 |
Так как диамагнитная восприимчивость
|
|
|
|
. (30)
Для всех диамагнитных веществ c < 0, безразмерна, не зависит от температуры. Диамагнитная восприимчивость многих веществ имеет значения от - 10-6 до -10-5 (табл. 1).
Стержни из диамагнитного материала намагничиваются противоположно вектору 
внешнего магнитного поля. В неоднородном магнитном поле диамагнитные образцы выталкиваются в область более слабого поля и устанавливаются перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.
Поскольку В = mоН, то
J = cH. (31)
Парамагнетизм
Парамагнетиками называют вещества, у которых атомы, молекулы или ионы обладают магнитным моментом, не равным нулю.
К парамагнетикам относятся, например, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы и их сплавы, кислород, и др.
В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, из-за теплового движения спиновые магнитные моменты атомов ориентированы хаотично (J = 0).
При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты атомов ориентируются вдоль поля и образцы в виде стержней устанавливаются вдоль силовых линий магнитного поля.
По классической теории Ланжевена вектор намагничивания
, (32)
где 
> 0.
Парамагнитная восприимчивость зависит от температуры и подчиняется закону Кюри - Вейсса: 
,
где Тс – температура (точка) Кюри.
Парамагнитная восприимчивость веществ имеет значения от 10-5 до 10-3. Природу парамагнетизма объяснила квантовая механика, согласно которой магнитный момент атома в магнитном поле принимает дискретные значения, т. е. квантуется.
Ферромагнетизм
Рис. 12
|
Ферромагнетиками называют вещества, которые обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля в областях, называемых доменами. К ним относят, например, железо, кобальт, никель и их сплавы. Характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость век-тора индукции магнитного поля и вектора намагничивания от напряженности магнитного поля (рис. 12, а, б).
|
|
|
Из-за нелинейной зависимости В(Н) для ферромагнетиков магнитная проницаемость имеет сложную зависимость m(Н) (рис. 13, а). Максимальное значение магнитной проницаемости может достигать больших значений, например, для чистого железа m = 5000. Для ферромагнетиков характерно также явление магнитного гистерезиса (рис. 13, б). Если не намагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле, и увеличивая Н от нуля до значения, при котором наступает насыщение ВS, а затем уменьшать Н, то при
Н = 0 ферромагнетик будет иметь остаточную индукцию Вr.
Рис. 13
|
Чтобы Вr = 0 нужно приложить некоторое поле Нс (коэрцитивная сила) в обратном направлении.
При циклическом изменении поля от +Н до –Н и обратно возникает петля магнитного гистерезиса. Площадь петли гистерезиса характеризует потери на перемагничивание ферромагнетика, что приводит к выделению тепла. При непрерывном изменении магнитного поля наблюдается скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетика (эффект Баркгаузена).
При медленном намагничивании в измерительной катушке с исследуемым образцом возникают в цепи катушки импульсы тока, вызванные скачкообразным изменением намагниченности ферромагнитного образца.
Особенно ярко этот эффект проявляется в магнитомягких материалах на крутом участке кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса, где доменная структура образца изменяется в результате процессов смещения доменных границ. Наличие неоднородностей в ферромагнетике препятствует перестройке доменной структуры.
При увеличении магнитного поля, когда граница домена, смещаясь, встречает препятствие, она останавливается и остается неподвижной при дальнейшем увеличении магнитного поля.
|
|
|
При достижении некоторого критического поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дольше, до очередного препятствия уже, но уже без увеличения поля.
Из-за множества подобных задержек кривая намагничивания ферромагнетика имеет ступенчатый вид (рис. 14).
Намагниченность образца может быть вызвано не только магнитным полем, но и другими внешними воздействиями, например, изменением механических напряжений и температуры, при которых происходит изменение доменной структуры образца.
Рис. 14
|
Используя эффект Баркгаузена можно определить объем доменов, который находится в пределах от 10-6 до 10-9 см3.
Этот эффект позволяет лучше понять динамику изменения доменной структуры и установить связь между числом скачков намагниченности и основными характеристиками петли магнитного гистерезиса (НС и др.).
При повышении температуры Т намагниченность ферромагнетика уменьшается. При температуре Т = ТС, называемой точкой Кюри, намагниченность ферромагнетика обращается в нуль и он приобретает свойства парамагнетика.
Рис. 15
|
Физическую природу ферромагнетизма удалось объяснить только с помощью квантовой механики (ученые Гейзенберг В. И Френкель Я.И. 1928 г.).
Ферромагнетизм проявляют атомы Fe, Ni, Co и др. переходных атомов в периодической системе Д. И. Менделеева. Из-за нарушения последовательности заполнения оболочек и слоев в атомах. Например, атом 26Fe56 содержит 26 электронов, которые распределены по 4 слоям. 1 и 2 слои заполнены электронами полностью по 2 и 8 соответственно. В третьем слое содержится 14 электронов вместо 18, а в 4 слое 2 электрона вместо 32. В свою очередь в 3 слое 14 электронов распределены по трем оболочкам: 1 оболочка содержит 2 электрона, а в 2 и3 оболочках находится по 6 электронов. В 1 и 2 слоях спиновые магнитные моменты электронов взаимно компенсируют друг друга. В 3 слое в первой и второй оболочках спиновые магнитные моменты электронов также компенсируют друг друга. В 3 оболочке из 6 электронов у 5-ти спиновые магнитные моменты электронов ориентированы в одном направлении, а спиновой магнитный момент последнего 6-го электрона ориентирован противоположно.
|
|
|
Следовательно, в 3-ей оболочке остаются не скомпенсированными спиновые магнитные моменты 4-х электронов, между которыми устанавливается особое квантовое обменное взаимодействие электрической природы, не магнитной природы.
В ферромагнитных веществах возникают обменные силы, которые ориентируют магнитные моменты электронов параллельно друг другу.В результате возникают области самопроизвольного намагничивания – домены, размеры которых могут быть от 1 до 10 мкм.
В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения (рис. 15).
Но направления векторов намагничивания, для разных доменов, при
Рис. 16
|
отсутствии внешнего магнитного поля, различны и суммарный магнитный момент образца равен нулю.
При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле домены, в которых векторы намагничивания ориентированы по полю (или составляют острый угол с вектором Н), растут за счет соседних доменов, у которых векторы намагничивания ориентированы против поля (или составляют тупой угол с вектором Н, рис. 16).
В слабых полях такой рост доменов имеет обратимый характер. В более сильных магнитных полях происходит одновременная переориентация магнитных моментов в пределах всего домена. Это приводит к необратимым процессам (из-за наличия различных дефектов кристаллической решетки образца) и является причиной магнитного гистерезиса и существования остаточной намагниченности.
Термодинамика магнетиков
Рассмотрим процессы намагничивания изотропных магнетиков с точки зрения термодинамики.
Если магнетик неоднороден, то можно выделить столь малый объем dV, в пределах которого он будет однороден.
Применяя первое начало термодинамики для магнетиков, получаем
dQ = dU – 
, (33)
где dA = – . (34)
|
|
|
