Магнитные свойства веществ магнетизм. Конспект лекции " магнитные свойства вещества"

Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:

\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)

где \(~\vec B\) - магнитная индукция поля в веществе; \(~\vec B_0\) - магнитная индукция поля в вакууме, \(~\vec B_1\) - магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ, которая называется магнитной проницаемостью вещества

\(~\mu = \dfrac B{B_0}.\)

• Магнитная проницаемость - это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Диа- и пара- магнетики

Все вещества обладают определенными магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками . Для большинства веществ магнитная проницаемость μ близка к единице и не зависит от величины магнитного поля. Вещества, для которых магнитная проницаемость незначительно меньше единицы (μ < 1), называются диамагнетиками , незначительно больше единицы (μ > 1) - парамагнетиками . Вещества, магнитная проницаемость которых зависит от величины внешнего поля и может значительно превышать единицу (μ » 1), называются ферромагнетиками .

Примерами диамагнетиков являются свинец, цинк, висмут (μ = 0,9998); парамагнетиков - натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023); ферромагнетиков - кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8⋅10 3).

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Анри Ампер (1820 г.). Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.

Возьмем некоторое твердое вещество. Его намагниченность связана с магнитными свойствами частиц (молекул и атомов), из которых он состоит. Рассмотрим, какие контуры с током возможны на микроуровне. Магнетизм атомов обусловлен двумя основными причинами:

1) движением электронов вокруг ядра по замкнутым орбитам (орбитальный магнитный момент ) (рис. 1);

2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент ) (рис. 2).

Для любознательных . Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей , созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля \(~\vec B_0\) и поля \(~\vec B"\) токов намагничивания i′ , которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

Рис. 3

В диамагнетиках молекулы не обладают собственным магнитным полем. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, поэтому модуль вектора магнитной индукции \(~\vec B\) результирующего поля будет меньше модуль вектора магнитной индукции \(~\vec B_0\) внешнего поля.

В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).

Рис. 4

Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.

Ферромагнетики

Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа - Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева - кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.

Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности - домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).

Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле В 0 , то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.

Свойства ферромагнетиков

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии ;

2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри . Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;

3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B 0 ;

4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).

Это объясняется тем, что вначале с увеличением B 0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B ´ 0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B 0 магнитная индукция B 1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):

\(~\mu = \dfrac B{B_0} = \dfrac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \dfrac {B_1}{B_0};\)

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А ) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B 0 , то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B 0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна B r (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до B oc , размагничивают стержень (B = 0).).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B 0 . Это отставание называется явлением гистерезиса . Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса .

Гистерезис (греч. ὑστέρησις - «отстающий») - свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.

Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах - реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C.330- 335.
2. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 291-297.

Магнитные свойства вещества

Во всех телах, помещенных в магнитное поле, возникает магнитный момент. Это явление называется намагничиванием .

Намагниченное тело (магнетик) создает дополнительное магнитное поле с индукцией B ′, которая взаимодействует с индукцией B 0 = μ а H , обусловленной макроскопическими токами. Оба поля дают результирующее поле с индукцией B , которая получается в результате векторного сложения B ′ и B 0 .

В молекулах вещества циркулируют замкнутые токи; каждый такой ток имеет магнитный момент; в отсутствие внешнего магнитною поля молекулярные токи ориентированы хаотически и среднее поле, создаваемое ими, будет равно нулю. Под действием магнитного поля магнитные моменты молекул ориентируются преимущественно вдоль поля, вследствие чего вещество намагничивается. Мерой намагничивания вещества (магнетика) является вектор намагничивания. Вектор намагничивании I равен векторной сумме всех магнитных моментов p m молекул, заключенных в единице объема вещества:

Величина χ называется магнитной восприимчивостью – величина безразмерная.

	В системе СИ:	В системе СГСМ:
	B ′ = μ I	B ′ = 4χ I	2)
	B = μ 0 H + μ I	B = H + 4χ I	3)
	μ = 1 + χ	μ = 1 + 4π χ	4)

Кривая, выражающая зависимость между H и B или H и I , называется кривой намагничивания .

Вещества, для которых χ > 0 (но незначительно), называются парамагнитными (парамагнетиками ); вещества, для которых χ < 0, называются диамагнитными (диамагнетиками ). Вещества, у которых χ намного больше единицы, называются ферромагнетиками .

