Магнетит и его свойства.

Магнетит и его свойства.

В центре исследования «Электрические «фокусы» пчёл» находится пчела. В данной же статье будет рассмотрен вопрос опосредованно относящейся к «виновнице». Тем не менее, глубокое понимание свойств магнетита необходимо в силу того, что он является частью внутреннего строения известного насекомого.

Сильный магнетизм магнетита вызывал большой интерес с глубокой древности. О явлении притяжения железа магнетитом было известно китайцам с VI века до нашей эры. Магнитный указатель на юг (прародитель компаса) являлся общеизвестным прибором в Китае с I-III веков нашей эры. Масса свидетельств о свойствах минерала магнетита сохранилось в древнегреческих и древнеримских источниках. На протяжении столетий средневековья магнетит использовали для магических фокусов и знахарства (лечения магнитом). Сегодня магнитные свойства магнетита используются во многих областях человеческой деятельности. Приходится учитывать эти свойства и пчеловодам.

Как современная наука описывает магнетит и объясняет его магнитные свойства?

Магнетит или минерал магнитный железняк представляет собой закись-окись железа Fe3O4, являясь одной из составляющих железной руды. По химическому составу магнетит состоит примерно на 31% из FeO и на 69% из Fe2O3. Он не является ферромагнетиком, как считалось ранее. Магнетит относится к не скомпенсированным антиферромагнетикам, иначе, ферримагнетикам. Имеет свойства одного и другого.

Самый обыкновенный магнит

Для раскрытия этого определения «окунёмся» немного в кристаллохимию магнетита. Для читателей, которые не собирается «копаться во внутренностях» советуем пропустить следующие четыре абзаца. Они направлены только на объяснение явлений внутри магнетита.

Магнетит относится к семейству ферритов (шпинель). Кубическая кристаллическая решетка шпинели сформирована анионами кислорода О2 -, с которыми соединены катионы Fe3 + и Fe2 +. При этом катионы железа могут быть окружены четырьмя анионами О2 — (тетраэдр) и шестью анионами О2 — (октаэдр). Соответственно магнетит имеет кристаллическую структуру обращенной шпинели: (Fe3 +) [Fe2 + Fe3 +]О4. В первой части структуры — (Fe3 +) имеются катионы только с валентностью +3, а во второй части — [Fe2 + Fe3 +] катионов получается в два раза больше и они имеют валентность как 2+, так и 3+.

Согласно гипотезе Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Исходя из теории магнетизма, его источником являются электроны и их свойства. Электрон, имея массу и заряд, обладает собственным моментом количества движения – спином и соответственно, спиновым магнитным моментом (ms). За единицу измерения магнитных моментов атомов и катионов берётся величина ms электрона или магнетон Бора (mВ). Мs катиона Fe3 + (3d 5) равен 5mB , а катиона Fe2 + (3d 6) — 4mB (по числу не скомпенсированных электронов в 3d-электронной оболочке). Упорядочивание спиновых моментов Мs катионов железа происходит под влиянием обменного взаимодействия между электронами 3d-оболочки соседних катионов. Главную роль в этом взаимодействии играют направления спинов электронов S.

Различают три основных вида магнитного упорядочения (не считаем диамагнетики и парамагнетики): ферромагнитное, антиферромагнитное и ферримагнитное. В результате упорядочения спиновых моментов Мs катионов железа в веществе возникает спонтанная, то есть при отсутствии внешнего магнитного поля Н, намагниченность Is или ss (результирующий магнитный момент единицы объема или массы магнетика (Is=Мs в 1 см3 или ss= Мs в 1 г)). Отличие антиферромагнетиков и ферримагнетиков от ферромагнетиков в том, что обменное взаимодействие, о котором шла речь, приводит к периодическому изменению направлений спиновых моментов Мs катионов в кристалле на прямо противоположное.

При рассмотрении данного упорядочивания необходимо учитывать наличие нескольких подрешеток. В одной подрешетке спонтанная намагниченность направления спинов в одну сторону, в другой направление спинов будет противоположным, в третьей – в снова в обратном. В магнетите большее число магнитных катионов находится в части [Fe2 + Fe3 +], меньшее в части (Fe3 +). Если для ферромагнетиков результирующая намагниченность равна конечной величине (так как магнитные моменты имеют разные величины), то для антиферромагнетика она равна нулю (так как число магнитных катионов в подрешетках различно). В магнетите результирующая (ферримагнитная) намагниченность отлична от нуля. Концентрация перескоковых электронов в магнетите достаточно велика. Перескоковые электроны возникают в октаэдрической решётке между парами катионов Fe3 + и Fe2 +. Между ними идёт непрерывный процесс. Один перескоковый электрон из 3d-электронов катиона Fe2 + отрывается от последнего и движется к катиону Fe3 +, превращает его в Fe2 +, снова электрон отрывается от катиона Fe2 + и движется в обратном направлении и т.д. Перескоковые электроны являются основой в формировании магнитных свойств магнетита. При приложении к образцу магнетита разности электрических потенциалов перескоковые электроны перемещаются по образцу, создавая полупроводниковые свойства.

