Ферромагнетики

   Из 118 известных ныне химических элементов периодической системы к металлам относятся 96.  Все химические элементы обладают  кристаллической структурой, где атомы расположены относительно друг друга в строго определенном порядке. Все металлы парамагнитны - обладают способностью намагничиваться в сильном магнитном поле. Из них восемь металлов относятся к ферромагнетикам, имеющим способность самопроизвольно намагничиваться в отсутствии внешнего магнитного поля.

   Парамагнитные свойства металлов объясняются наличием у неспаренного электрона магнитного дипольного момента обусловленного фундаментальным свойством электрона - его спином. Под действием магнитного поля спины электронов выравниваются в одном направлении параллельно внешнему магнитному полю, что приводит к макроскопическому эффекту. Для ферромагнетиков спины выравниваются в пределах, по крайней мере, минимального элемента кристаллической решетки.

    Для ферромагнетиков имеют место три типа структуры решетки. Кубическая объёмно-центрированная, восемь ионов по углам куба и один в центре куба, к этому типу относится Железо.  Кубическая гранецентрированная, восемь ионов по углам куба и по иону в центре каждой грани, к этому типу относится Никель.   Гексагональная плотноупакованная, две правильные треугольные пирамиды соединенные вершинами, ионы по всем углом пирамид, к этому типу относится Кобальт и вся группа Гадолиния (5 элементов).

    По параметрам решеток, представленных в описаниях к элементам периодической системе, расстояния между центрами ближайших ионов в элементе кристаллической решетки вычисляются просто и равно в Пикометрах  (100 пм = одному ангстрему):  Fe = 247пм; Co = 250пм; Ni = 248пм; в группе от Гадолиния до Эрбия 357 - 347пм. Учитывая радиусы ионов, которые равны: Fe = 69пм; Co = 68,5пм; Ni = 70пм; в группе от Гадолиния до Эрбия 105 - 103пм, величины радиусов, занятых валентными электронами d- и f- орбиталей, вычисляются вычитанием и они равны: Fe = 54,5пм; Co = 56,5пм; Ni = 54пм; в группе от Гадолиния до Эрбия 75 - 70пм.

Поскольку орбитали  заполняются последовательно, расстояние между соседними  орбитами в орбиталях  определяются делением вычисленных радиусов  на число орбит (5 для d-орбитали и 7 для f-орбитали). Результаты делений для ферромагнетиков  оказываются равными:
Fe = 10,9пм; Co = 11,3пм; Ni = 10,8пм; Gd = 10,7пм; Tb = 10,3пм; Dy = 10пм; Ho = 9,9пм; Er = 10пм.
Представленные результаты  определяют минимальные расстояния, на которых могут оказаться  соседние валентные электроны.
   Орбиты валентных электронов в d- и f- орбитлях  расположены на взаимно перпендикулярных плоскостях. Места, в которых расстояния между электронами окажутся минимальными, будут периодически возникать в точках пересечения плоскостей орбит. Обменное взаимодействие, вызывающее согласование спинов электронов, затрагивает только конкретный атом.  Для появления обменного взаимодействия должно быть не меньше двух валентных электронов. Алгоритм заселения орбиталей валентными электронами рассмотрен в заметке «Кристаллическая решетка и электронная конфигурация».


   В одном элементе кристаллической решетки могут оказаться атомы с разной ориентацией согласованных спинов. Для согласования спинов по всему элементу кристаллической решетки, и тем более по нескольким элементам, необходимо приложить направленное внешнее магнитное поле. Перемагничивание ферромагнетика превращает материал в постоянный магнит и изучается теорией магнитных доменов. В естественных условиях намагниченность может быть вызвана естественными причинами в виде ударов молнией или наведенными токами на поверхности земли.

 «Обменное взаимодействие — взаимодействие тождественных частиц в квантовой механике, приводящее к зависимости значения энергии системы частиц от её полного спина. Представляет собой чисто квантовый эффект, исчезающий при предельном переходе к классической механике». Объяснение есть в гипотезе известной под названием эмиссионная теория.

   В эмиссионной теории предполагается наличие мельчайших частиц двигающихся со скоростью не меньшей скорости света во всех возможных направлениях. Электрон набирает эти частицы до определенного предела и единовременно выстреливает их в направлении противоположном направлению их набора. Одной из структур, удовлетворяющих такому предположению, является структура электрона в виде тора, обладающего тороидальным вращением.   

   Диаграмма направленности выстреливаемых частиц приводит к расположению на одной оси источника и следующего за источником электрона. При входе в отверстие тора скорость частиц уменьшается до нуля, а при выходе возрастает от нуля до световой. Поток частиц через тор представляет собой ток, в пределах тора обладающей ускорением. Течение тока происходит порциями (или квантами), а наличие ускорения вызывает в перпендикулярной плоскости магнитный импульс, который можно назвать спином. Спины у обоих электронов  будут направлены в одну сторону.

   При исчезновении внешнего магнитного поля у парамагнетиков направления спинов расходятся. У ферромагнетиков направление спинов поддерживается в определенном  диапазоне температур сохранением расстояний между валентными электронами.