Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!

Магнитные свойства вещества

Все тела в природе обладают магнитными свойствами. Это связано с тем, что любое вещество состоит из заряженных элементарных частиц, которые находятся в постоянном движении. Любая из элементарных частиц (электрон, протон и даже нейтрон) обладает собственным магнитным дипольным моментом, или, просто, магнитным моментом. Кроме того, любой электрон, вращающийся вокруг ядра, обладает еще и орбитальным магнитным моментом. Понять, что такое магнитный момент, проще всего на примере контура с током.

Плоский контур, имеющий площадь S, по которому течет ток I, обладает магнитным моментом

(1)

Рис. 1. Определите направление магнитного момента

где - единичный вектор нормали к плоскости витка, связанный правилом правого винта с направлением тока (рис.1). Если поместить такой контур в магнитное поле , то он развернется подобно магнитной стрелке так, что векторы и будут параллельны, если на контур не действуют никакие другие силы.

В магнитном отношении атом представляет собой сложную систему. Магнитный момент ядра обычно много меньше магнитного момента электронов. Магнитные моменты электронов могут оказаться скомпенсированными, тогда собственный магнитный момент атома или молекулы равен нулю. Взаимодействие магнитных моментов атомов с внешним магнитным полем приводит к возникновению макроскопического магнитного момента вещества.

Одной из основных характеристик магнитных свойств является намагниченность. Намагниченностью называется векторная величина, равная среднему магнитному моменту единицы объема вещества:

(2)

где векторная сумма всех магнитных моментов атомов. Средний магнитный момент единицы объема может существенно отличаться от намагниченности малых объемов. Поэтому, чтобы характеризовать намагниченность в определенной точке для неоднородно намагниченного вещества, вектор определяют для физически малого объема как

(3)

Из определений (1) и (2) видно, что намагниченность в системе СИ измеряется в амперах на метр (А/м).

Намагниченность образца зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля. Эту зависимость характеризуют объемной магнитной восприимчивостью

(4)

Поскольку магнитное поле в системе СИ измеряется в А/м, величина æ (каппа) оказывается величиной безразмерной и носит название магнитной восприимчивости единицы объема. Кроме объемной восприимчивости в физике пользуются понятиями удельной восприимчивости и молярной восприимчивости. Поскольку единица объема вещества имеет массу, равную плотности ρ, то удельная восприимчивость χ (хи), т.е. восприимчивость единицы массы

(4а)

Восприимчивость одного моля вещества

(м³/моль) (46)

где μ - молярная масса в кг/моль, называется молярной восприимчивостью.

Магнитная восприимчивость у разных веществ может быть положительной и отрицательной, сильно отличаться по величине, по-разному зависеть от напряженности магнитного поля и температуры. По совокупности этих признаков вещества обычно подразделяют на диамагнетики (χ <0), парамагнетики (χ >0), ферро- и антиферромагнетики (χ >>1)

Диамагнетики

Диамагнетики имеют малую по величине восприимчивость (~10^-6). Намагниченность в них возникает только в присутствии внешнего магнитного поля и направлена противоположно этому полю, поэтому их восприимчивость отрицательна. Будучи внесенными в неоднородное магнитное поле, они выталкиваются к области более слабого поля. Восприимчивость диамагнетиков, как правило, не зависит от температуры и величины магнитного поля. Качественно явление диамагнетизма можно объяснить следующим образом.

Рис.2. Прецессия электронной орбиты вокруг магнитного поля

При внесении тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома в силу закона электромагнитной индукции возникает индуцированный магнитный момент, который по правилу Ленца должен быть направлен против внешнего поля. Он возникает независимо от того, имелся ли у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован. Индуцированный момент может возникнуть только благодаря видоизменению движения электронов в атоме. Но в силу законов квантовой механики электроны могут двигаться только по стационарным орбитам, значит, орбитальный магнитный момент (l), т.е. магнитный момент электрона, вызванный движением вокруг ядра, измениться не может. Поэтому изменение движения проявляется в прецессии электронной орбиты, т.е. ось орбиты 00' описывает конус вокруг направления (рис.2) с частотой Лармора.