«Молодцы» все, кто игнорировал четыре скучных абзаца, коротко, в них речь шла о кристаллическом веществе магнетите со структурой в виде двух и более подрешеток. Его магнитные свойства определяются электронами, входящими в состав атомов. Электроны создают магнитное поле за счёт орбитального движения вокруг ядра и собственного вращения (спиновое поле). Среди них в кристаллических подрешётках имеются перескоковые 3d-электроны. Спиновые поля перескоковых электронов с учётом особенностей кристаллической структуры обусловливают электропроводность магнетита и участвуют в формировании его магнитных свойств. Магнитные моменты электронов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, в котором результирующий магнитный момент отличен от нуля.

Учитывая изложенное выше, внесём некоторые пояснения относительно магнетита.

Итак, магнетит — обладает самопроизвольной намагниченностью, которая может сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

Кроме этого, важным условием при рассмотрении магнитных свойств магнетита являются его размер и форма. Представление о доменах является основным в понимании магнетизма. Магнитными доменами называются частицы магнитного материала, в которых намагниченность однородна и направлена везде одинаково. Речь идёт о размерах частиц магнетита в пределах от сотен ангстрем до сотен микрон. Магнетит может находиться (в порядке увеличения) в суперпарамагнитном, однодоменном, псевдодоменном и многодоменных состояниях. Однодоменная частица всегда намагничена до максимума насыщения и имеет два полюса. Полюса и дают вклад в энергию частицы. В многодоменной частице намагниченность в каждом из доменов направлена в разные стороны, чтобы компенсировать такой дисбаланс, в соседствующих доменах происходит непрерывный поворот намагниченности стенок между доменами (стенки с углами на 90° или 180°). В итоге энергия полюсов уменьшается, но компенсируется за счёт энергии доменных стенок. Результатом является появление равновесной конфигурации доменов. В идеале такого практически не бывает и многодоменная частица обычно находится в каком-то метастабильном состоянии. Несколько однодоменных частиц могут вести себя как многодоменные. Псевдодоменным называется переходное состояние от однодоменного к многодоменному. Свойства псевдодоменных частиц похожи на свойства однодоменных за счёт большей коэрцитивности и более стабильной намагниченности последних. Переход из одного состояния в другое происходит не резко, а постепенно. Суперпарамагнетизм предполагает очень маленький размер частицы (стремится от малого к однодоменному состоянию), в котором энергия тепловых флуктуаций достаточна для спонтанного перемагничивания. Взаимодействующие между собой суперпарамагнитные частицы могут вести себя как однодоменные. Характеристики по всем состояниям магнетита исследовались в пределах 10 – 20 мкм. (Размеры биогенного магнетита существенно меньше, поэтому доменные состояния магнетита у пчёл определялись при помощи теоретических расчетов и результатов сторонних экспериментов.)

В отличие от ферромагнетиков магнетит имеет высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах образуется между соприкасающимися атомами. В магнетите магнитоактивные катионы находятся далеко друг от друга, поскольку разделены анионами кислорода, не обладающими магнитным моментом, и прямое обменное взаимодействие между катионами оказы­вается очень слабым или отсутствует вообще (косвенный обмен).

Из-за высокого удельного электрического сопротивления магнетит имеет низкие потери на вихревые токи. Индукция насыщения составляет приблизительно 20 –25 % от индукции насыщения железа. При выходе из внешнего магнитного поля, если напряженность постепенно снижать, то даже при нулевой напряженности, намагниченность будет сохраняться магнетит остается намагниченным, т.е. создает магнитное поле в окружающем пространстве. Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо приложить напряженность противоположного знака. К магнетиту применимы почти все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков.

Если магнетит нагреть до некоторой температуры, а затем охладить в постоянном магнитном поле, то в нем возникает термонамагниченность. Спонтанная намагниченность в магнетите при­нимает наибольшее возможное значение при условии, когда энергия теплового движения равна нулю (Т = 0°С). Магнитная восприимчивость уменьшается с существенным повышением температуры. Разрушение ферримагнитного упорядочивания магнетита происходит при температуре Кюри ТС = 574 – 585°С.

Из изложенного повествования, основным выводом для нашей темы является то, что чудодейственный камень – магнетит обладает магнитными свойствами.
Опубликовано Новиковым С.Н. © //www.maymed.ru , 2012.