Магнитные моменты электронов и атомов.

⇐ ПредыдущаяСтр 3 из 14Следующая ⇒

Приведенное ниже описание возникновения орбитального момента электрона основано на весьма упрощенной теории орбитального движения электронов в атоме. Однако эта модель весьма удобна для рассмотрения в данном курсе. Рассмотрение современной спиновой теории в рамках квантовомеханических теорий не входит в задачи данного курса.

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы I и радиуса, индуцирующий магнитное поле (рис. 2.1.1)

Рис. 2.1.1. Магнитное поле, индуцируемое электроном, движущимся по орбите.

I = е/Т , где: (2.1.1)

е - абсолютное значение заряда электрона

Т – период обращения электрона по орбите.

Магнитный момент р_m электрического тока, вызванного движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона и вычисляется по формуле:

р_m = I * S (2.1.2)

Все электроны, вращаясь вокруг атома, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Орбитальным магнитным моментом атома Р_m называется векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех Z его электронов, где Z – порядковый номер атома в периодической системе элементов.

Р_m = р_m⁽¹⁾ + р_m⁽²⁾ + р_m⁽³⁾ +….. + р_m⁽^Z⁾ (2.1.3)

Если вещество состоит из молекул, то магнитный момент молекулы является векторной суммой орбитальных моментов ее атомов, которая может быть как равной нулю, так и не равной нулю.

Физическая классификация магнетиков

Магнетиками называются все вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. создавать внутреннее магнитное поле самого вещества. Они подразделяются по своим магнитным свойствам на слабомагнитные и сильномагнитные вещества. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики, к сильномагнитным – ферромагнетики.

Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики . В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами. При низких температурах магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой соединение двух и более веществ. Результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Характерные особенности магнетиков приведены в таблице. 2.2.1.

Табл. 2.2.1.

Параметр	Диамагнетики	Парамагнетики	Ферро-магнетики
Относительная магнитная проницаемость μ	μ ≤ 1	μ ≥ 1	μ > > 1
Зависимость μ от индукции В₀ поля, в котором намагничиваются вещества.	Не зависит	Не зависит	Зависит
Зависимость μ от температуры Т	Не зависит	μ = 1+С/Т	Зависит нелинейно
Примеры веществ	Гелий, аргон, золото, цинк, медь, ртуть, вода, стекло, органические вещества.	Кислород, алюминий, платина, редкоземельные элементы, кислород, титан, тантал, инертные газы, самарий, празеодим.	Железо, никель, кобальт, гадолиний, магнетит, ферросилиций.

Диамагнетизм

Диамагнетики – вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствиевнешнего магнитного поля не имеют магнитных моментов.

В качестве примера рассмотрим атом гелия. Из упрощенной схемы и предположения, что оба электрона гелия обращаются вокруг ядра с одной скоростью, по одинаковым орбитам, но в противоположных направлениях, видно, что орбитальные магнитные моменты равны по модулю и противоположны по знаку и суммарный магнитный момент атома гелия P_m = p_m⁽¹⁾ + p_m⁽²⁾ будет равен нулю.

Рис. 2.2.1.1. Магнитный момент атома гелия.

При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле в каждом его атоме (молекуле) индуцируется некоторый дополнительный индукционный токI_i c магнитным моментом Δ Р_mi. Вектор Δ Р_mi направлен противоположно вектору В₀ магнитной индукции внешнего магнитного поля. Суммарное магнитное поле, созданное во всех атомах индукционными токами, является собственным (внутренним) полем. Вектор магнитной индукции внутреннего поля направлен противоположно вектору индукции внешнего намагничивающего поля.

Рис.2.2.1.2. Магнитный момент атома диамагнитного вещества в магнитном поле.

Если воздействие намагничивающего поля прекращается, то проявления диамагнитных свойств исчезают. На возникновение индукционных токов в атомах не влияет тепловое хаотическое движение атомов, поэтому диамагнитные свойства вещества не зависят от температуры.

Диамагнетизм -универсальное свойство всех веществ, однако, так как он является очень слабым эффектом, диамагнитные свойства наблюдаются только у тех веществ, где они не маскируются более сильными магнитными свойствами.

Парамагнетизм

Парамагнетики – вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля обладают некоторым магнитных моментом. Магнитные моменты атомов парамагнетика зависят от строения атомов (молекул), постоянны для данного вещества и не зависят от внешнего магнитного поля.

Вне магнитного поля тепловое хаотическое движение атомов (молекул) парамагнетика препятствуют упорядочиванию расположения векторов Р _m магнитных моментов отдельных атомов (молекул). Вещество не намагничивается.

При внесении парамагнитного вещества в магнитное поле каждый атомный (молекулярный) ток стремится расположиться так, что вектор его магнитного момента был ориентирован параллельно вектору В₀ магнитной индукции внешнего магнитного поля. Совместное действие магнитного поля и теплового движения приводит к тому, что ориентация магнитных моментов атомов становится преимущественно параллельной направлению внешнего поля. Вещество намагничивается – в нем возникает собственное (внутреннее) магнитное поле. Вектор магнитной индукции внутреннего поля направлен одинаково с вектором индукции внешнего намагничивающего поля.