(система СИ)

или (5)

(система Гаусса)

где е - заряд электрона; m - масса; с - скорость света. Это и приводит к возникновению макроскопического магнитного момента . Индуцированный магнитный момент, обусловленный ларморовской прецессией, в широком диапазоне полей и температур пропорционален полю. Это обеспечивает постоянство магнитной восприимчивости диамагнетиков. Вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость изолированного атома равен

(6)

где r² - средний квадрат расстояния электрона от ядра атома. Из формулы (6) видно, что основной вклад в восприимчивость вносят наружные электроны, имеющие большие r. Молекулы некоторых ароматических веществ (например, бензол); у которого имеются замкнутые кольца из атомов, приобретают в поле магнитный момент, в 10-100 раз больший по сравнению с обычными веществами, так как под действием внешнего поля в них возникают замкнутые токи по периферии колец. Кроме того, в этих веществах наблюдается анизотропия восприимчивости по отношению к плоскости бензольного кольца.

Диамагнетизм является универсальным свойством вещества, он проявляется всегда, но обнаружить его можно лишь в веществах, атомы и молекулы которых не имеют собственного магнитного момента, так как в противном случае диамагнитный эффект перекрывается более сильным пара- или ферромагнитным эффектом. К диамагнитным веществам относятся все инертные газы; ряд металлов: медь, цинк, серебро; вода; ряд солей; многие органические соединения.

Парамагнетики

Парамагнетики - это вещества с положительной восприимчивостью (æ > 0), величина которой тоже мала (10^-3 – 10^-6). Необходимым признаком парамагнетизма является наличие у атомов или молекул собственных постоянных магнитных моментов, существующих независимо от присутствия внешнего магнитного поля. В отсутствие поля из-за теплового движений эти моменты ориентированы хаотически, так что намагниченность равна нулю. Во внешнем поле магнитные моменты ориентируются по полю, с ростом поля намагниченность растет по закону , причем æ всегда положительна. При попадании в неоднородное магнитное поле парамагнетик, в отличие от диамагнетика, втягивается в область сильного магнитного поля. В очень сильных магнитных полях или при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, вещество приобретает состояние насыщения, т.е. все магнитные моменты атомов ориентированы параллельно полю. С повышением температуры при неизменной напряженности поля Н возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц, и магнитная восприимчивость убывает по закону Кюри:

где С - постоянная величина.

Существование у атомов магнитных моментов, обусловливающих парамагнетизм, может быть связано с движением электронов в атоме (орбитальный парамагнетизм), с собственным магнитным моментом самих электронов (спиновый парамагнетизм), с магнитными моментами ядер (ядерный парамагнетизм). Закон Кюри (7) выполняется, во-первых, для диэлектриков, когда взаимодействие между магнитными моментами невелико, и, во-вторых, для ферромагнетиков выше точки Кюри. В случае металлов, где парамагнетизм в основном обусловлен электронами проводимости (спиновый парамагнетизм Паули), или полупроводников, где парамагнетизм обусловлен носителями заряда, концентрация которых, в свою очередь, зависит от температуры, зависимость æ от температуры существенно другая.

Типичными представителями парамагнетиков являются газы: кислород, окись азота; щелочные металлы, а также железо, кобальт, никель при температурах выше точки Кюри; водные растворы солей, содержащие ионы переходных металлов и др.

Парамагнетики и диамагнетики принято называть слабомагнитными веществами. Изучение их магнитной восприимчивости как теоретическое, так и экспериментальное представляет принципиальный интерес, поскольку позволяет определить магнитные моменты атомов и молекул, а, следовательно, судить о внутреннем их строении.