Ферромагнетики отличаются от парамагнетиков и диамагнетиков рядом свойств.

а) Кривая намагничивания ферромагнетиков имеет сложный характер (рис.1), для парамагнетиков она представляет прямую линию с положительным угловым
коэффициентом, для диамагнетиков – прямую с отрицательным угловым коэффициентом. Магнитная восприимчивость и проницаемость ферромагнетиков зависит от напряженности поля; у парамагнетиков и диамагнетиков этой зависимости нет.

Для ферромагнетиков обычно указывается начальная магнитная проницаемость (μ нач) – предельное значение магнитной проницаемости, когда напряженность и индукция поля близки к нулю, т. е.

Кривая зависимости μ от H для ферромагнетиков проходит через максимум. В таблицах обычно указывается и максимальное значение (μ макс).

б) Магнитная восприимчивость ферромагнетиков растет с увеличением температуры. При некоторой температуре T к ферромагнетик превращается в парамагнетик; эта температура называется температурой Кюри (точкой Кюри ). При температурах выше точки Кюри вещество является парамагнетиком. Вблизи температуры Кюри магнитная восприимчивость ферромагнетика резки возрастает.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков и некоторых парамагнетиков (например, в щелочных металлах) не зависит от температуры. Магнитная восприимчивость парамагнетиков (за немногими исключениями) изменяется обратно пропорционально абсолютной температуре.

в) Размагниченный ферромагнетик намагничивается магнитным полем; зависимость B (или I ) от H при намагничивании будет выражаться кривой 0–1 (рис.1). Эта кривая называется начальной кривой намагничивания. Намагниченность в слабых полях растет быстро, затем рост замедляется и, наконец, наступает состояние насыщения, при котором намагниченность практически остается постоянной при дальнейшем увеличении поля.

Максимальное значение намагниченности называется намагниченностью насыщения (I s ).

При уменьшении H до нуля B (и I ) будут изменяться по кривой 1–2; происходит отставание изменения индукции от изменения напряженности поля. Это явление называется магнитным гистерезисом .

Величина индукции, сохраняющаяся в ферромагнетике после снятия поля (когда H = 0), называется остаточной индукцией (B r ). На рис.1 B r равна отрезку 0–2. Чтобы размагнитить ферромагнетик, нужно снять остаточную индукцию. Для этого необходимо создать поле противоположного направления. Изменение индукции в попе противоположного направления изобразится кривой 2–3–4.

Напряженность поля H c (отрезок 0–3 на рис.8), при которой индукция равна нулю, называется коэрцитивной напряженностью (силой).

Зависимость B (или I ) от периодически изменяющейся напряженности магнитного поля от +H до -H выражается замкнутой кривой 1–2–3–4–5–6–1. Такая кривая называется петлей гистерезиса .

За один цикл изменения напряженности поля от +H до -H расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса.

Свойства ферромагнетиков объясняются наличием в них областей, которые в отсутствие внешнего магнитного поля самопроизвольно намагничены до насыщения. Эти области называют доменами. Но расположение и намагниченность этих областей таковы, что и отсутствие поля общая намагниченность всего тела равна нулю.

Когда ферромагнетик находится в магнитном поле, границы между доменами смещаются (в слабых полях) и векторы намагниченности доменов поворачиваются по направлению намагничивающего поля (в более сильных полях), в результате чего ферромагнетик намагничивается.

Ферромагнетик, помещенный в магнитное поле, изменяет свои линейные размеры, т. е. деформируется. Это явление называется магнитострикцией. Относительное удлинение зависит от природы ферромагнетика и напряженности магнитного поля.

Величина магнитострикционного эффекта не зависит от направления поля; у одних веществ наблюдается укорочение (никель), у других удлинение (железо в слабых полях) вдоль ноля. Это явление используется для получения ультразвуковых колебаний с частотами до 100 кГц.

Магнитными свойствами обладают в той или иной мере все материалы, так как эти свойства являются отражением структурных закономерностей, присущих веществу на микроуровне. Особенности структуры обусловливают различия в магнитных свойствах веществ, то есть в характере их взаимодействия с магнитным полем.

