Podział ciał stałych na właściwości magnetyczne

Ciała stałe, to ciała, w których odległości między cząsteczkami są bardzo małe. Z mikroskopowego punktu widzenia, atomy i cząsteczki w ciele stałym zachowują swoje położenie względem innych atomów, wykonując tylko pewne drgania wokół swoich średnich położeń. Atomy te mogą być ułożone w przestrzeni zgodnie z pewnymi regułami symetrii - mówimy wtedy o kryształach. Obok kryształów klasycznych, w których cała struktura atomowa da się przedstawić w postaci pewnego powtarzającego się w przestrzeni wzoru, możliwe są również tzw. kwazikryształy, w których atomy tworzą nieperiodyczną sieć o symetrii np. pięciokątnej, oraz ciała amorficzne, czyli bezpostaciowe, w których nie ma dalekozasięgowego uporządkowania.

Jeszcze na początku XX wieku, ciałem stałym określano wszelkie substancje, które wykazywały sprężystość, czyli taką fizyczną własność ciał materialnych, że odzyskują one pierwotny kształt i wymiary po usunięciu sił zewnętrznych, wywołujących odkształcenie. Takie właściwości wykazują między innymi szkliwa oraz polimery, mimo że w ich strukturze nie ma przestrzennego uporządkowania atomów. Dlatego obecnie zaliczane są do przechłodzonych cieczy, czyli inaczej bezpostaciowych ciał. Prace badawcze poświęcone ich własnościom wszelkiego rodzaju (mechanicznym, optycznym, elektrycznym czy magnetycznym) pokazały, że zależą one on rodzaju i rozmieszczenia cząsteczek, z jakich zbudowane są te ciała. Ponieważ wiedza o tych zależnościach znalazła ogromne zastosowanie w praktyce, jest ściśle badana przez fizykę ciał stałych. Nauka ta jest jedną z najmłodszych dziedzin fizyki.

Ze względu na własności magnetyczne ciała stałe dzielimy na:
• diamagnetyki – atomy diamagnetyków mają parzystą liczbę elektronów na powłoce walencyjnej. Elektrony te wytwarzają pola magnetyczne, ale pola te wzajemnie się znoszą, dlatego atomy diamagnetyka nie wykazują namagnesowania, a tym samym cały diamagnetyk nie wytwarza pola magnetycznego. Do diamagnetyków należy np. cynk, rtęć i wapń.

• paramagnetyki – atomy paramagnetyków maja nieparzystą liczbę elektronów na powłoce walencyjnej. Atomy paramagnetyka wytwarzają własne pola magnetyczne, ale pola te wzajemnie się znoszą, dlatego paramagnetyki nie wykazują namagnesowania. Paramagnetyk umieszczony zewnętrznym polu magnetycznym wzmacnia to pole. Do paramagnetyków należy np. aluminium, cyna i magnez.

• ferromagnetyki – to ciała zdolne do wytwarzania własnego pola magnetycznego. Charakteryzują się tym, że występują w nich obszary stałego namagnesowania tzw. domeny ferromagnetyczne. Pola magnetyczne domen są różnie skierowane i kompensują się wzajemnie, dlatego umieszczenie ferromagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje, że pola magnetyczne domen ustawiają się zgodnie z zewnętrznym polem i staje się on silnym magnesem. Niektóre ferromagnetyki magnesują się trwale (z nich wykonuje się magnesy trwałe), a niektóre wykazują silne własności magnetyczne tylko wtedy, gdy znajdują się w zewnętrznym polu magnetycznym (wykonuje się z nich rdzenie elektromagnesów i transformatorów). Do ferromagnetyków należy żelazo, kobalt i nikiel.

Właściwości magnetyczne ciał stałych są zależne przede wszystkim od konfiguracji zewnętrznych i wewnętrznych powłok elektronowych atomów budujących ciała stałe (oddziaływania magnetyczne na poziomie atomowym). Ten magnetyzm atomowy uwarunkowany jest istnieniem własnego (spinowego) momentu magnetycznego elektronów oraz momentu magnetycznego powstałego wskutek ruchu orbitalnego elektronów w powłokach elektronowych atomu. Moment magnetyczny atomu jest zatem sumą wszystkich momentów magnetycznych wytworzonych przez jego elektrony. Ponieważ atomy zachowują się jak elementarne magnesy, jeśli więc ich momenty magnetyczne w polu magnetycznym różnią się od zera, dążą one do przybrania pozycji zgodnej z kierunkiem tego pola. Wtedy ciała stałe przyjmują własności paramagnetyczne. W sytuacji, gdy moment magnetyczny wynosi zero, to pole magnetyczne zaczyna indukować momenty skierowane w przeciwnym kierunku- ciało stałe jest diamagnetykiem. Spośród ciał stałych, których atomy mają właściwości paramagnetyczne, możemy wyróżnić nieliczną grupę kryształów o właściwościach antyferromagnetycznych lub ferromagnetycznych. Inaczej jak w przypadku diamagnetyzmu i paramagnetyzmu, właściwości te stanowią cechę własną kryształów, a wiążą się ze sposobem uporządkowania cząsteczek w sieci. Polega to głównie na tym, że momenty magnetyczne poszczególnych atomów ulokowane są równolegle (zgodnie) lub naprzemiennie przeciwrównolegle (antyferromagnetyki). Taki stan uporządkowania w sposób jednakowy dotyczy części kryształu (nie jego całości). Te fragmenty to domeny magnetyczne.