Рис. 2.2.2.1. Магнитный момент атома парамагнитного вещества в магнитном поле.

Если воздействие намагничивающего поля прекращается, то и парамагнитные свойства исчезают. При повышении температуры в парамагнетике усиливается тепловое хаотическое движение атомов, препятствующее ориентации магнитных моментов. Поэтому относительная магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается при нагревании.

Ферромагнетизм

Ферромагнетики – группа веществ, в твердом кристаллическом состоянии обладающая совокупностью магнитных свойств, обусловленных особым взаимодействием атомных носителей магнетизма. Собственное (внутреннее) магнитное поле ферромагнетиков имеет индукцию в сотни и тысячи раз большую, чем индукция внешнего магнитного поля, вызвавшего явление намагничивания, т.е. образования внутреннего поля.

Особые свойства ферромагнетиков обнаруживаются только при температурах, меньших некоторой , называемой температурой (точкой) КюриΘ _К. Для железа Θ _К = 758⁰. При Т ≥ Θ _К ферромагнитные свойства исчезают и вещество становится парамагнетиком.

При Т ≤ Θ _К ферромагнитное тело состоит из доменов. Домен – малая область вещества с линейными размерами от 10^-6до10^{-4 м, т.е. 1 ÷ 100 мкм (для естественных ферромагнетиков). Минимальный размер, достигнутый при синтезе ферритов (ферримагнетиков) со структурой граната и шпинели, равен 6*10-8 м. (Для сравнения – размер атома железа = 0, 126*10-10}). Внутри доменов существует наибольшая величина намагниченности, равная I_н – намагниченности насыщения. Другое название доменов – области самопроизвольной намагниченности. Внутри домена спины электронов ориентированы параллельно друг другу, в результате чего возникает весьма сильное магнитное поле (до насыщения). Каждый домен, кроме того, характеризуется определенным значением и направлением вектора магнитного момента Р_m_д всего домена. (Рис. 2.2.3.1.)

Рис. 2.2.3.1

Рис. 2.2.3.2

Рис. 2.2.3.3

В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов отдельных доменов ориентированы внутри ферромагнетика совершенно беспорядочно, так что суммарный магнитный момент всего тела равен нулю (рис. 2.2.3.2). Под влиянием внешнего магнитного поля в ферромагнетиках происходит поворот вдоль поля магнитных моментов не отдельных атомов или молекул, а целых областей самопроизвольной намагниченности – доменов. Поворот вдоль поля векторов Р_m_д происходит сначала в тех доменах, у которых направление Р_m_д наиболее близко к направлению вектора индукции В₀ внешнего поля. Поэтому величина намагниченности I с увеличением В₀ постепенно. При достаточно сильном внешнем поле все ферромагнитное тело оказывается намагниченным, Величина намагниченности I достигает максимального значения I _н – наступает магнитное насыщение. (Рис 2.2.3.4.)

Рис 2.2.3.4. Кривая магнитного насыщения.

Гистерезис.

Общее определение слова « гистерезис» - отставание следствия от его причины .

Магнитным гистерезисом ферромагнетика называется отставание изменения величины намагниченности ферромагнитного вещества от изменения внешнего магнитного поля, в котором находится вещество.

Петлей гистерезиса называется кривая зависимости намагниченности ферромагнитного тела, помещенного во внешнее магнитное поле, от изменения индукции этого поля от + В_0н/ μ ₀до - В_0н/ μ ₀ и обратно (рис 2.2.4.1).

Если процесс намагничивания ферромагнетика до насыщения (точка а на. рис 2.2.4.1) происходит по кривой 0а, то при снижении В₀/ μ ₀ величина намагниченности изменяется по кривой а I_R. При В₀ = 0 у ферромагнетика остается некоторая величина остаточной намагниченности I_R. Это означает, что у ферромагнетика существует собственное (внутреннее) магнитное поле при отсутствии внешнего поля.

Рис 2.2.4.1 Петля гистерезиса.

Чтобы полностью размагнитить ферромагнетик, необходимо изменить направление внешнего поля. При некотором значении магнитной индукции –В_0к, которой соответствует величина –В_0к/μ ₀, называемая коэрцитивной (задерживающей) силой, намагниченность I тела станет равной нулю. При дальнейшем увеличении индукции внешнего поля в направлении, противоположном первоначальному, величина намагниченности снова достигнет насыщения в точке b. Уменьшение внешнего поля до нуля и дальнейшее его увеличение до В₀/μ ₀= В_0н/ μ ₀ приводят к замкнутой симметричной относительно точки 0 кривой – петле гистерезиса.

Коэрцитивная сила и форма петли гистерезиса характеризуют свойство ферромагнетика сохранять остаточное намагничивание. Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса называют жесткими магнитными материалами. Они обладают большой коэрцитивной силой и используются для изготовления постоянных магнитов. Пример – углеродистые, вольфрамовые, алюмоникелевые и другие стали, феррит бария, сплав самарий – кобальт. Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса называют мягкими магнитными материалами. Они обладают малой коэрцитивной силой и используются для изготовления сердечников трансформаторов, электродвигателей, генераторов и других устройств, при работе которых происходит перемагничивание в переменном магнитном поле.

⇐ Предыдущая 1 234 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