Строение вещества и магнетизм

Первая теория, объясняющая природу магнетизма через взаимосвязь электрических и магнитных явлений, создана французским физиком Ж.-М. Ампером в 20-х годах XIX века. В рамках этой теории Ампер предположил наличие в физических телах микроскопических замкнутых токов, обычно компенсирующих друг друга. Но у веществ, обладающих магнитными свойствами, такие «молекулярные токи» создают поверхностный ток, в результате чего материал становится постоянным магнитом. Эта гипотеза не нашла подтверждения, за исключением одной важнейшей идеи – о микротоках как источниках магнитных полей.

Микротоки в веществе действительно существуют благодаря движению электронов в атомах и создают магнитный момент. Кроме того, электроны имеют собственный магнитный момент квантовой природы.

Суммарный магнитный момент вещества, то есть совокупности элементарных токов в нем, в отношении к единице объема, определяет состояние намагниченности макроскопического тела. У большей части веществ моменты частиц ориентированы неупорядоченно (ведущую роль в этом играют тепловые хаотические колебания), и намагниченность практически равна нулю.

Поведение вещества в магнитном поле

При действии внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов частиц изменяют направление – тело намагничивается, в нем появляется собственное магнитное поле. Характер этого изменения и его интенсивность, определяющие магнитные свойства веществ, обусловлены различными факторами:

• особенности структуры электронных оболочек в атомах и молекулах вещества;
• межатомные и межмолекулярные взаимодействия;
• особенности структуры кристаллических решеток (анизотропия);
• температура вещества;
• напряженность и конфигурация магнитного поля и так далее.

Намагниченность вещества пропорциональна напряженности магнитного поля в нем. Их соотношение определяется особым коэффициентом – магнитной восприимчивостью. У вакуума она равна нулю, у некоторых веществ отрицательна.

Величину, характеризующую соотношение магнитной индукции и напряженности поля в веществе, принято называть магнитной проницаемостью. В вакууме индукция и напряженность совпадают, и проницаемость его равна единице. Магнитную проницаемость вещества можно выражать как относительную величину. Это соотношение абсолютных значений ее для данного вещества и для вакуума (последняя величина принята в качестве магнитной постоянной).

Классификация веществ по магнитным свойствам

По типу поведения различных твердых материалов, жидкостей, газов в магнитном поле выделяют несколько групп:

• диамагнетики;
• парамагнетики;
• ферромагнетики;
• ферримагнетики;
• антиферромагнетики.

Основные магнитные характеристики вещества, лежащие в основе классификации – это магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость. Охарактеризуем основные свойства, присущие каждой группе.

Диамагнетики

В силу некоторых особенностей строения электронных облаков у атомов (или молекул) диамагнетиков нет магнитного момента. Он появляется при возникновении внешнего поля. Индуцированное, наведенное поле имеет противоположное направление, и результирующее поле оказывается несколько слабее, чем внешнее. Правда, разница эта не может быть существенной.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков выражается отрицательными числами с порядком величины от 10-4 до 10-6 и не зависит от напряженности поля; магнитная проницаемость ниже, чем у вакуума, на тот же порядок величины.

Наложение неоднородного магнитного поля ведет к тому, что диамагнетик выталкивается этим полем, так как стремится сместиться в область, где поле слабее. На этой особенности магнитных свойств веществ данной группы основан эффект диамагнитной левитации.

Диамагнетики представляют обширную группу веществ. В нее входят такие металлы, как медь, цинк, золото, серебро, висмут. Также к ней относятся кремний, германий, фосфор, азот, водород, инертные газы. Из сложных веществ – вода, многие соли, органические соединения. Идеальные диамагнетики – это сверхпроводники. Магнитная проницаемость их равна нулю. Поле внутрь сверхпроводника проникнуть не может.

Парамагнетики

Принадлежащим к данной группе веществам свойственна положительная магнитная восприимчивость (очень невысокая, порядка 10-5 – 10-6). Намагничиваются они параллельно вектору накладываемого поля, то есть втягиваются в него, но взаимодействие парамагнетиков с ним очень слабое, как и у диамагнетиков. Магнитная проницаемость их близка к значению проницаемости вакуума, только слегка превосходит его.