Антиферромагнетики

Антиферромагнетики - это вещества, которые в отсутствие внешнего магнитного поля магнитно упорядочены. Магнитные моменты соседних атомов или ионов ориентированы в них навстречу друг другу, т.е. антипараллельно, и поэтому намагниченность тела в целом равна нулю. Такое состояние упорядочения существует только ниже температуры T_N, называемой точкой Нееля. Выше этой температуры антиферромагнетик обычно переходит в парамагнитное состояние. Антиферромагнетиками являются хром, марганец, а также ряд редкоземельных металлов. Число известных химических соединений, которые становятся антиферромагнетиками при определенной температуре, около тысячи.

По современным представлениям антиферромагнетизм, так же, как и ферромагнетизм, есть проявление электронного спинового магнетизма атомов или ионов с недостроенными 3d и 4f электронными оболочками. Между магнитными моментами соседних электронов возникает сильное квантовое взаимодействие электростатической природы, которое приводит либо к параллельному расположению собственных магнитных моментов электронов (спинов), либо к антипараллельному. В первом случае мы имеем дело с магнитным упорядочением, называемым ферромагнетизмом, во втором - с антиферромагнетизмом. В магнитном отношении кристаллическую решетку антиферромагнитных веществ можно разбить на две (или более) магнитные подрешетки, каждая из которых обладает самопроизвольной намагниченностью и . Если суммарный магнитный момент всех магнитных подрешеток равен нулю, т.е. , то имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм. Если такой компенсации нет, т.е. суммарный магнитный момент не равен нулю, то имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность. Такое явление называется ферримагнетизмом, а сами вещества - ферритами.

Ферромагнетики

Ферромагнетики - это вещества, в которых квантовые взаимодействия между электронами, являющимися носителями магнетизма, таковы, что энергетически выгодным оказывается параллельное расположение спинов. Это означает, что в отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетики должны быть намагничены до насыщения. Однако в термодинамически равновесном состоянии еще более энергетически выгодным оказывается состояние, при котором ферромагнетик разбивается на отдельные, намагниченные до насыщения домены, т.е. области спонтанного намагничивания. Домены располагаются так, чтобы в целом образец был размагничен; примеры такой доменной структуры приведем на рис. 3 (а, б, в).

Рис.З. Примеры доменной структуры

Стрелками в каждом домене обозначено направление намагниченности. В постоянных магнитах намагниченность не равна нулю, но это не означает, что их состояние является равновесным, хотя оно может оставаться таким неограниченно долгое время. Это значит, что образец когда-то был намагничен и это состояние при данных условиях оказалось достаточно прочным. Характер доменной структуры зависит от множества факторов: химического состава, кристаллической структуры, размеров и формы образца, внутренних дефектов и напряжений, качества поверхности и т.д. Домены различной ориентации отделены друг от друга переходными слоями, называемыми доменными границами. Линейные размеры доменов при температурах, сравнительно далеких от точки Кюри, достигают величины 10^{-2 см, а толщина граничных слоев между ними - десятки и сотни атомных расстояний.}

Рис.4. Изменение магнитной структуры при намагничивании ферромагнетика

Пусть имеется ферромагнетик, доменная структура которого изображена на рис.4, а. Поместим его во внешнее магнитное поле и рассмотрим процессы, протекающие в нем при постепенном увеличении поля.

Энергия взаимодействия домена, обладающего магнитным моментом (где V - объем домена), с внешним магнитным полем индукции равна

, (8)

где φ - угол между намагниченностью и индукцией внешнего поля . Различные домены образца находятся не в одинаковом положении относительно намагничивающего поля Н.

Очевидно, что минимальной энергией взаимодействия с полем обладает второй домен, а максимальной – четвертый. Поэтому при увеличении внешнего поля домены, намагниченность которых совпадает с направлением поля , будут расти за счет соседних доменов (рис.4, б) и образец приобретет макроскопическую намагниченность . В сильном магнитном поле ферромагнетик становится однодоменным (рис.4, в). Таким образом, максимальная намагниченность ферримагнитного образца не может превышать намагниченности отдельного домена. Она называется намагниченностью насыщения .

