферромагнитный порядок обнаружен также в аморфных (метастабильных) металлических сплавах и соединениях (металлические стекла), в аморфных полупроводниках, в обычных органических и неорганических стёклах халькогенидов (сульфидах, селенидах, теллуридах) и т.п. Число известных неметаллических ферромагнетиков пока невелико. Это, например, ионные соединения типа La1-x СахМn05 (0,4>x>0,2), EuO, Eu2SiO4, EuS, EuSe, EuI2, CrBr3 и т.п. У большинства из них точка Кюри лежит ниже 1 К. Только у соединений Eu, халькогенидов, CrB3 значение θ ~ 100 К [2, С.304].
Г) Антиферромагнетики
Антиферромагнетизм – магнитоупорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что магнитные моменты соседних частиц вещества – атомов носителей магнетизма – ориентированы навстречу друг другу (антипараллельно) и поэтому намагниченность тела в целом в отсутствии магнитного поля равна нулю. Этим антиферромагнетизм отличается от ферромагнетизма, при котором одинаковая ориентация всех атомов магнитных моментов приводит к высокой намагниченности тела.
Антиферромагнетизм – упорядоченное состояние вещества, характеризующееся тем, что средние магнитные моменты всех (или большей части) ближайших соседей любого иона направлены навстречу его собственному магнитному моменту. Для этого обменное взаимодействие должно быть отрицательным (при ферромагнетизме обменное взаимодействие положительно и все магнитные моменты направлены в одну сторону). В каждом антиферромагнетике устанавливается определённый порядок чередования магнитных моментов.
Антиферромагнетик – вещество, в котором установился антиферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов. Обычно вещество становится антиферромагнетиком ниже определённой температуры ТN(точка Нееля) и остаётся антиферромагнетикам вплоть до T = 0 K. Из элементов к антиферромагнетикам относятся: твёрдый кислород (α-модификация при T < 24 К), хром - антиферромагнетик с геликоидальной структурой (TN =310 К), α-марганец (TN =100 К), а также ряд редкоземельных металлов (с TN от 60 К у Tu до 230 К у Tb). В последних обычно наблюдаются сложные антиферромагнитные структуры в температурной области между TNи некоторой температурой Т1(0 К<T1< TN); ниже Т1они становятся ферромагнетиками [2, С.305].
Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определённых температурах, приближается к тысяче.
Таблица 6.4 - Свойства редкоземельных элементов – антиферромагнетиков
| Элементы | T1·K | TN·K |
| Dy ...………………… Ho …………………… Er …………………….. Tu ……………………. Tb ……………………. | 85 20 20 22 219 | 179 133 85 80 230 |
Д) Ферримагнетики
Ферримагнетик – вещество, в котором при температуре ниже Кюри (точки Тс) существует ферримагнитное упорядочение магнитных моментов ионов. Значит, часть ферримагнетиков – это диэлектрические или полупроводниковые ионные кристаллы, содержащие магнитные ионы различных элементов или одного элемента, но находящиеся в разных кристаллографических позициях (в неэквивалентных узлах кристаллической решётки). Среди них наиболее обширный класс хорошо изученных и широко используемых ферримагнетиков образуют ферриты (шпинели, гранаты и гексаферриты).
Другую группу диэлектрических ферритов образуют двойные фториды (типа RbNiF3), в которых из шести магнитных подрешеток намагниченность четырех направлена в одну сторону, а намагниченность двух других – в противоположную. Двойные фториды прозрачны в видимой области спектра. К ферромагнетикам принадлежит также ряд сплавов и интерметаллических соединений. В большинстве – это вещества, содержащие атомы редкоземельных элементов (R) и элементов группы железа (Me). Их магнитная структура состоит из двух магнитных подрешёток: атомов Me и R, соответственно. Интерметаллические соединения типа RFe2 обладают рекордной магнитострикцией (~10-3 в полях 10–15 кГс) и могут быть использованы в качестве пьезоэлектрических преобразователей. Другой тип редкоземельных интерметаллидов имеет формулу, близкую к RMe6. Эти соединения имеют большую энергию анизотропии и, значит, коэрцитивную силу. Из них изготавливают магниты постоянные с рекордной величиной BHмакс (~107 Гс·Э).
Таблица 6.5 - Свойства типичных ферромагнетиков
| Вещество | Тип кристаллической структуры | TC · K | 4πJs · Гс | Рэфф · µБ |
| Fe3O4 MgFe2O4 CoFe3O6 Y3Fe6O12 Gd3Fe6O12 Ho3Fe8O12 BaFe12O10 Ba3Co3Fe34O41 RbNiF3 TiNiF3 CeNiF3 GdFe2 TbFe3 DyFe2 PrCo3 SmCo3 | шпинель шпинель шпинель гранат гранат гранат гексагональная гексагональная гексагональная гексагональная кубическая фаза Лавеса фаза Лавеса фаза Лавеса гексагональная гексагональная | 858 713 793 560 564 567 730 680 139 111 150 789 698 635 912 1020 | 6400 1800 6000 2470 7250 7400 5220 3350 1080 620 620 692 1090 1300 1150 937 | 4,1 1,1 3,9 5,0 16 15 27 31 - - - 3,7 5,6 5,6 10,8 8,7 |
В таблице 5.5 приведены некоторые характеристики типичных ферромагнетиков: температура Кюри Тс, магнитная индукция насыщения 4πJS и эффективный магнитный момент Pэфф; магнетонах Бора μб (последние две величины для Т = 0 К) [2, С.306].