В отсутствие внешнего поля парамагнетики, как правило, не обладают намагниченностью: их атомы имеют собственные магнитные моменты, но ориентированы они хаотически из-за тепловых колебаний. При низких температурах парамагнетики могут иметь собственную намагниченность малой величины, сильно зависящую от внешних воздействий. Однако влияние теплового движения слишком велико, вследствие чего элементарные магнитные моменты парамагнетиков никогда не устанавливаются точно по направлению поля. В этом и заключается причина их низкой магнитной восприимчивости.

Силы межатомного и межмолекулярного взаимодействия также играют значительную роль, способствуя либо, напротив, оказывая сопротивление упорядочиванию элементарных магнитных моментов. Это обусловливает большое разнообразие магнитных свойств вещества парамагнетиков.

К этой группе веществ относятся многие металлы, например вольфрам, алюминий, марганец, натрий, магний. Парамагнетиками являются кислород, соли железа, некоторые оксиды.

Ферромагнетики

Существует небольшая группа веществ, которые благодаря особенностям структуры обладают очень высокими магнитными свойствами. Первым металлом, у которого обнаружились эти качества, было железо, и благодаря ему данная группа получила наименование ферромагнетиков.

Строение ферромагнетиков характеризуется наличием особых структур – доменов. Это области, где намагниченность образуется спонтанно. Благодаря особенностям межатомного и межмолекулярного взаимодействия у ферромагнетиков устанавливается наиболее энергетически выгодное расположение атомных и электронных магнитных моментов. Они приобретают параллельную направленность по так называемым направлениям легкого намагничивания. Однако весь объем, например, кристалла железа не может приобрести однонаправленную самопроизвольную намагниченность – это повышало бы общую энергию системы. Поэтому система разбивается на участки, спонтанная намагниченность которых в ферромагнитном теле компенсирует друг друга. Так образуются домены.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков чрезвычайно велика, может составлять от нескольких десятков до сотен тысяч и в большой степени зависит от напряженности внешнего поля. Причина этого заключается в том, что ориентация доменов по направлению поля также оказывается энергетически выгодной. Направление вектора намагниченности части доменов обязательно совпадет с вектором напряженности поля, и энергия их будет наименьшей. Такие области разрастаются, и одновременно сокращаются невыгодно ориентированные домены. Намагниченность увеличивается, и нарастает магнитная индукция. Процесс происходит неравномерно, и график связи индукции с напряженностью внешнего поля называют кривой намагничивания ферромагнитного вещества.

При повышении температуры до некоторой пороговой величины, называемой точкой Кюри, доменное строение вследствие усиления теплового движения нарушается. В этих условиях ферромагнетик проявляет парамагнитные качества.

Помимо железа и стали, ферромагнитные свойства присущи кобальту и никелю, некоторым сплавам и редкоземельным металлам.

Ферримагнетики и антиферромагнетики

Двум видам магнетиков также свойственна доменная структура, но магнитные моменты в них ориентируются антипараллельно. Это такие группы, как:

• Антиферромагнетики. Магнитные моменты доменов в этих веществах равны по численному значению и взаимно скомпенсированы. По этой причине магнитные свойства материалов антиферромагнетиков характеризуются крайне низкой магнитной восприимчивостью. Во внешнем поле они проявляют себя как очень слабые парамагнетики. Выше пороговой температуры, называемой точкой Нееля, такое вещество становится обычным парамагнетиком. Антиферромагнетиками являются хром, марганец, некоторые редкоземельные металлы, актиноиды. Некоторые антиферромагнитные сплавы имеют две точки Нееля. Когда температура меньше нижнего порога, материал становится ферромагнитным.
• Ферримагнетики. У веществ этого класса величины магнитных моментов разных структурных единиц не равны, благодаря чему не происходит их взаимной компенсации. Магнитная восприимчивость их зависит от температуры и напряженности намагничивающего поля. К ферримагнетикам относятся ферриты, в состав которых входит оксид железа.

