Магнитные свойства твердых тел

По магнитным свойствам все тела можно разделить на три большие группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

У диамагнитных тел и не зависит от напряженности внешнего поля и температуры. Диамагнетики выталкиваются из области сильного поля.

У парамагнетиков . Такие тела втягиваются в область сильного поля. Магнитная восприимчивость у парамагнетиков в сильных полях уменьшается. Кроме того, она падает при нагревании. Диамагнетики и парамагнетики являются слабомагнитными веществами. Типичное значение c для диамагнетиков c -10 ^-5и m < 1.

Диамагнетиками являются висмут, германий, кремний, медь и инертные газы. У парамагнетиков c 10 ^-3 и m > 1. К ним относятся платина, натрий, алюминий, кислород.

У ферромагнетиков типичным представителем которых является железо, c > > 0, m > > 1, но величина c несравненно больше, чем у парамагнетиков. Кроме того, c у них находиться в пределах 10 10 ⁵.

Помимо железа в эту группу входят никель, кобальт, гадолиний и ряд сплавов.

Намагниченность и магнитная индукция ферромагнетика сложным образом зависят от напряженности внешнего магнитного поля. На рис.1 изображены зависимости В и J от Н для железа. С увеличением намагничивающего поля В и J растут быстро, затем рост замедляется и вовсе прекращается. Это состояние называется насыщением ферромагнетика. При приближении к насыщению c стремиться к нулю.

На рис.2 приведена кривая полного цикла перемагничивания ферромагнетика. Намагниченность и индукция зависят не только от поля в данный момент, но и от того, какова была намагниченность в предыдущие моменты времени. Если образец не был предварительно намагничен, зависимость В от Н изобразиться кривой оа.

Если в точке а начать уменьшать Н, зависимость В от Н изобразиться кривой аb.

В точке b Н=0, но В ¹ о. Изменение В отстает от Н. Ордината (о-b) представляет собой остаточное намагничивание или остаточную индукцию. Для её уничтожения требуется приложить поле в обратном направлении, величина которого (абсцисса о-с) называется коэрцитивной силой. В точке d образец намагничен до насыщения, но в обратном направлении. Уменьшая магнитное поле до нуля и опять увеличивая его до насыщения (участок кривой def), получаем замкнутую кривую abcdef, которая называется петлей гистерезиса.

В зависимости от формы и площади петли гистерезиса ферромагнитные материалы разделяют на " мягкие" и " жесткие" (см. рис. 3 и 4). Магнитомягкие материалы применяются для изготовления сердечников электрических машин, магнитотвердые материалы - для изготовления постоянных магнитов.

Магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры - с нагреванием χ и μ уменьшаются. Для каждого ферромагнетика существует такая температура θ, при которой он утрачивает свои ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. Выше этой точки ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Магнитные свойства атомов

Магнитные свойства магнетиков определяются магнитными свойствами атомов. Электрон, как известно, обладает наряду с электрическим зарядом, собственным магнитным моментом, который обусловлен спином. Кроме того, вследствие движения электрона по орбите возникает орбитальный магнитный момент. У сложных атомов, электронные оболочки которых состоят из многих электронов, результирующий магнитный момент атома определяется суммированием моментов отдельных электронов. У атомов и ионов с заполненными электронными оболочками магнитный момент равен нулю.

Тела, атомы которых обладают магнитным моментом в отсутствие внешнего поля, могут быть парамагнетиками и ферромагнетиками.

Природа диамагнетизма. Как уже говорилось выше, у диамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов равны нулю, соответственно равен нулю и магнитный момент всего тела. Если же диамагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то в момент включения этого поля или при помещении диамагнетика в область, где поле уже есть, в атомах или молекулах возникают индуцированные токи (по закону электромагнитной индукции). Эти токи не исчезают и после исчезновения Э.Д.С. индукции, т.к. в атомах нет сопротивления движению электронов. Согласно правилу Ленца, направление индукционных токов таково, что созданное ими поле направлено против внешнего. При исчезновении внешнего поля исчезают индукционные токи и диамагнетик оказывается размагниченным.

Магнитная восприимчивость диамагнетика не зависит ни от температуры, ни от напряженности внешнего поля Н.

Из сказанного выше ясно, что диамагнетизм присущ всем без исключения телам, но у пара- и ферромагнетиков он маскируется другими, более сложными и сильными эффектами, на фоне которых слабый диамагнитный эффект не заметен.

Природа парамагнетизма

Атомы парамагнетика и в отсутствие поля имеют постоянный магнитный момент, но магнитные моменты отдельных атомов ориентированы в твердом теле хаотически, и результирующий магнитный момент парамагнетика равен нулю. При внесении парамагнетика во внешнее поле магнитные моменты атомов стремятся выстроиться вдоль внешнего поля, усиливая его. Хаотическое тепловое движение атомов препятствует правильной ориентации магнитных моментов атомов и чем выше температура, тем слабее намагничивается вещество. При выключении внешнего поля тепловое движение полностью разрушает ориентацию токов, и вещество размагничивается. Таким образом, магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре.

Природа ферромагнетизма

У атомов переходных металлов имеются незаполненные электронные оболочки, в которых спины электронов не полностью скомпенсированы. Если в кристаллической решетке из таких атомов выполняется условие, что d/a =1, 5, где d - диаметр атома, а - диаметр незаполненной оболочки (такому условию удовлетворяют никель, кобальт, железо), то между не скомпенсированными спинами соседних атомов возникает особое взаимодействие (силы такого взаимодействия называются обменными). Если энергия этого взаимодействия больше энергии теплового движения частиц, то спиновые моменты внешних электронов соседних атомов выстраиваются параллельно. Только при температурах выше точки Кюри (для железа она равна 770^оС) под влиянием, о котором говорилось выше, в ферромагнетике появляются области самопроизвольного намагничивания, так называемые домены (рис.5).

Внутри домена спины электронов соседних атомов ориентированы одинаково и их поля складываются, усиливая друг друга. В результате домен оказывается намагничен до насыщения. Размеры домена обычно невелики (~ 10 ^-4см ).

В ненамагниченном ферромагнетике домены ориентированы хаотически. При включении внешнего магнитного поля намагничивание ферромагнетика происходит путем увеличения объема доменов, ориентированных вдоль поля, а так же изменением ориентации отдельных доменов. Уже сравнительно небольшие поля могут вызвать ориентацию вдоль поля всех доменов. Весь образец превращается в один большой домен.

Ориентация доменов, в отличие от поворота отдельных атомных моментов, происходит с трением, поэтому затруднена. При включении внешнего поля не все домены сразу оказываются сориентированными по полю. Полная ориентация достигается постепенно по мере роста поля. Этим объясняется характер кривой намагничивания (рис.1). При уменьшении поля разориентация доменов так же происходит постепенно, причем из-за существования трения значительная часть доменов остается намагниченной в прежнем направлении. Вследствие этого появляется гистерезис, и могут существовать постоянные магниты.

⇐ Предыдущая 7 8 9 10 111213 14 15 16 Следующая ⇒