Понятие о гистерезисе. Постоянный магнетизм

Ферромагнитные и ферримагнитные материалы обладают свойством остаточной намагниченности. Это свойство обусловлено явлением гистерезиса – запаздывания. Суть его состоит в отставании изменения намагниченности материала от изменения внешнего поля. Если по достижении насыщения снижать напряженность поля, намагниченность будет меняться не в соответствии с кривой намагничивания, а более пологим образом, так как значительная часть доменов остается ориентирована соответственно вектору поля. Благодаря этому явлению существуют постоянные магниты.

Размагничивание происходит при перемене направления поля, при достижении им некоторой величины, называемой коэрцитивной (задерживающей) силой. Чем больше ее величина, тем лучше вещество удерживает остаточную намагниченность. Замыкание петли гистерезиса происходит при следующем изменении напряженности по направлению и величине.

Магнитная твердость и мягкость

Явление гистерезиса сильно влияет на магнитные свойства материалов. Вещества, у которых на графике гистерезиса петля расширена, требующие для размагничивания значительной коэрцитивной силы, называют магнитотвердыми, материалы с узкой петлей, гораздо легче поддающиеся размагничиванию – магнитомягкими.

В переменных полях магнитный гистерезис проявляется особенно ярко. Он всегда сопровождается выделением тепла. Кроме того, в переменном магнитном поле в магнетике возникают вихревые индукционные токи, выделяющие особенно много тепла.

Многие ферромагнетики и ферримагнетики применяются в оборудовании, функционирующем на переменном токе (например, сердечники электромагнитов) и при работе все время перемагничиваются. Для того чтобы уменьшить энергопотери на гистерезис и динамические потери на вихревые токи, в таком оборудовании применяют магнитомягкие материалы, такие как чистое железо, ферриты, электротехнические стали, сплавы (например, пермаллой). Есть и другие способы минимизировать потери энергии.

Магнитотвердые вещества, напротив, используются в оборудовании, работающем на постоянном магнитном поле. Они значительно дольше сохраняют остаточную намагниченность, но их труднее намагнитить до насыщения. Многие из них в настоящее время представляют собой композиты разных типов, например, металлокерамические или неодимовые магниты.

Еще немного об использовании магнитных материалов

Современные высокотехнологичные производства требуют применения магнитов, изготовляемых из конструкционных, в том числе композитных материалов с заданными магнитными свойствами веществ. Таковы, например, магнитные нанокомпозиты ферромагнетик-сверхпроводник или ферромагнетик-парамагнетик, используемые в спинтронике, или магнитополимеры – гели, эластомеры, латексы, феррожидкости, находящие самое широкое применение.

Различные магнитные сплавы тоже чрезвычайно востребованы. Сплав неодим-железо-бор характеризуется высокой устойчивостью к размагничиванию и мощностью: упомянутые выше неодимовые магниты, являясь наиболее мощными на сегодняшний день постоянными магнитами, применяются в самых разных отраслях, несмотря на наличие некоторых недостатков, таких как хрупкость. Их используют в магнитно-резонансных томографах, ветрогенераторах, при очистке технических жидкостей и подъеме тяжелых грузов.

Очень интересны перспективы использования антиферромагнетиков в низкотемпературных наноструктурах для изготовления ячеек памяти, позволяющих существенно увеличивать плотность записи без нарушения состояния соседних битов.

Надо полагать, что применение магнитных свойств веществ с заданными характеристиками будет все более расширяться и обеспечит серьезные технологические прорывы в разных областях.

Магнитные свойства вещества

2. Диа- и парамагнетики.

1. Магнитное поле вещества. Гипотеза Ампера.

Опыты показывают, что все вещества, помещённые в магнитное поле, намагничиваются и сами становятся источниками дополнительного магнитного поля.

Магнетики – вещества, способные намагничиваться в магнитном поле.

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил (гипотеза Ампера ), что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Эти токи возникают при движении электронов по орбитам вокруг ядер атомов и создают собственное магнитное поле. Внешнее магнитное поле оказывает на них ориентирующее действие.

Действие внешнего магнитного поля на элементарный ток определяется магнитным моментом тока :

, , (1)

где – сила элементарного тока, – площадь, обтекаемая током, а – вектор нормали к ней. Вектор перпендикулярен к плоскости элементарного тока.

В отсутствие внешнего магнитного поля элементарные токи, а, следовательно, и их магнитные моменты, расположены беспорядочно. Такое вещество не создаёт дополнительное магнитное поле:

Если вещество поместить во внешнее магнитное поле , то магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении. Вещество приобретает некоторый суммарный магнитный момент (намагничивается) и создаёт в пространстве дополнительное магнитное поле .

Внешнее и дополнительное поля в сумме дают результирующее поле:

В качестве характеристики степени намагничивания магнетика применяется вектор намагничивания.

Вектором намагничивания , данного вещества называют магнитный момент единицы объема:

где – магнитный момент отдельной молекулы, а суммирование ведётся по всем молекулам в объёме V .

Единица измерения вектора намагничивания:

,

что совпадает с единицей напряжённости магнитного поля .

Опыт показывает, что вектор намагничивания в изотропных средах пропорционален вектору напряжённости магнитного поля:

где безразмерная величина называется магнитной восприимчивостью вещества .

Индукция и напряжённость внешнего магнитного поля связаны равенством: . Расчёты показывают, что напряжённость дополнительного магнитного поля равна вектору намагничивания : . Следовательно, для индукции дополнительного магнитного поля имеем:

Тогда формула (2) примет вид:

Используя (4), получим:

Безразмерная величина

представляет собой магнитную проницаемость вещества . Подставив (6) в (5), придём к соотношению

которое ранее нами постулировалось.

Формула (6) связывает две характеристики магнетиков: магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость.

2. Диа- и парамагнетики.

Все вещества по характеру намагничивания делятся на три класса – диамагнетики , парамагнетики и ферромагнетики .

Диамагнетики – вещества с отрицательной восприимчивостью и соответственно с магнитной проницаемостью .

К ним относятся : водород, вода, стекло, цинк, серебро, золото, медь, висмут.

Так как у диамагнетиков , то из формулы (4) следует, что дополнительное магнитное поле по направлению противоположно внешнему и результирующее магнитное поле незначительно ослабляется .

При внесении диамагнетика в магнитное поле, он выталкивается из области наибольшей напряжённости и устанавливается перпендикулярно силовым линиям.

Атомы диамагнетиков при отсутствии внешнего магнитного поля собственным магнитным моментом не обладают. Под действием внешнего магнитного поля атомы приобретают индуцированный (наведённый) магнитный момент, противоположный полю.

Парамагнетики – вещества с положительной восприимчивостью и магнитной проницаемостью .

К ним относятся : азот, кислород, воздух, эбонит, алюминий, вольфрам, платина.

В парамагнетиках дополнительное магнитное поле совпадает по направлению с внешним, так как , и результирующее магнитное поле незначительно увеличивается .

При внесении парамагнетика в магнитное поле, он втягивается в область большей напряжённости и устанавливается вдоль силовых линий.

Атомы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, причём эти моменты ориентированы совершенно беспорядочно. При наличии внешнего поля возникает некоторое упорядоченное расположение магнитных моментов вдоль поля.

Абсолютное значение магнитной восприимчивости для диа- и парамагнетиков очень мало (), поэтому для них магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Диа- и парамагнетики называют слабомагнитными веществами .

3. Ферромагнетики. Гистерезис.

Ферромагнетики – сильномагнитные вещества, у которых магнитная проницаемость значительно больше 1 и достигает значений порядка (.

К ним относятся : железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные металлы, большое количество сплавов.

Зависимость магнитной проницаемости от напряжённости внешнего магнитного поля .

Зависимость вектора намагничивания от напряжённости внешнего магнитного поля .

Зависимость индукции магнитного поля от напряжённости внешнего магнитного поля .

Важнейшей особенностью ферромагнетиков является наличие у них свойства гистерезиса (отставания).

Явление гистерезиса состоит в несовпадении кривых намагничивания и размагничивания ферромагнетика.

При уменьшении индукции внешнего магнитного поля до нуля намагничивание не исчезает, оно характеризуется остаточной индукцией B ос .

Коэрцитивная (задерживающая) сила – величина индукции противоположного поля (отрезок ОС ), необходимая для ликвидации остаточного намагничивания.

Ферромагнетик с большой коэрцитивной силой называется жёстким , а с малой коэрцитивной силой – мягким .

Магнитострикция – деформация ферромагнетиков при намагничивании.

Все ферромагнетики при нагревании теряют свои особые магнитные свойства и становятся парамагнетиками.

Температура Кюри – температура перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Температура Кюри: 770 º С (железо);

1150 º С (кобальт);

360 º С (никель).

В ферромагнетиках ниже температуры Кюри имеются целые намагниченные области – домены , размеры которых достигают . Внешнее магнитное поле, действующее на ферромагнетики, ориентирует магнитные моменты доменов.

Когда векторы магнитных моментов всех доменов устанавливаются параллельно внешнему магнитному полю, наступает магнитное насыщение .

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называют магнетиками?

2. Сформулируйте гипотезу Ампера.

3. Дайте определения магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости вещества. Запишите соотношение между этими величинами.

4. Что такое диамагнетики? парамагнетики? В чем различие их магнитных свойств?

5. Какие вещества называют ферромагнетиками?

6. Объясните петлю гистерезиса ферромагнетика. Что такое магнитострикция?

7. Какую температуру для ферромагнетика называют температурой Кюри?

8. Каков механизм намагничения ферромагнетиков?

Все вещества в зависимости от их магнитных свойств можно разделить на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики.

Диамагнетики и парамагнетики – слабо магнитные вещества , намагниченность их невелика и является наведенной внешним полем, а магнитная проницаемость близка к единице m » 1 .

Диамагнетики не обладают собственным магнитным моментом. При внесении во внешнее магнитное поле наведенный магнитный момент ослабляет внешнее поле. Следовательно, их относительная проницаемость m = m а / m 0 меньше единицы m < 1.

Парамагнетики обладают собственным магнитным моментом, но вследствие теплового движения векторы их намагниченности ориентированы хаотично и взаимно компенсируются. Под воздействием напряженности внешнего магнитного поля Н возникает их ориентация в направлении поля и собственный суммарный магнитный момент растет с ростом Н . Влияние же диамагнитного эффекта слабее, и в целом происходит усиление поля, т.е. растет индукция В . Следовательно, абсолютная магнитная проницаемость их m а > m 0 и относительная m > 1 .

Ферромагнетики – сильно магнитные вещества , у которых m >> 1 и достигает десятков и сотен тысяч. К ним относятся: железо, никель, кобальт, гадолиний и при низких температурах пять редкоземельных элементов. Намагниченность их собственная, а не наведенная . Установлено, что их ферромагнитные свойства определяются нескомпенсированными спинами электронов внутренних оболочек и наблюдаются только в кристаллическом состоянии при обменном взаимодействии атомов в кристалле, когда электроны внутренних оболочек принадлежат одновременно своим и соседним атомам.

Взаимодействие атомов в кристалле приводит к параллельной ориентации некомпенсированных спинов и возникает так называемая спонтанная, т.е. самопроизвольная, намагниченность вещества , которая характеризует его ферромагнитные свойства.

Намагниченность ферромагнетиков существует самостоятельно, а не наводится внешним полем, как у других веществ.

Антиферромагнетики. У них нескомпенсированные спины соседних атомов самопроизвольно устанавливаются антипараллельно и взаимно компенсируются, так что собственный магнитный момент вещества становится равным нулю и спонтанная намагниченность у них отсутствует.

Ферримагнетики. У некоторых веществ взаимная компенсация спиновых моментов может оказаться неполной . У них также возникает некоторая спонтанная намагниченность, но значительно меньшая, чем у ферромагнетиков. Но и у них m >> 1 и может достигать нескольких тысяч. Эти вещества – ферриты – состоят из окислов металлов . Их часто называют неметаллическими ферромагнетиками.

Ферромагнетики и ферримагнетики имеют особое свойство: при повышении температуры вещества энергия теплового движения стремиться разрушить состояние спонтанной намагниченности. При температуре, которая у ферромагнетиков называется точкой Кюри, у ферримагнетиков – точкой Ноэля, этой энергии оказывается достаточно, чтобы разрушить параллельную или антипараллельную ориентацию спиновых моментов, и вещества приобретают свойства парамагнетиков. Для железа точка Кюри 1043K, для кобальта, никеля и гадолиния соответственно 1400, 631 и 289 К. Очевидно, при абсолютном нуле температуры спонтанная намагниченность имеет наибольшее возможное значение .