На рис. 5 показана зависимость намагниченности М от внешнего магнитного поля M=f(H), которая называется кривой намагничивания. Поле, в котором намагниченность достигает насыщения, называется полем насыщения .

H_S

M_S

æ₀

æ_max

Рис. 5. Зависимость намагниченности M и восприимчивости æ ферромагнетика от внешнего магнитного поля.

κ_max

H_S

M_S

κ₀

В реальных материалах кривая намагничивания имеет сложный характер, поэтому обычно ее измеряют экспериментально. Намагниченность приводит к существованию внутреннего магнитного поля, которое неотличимо от внешнего, поэтому в условиях эксперимента проще измерять индукцию, создаваемую суммой внешнего и внутреннего магнитных полей. Индукция, намагниченность и внешнее поле связаны известными соотношениями [1; 2]:

(система Гаусса)

или (9)

(система СИ)

где - магнитная индукция; - намагниченность; - внешнее магнитное поле; - магнитная постоянная системы СИ.

Заметим, что в системе Гаусса все три величины , и одинаковую размерность, но исторически сложилось так, что единица поля называется эрстед (Э), а индукции и намагниченности – гаусс (Гс).

В системе СИ индукция В измеряется в теслах (Тл), а напряженность поля Н и намагниченность М - в амперах на метр (А/м). Гн/м (генри на метр); 1Э= 10³/4π=76.6 А/м, 1 Гс = 10^-4 Тл.

В отличие от намагниченности индукция при увеличении внешнего поля предела не имеет (9), поэтому кривая B=f(H) при поле, большем поля насыщения, имеет слабый наклон к оси абсцисс. Зависимость B=f(H) тоже называют кривой намагничивания (рис. 7).

Рис. 6. Температурная зависимость спонтанной намагниченности домена.

Спонтанная, или самопроизвольная, намагниченность домена зависит от температуры. При повышении температуры намагниченность насыщения убывает сначала медленно, а затем резко снижается почти до нуля при температуре, которая называется точкой Кюри Т_с (рис.6). Каждому ферромагнитному веществу соответствует определенная температура Т_с, при которой средняя энергия теплового движения электронов оказывается достаточной для разрушения самопроизвольной намагниченности и ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние. Переход ферромагнетиков в парамагнитное состояние не сопровождается скрытой теплотой перехода, но в области точки Кюри изменяются многие физические свойства: удельное сопротивление, теплоемкость, коэффициент теплового расширения и др.

Намагниченность насыщения M_s и точка Кюри Т_с являются основными характеристиками ферромагнетика, они не зависят от внешних условий, предыстории образца и термообработки. Поэтому их еще называют структурно-нечувствительными. В табл. 1 приведены M_s и Т_с для самых распространенных ферромагнетиков в двух системах - в гауссовой и системе СИ.

Таблица 1

Основные характеристики ферромагнетиков

Материал	Т_с,(К)	M_s, (Гс)	M_s, 10³ (А/м)
Fe
Со
Ni
Gd

Другой очень важной характеристикой ферромагнетиков является восприимчивость æ (4). Поскольку зависимость M=f(H) нелинейная, восприимчивость æ не является постоянной, она сама зависит от величины поля и при некотором поле имеет максимум (рис.5). В таблицах обычно приводят максимальную магнитную восприимчивость æ _max и начальную æ₀ при Н=0. У некоторых ферромагнетиков æ _max достигает величин 10⁵- 10⁶ (система СИ).

Часто вместо восприимчивости пользуются величиной, называемой относительной магнитной проницаемостью μ, показывающей способность тела увеличивать индукцию под действием внешнего поля Н.

(система СИ)

(10)

(система Гаусса)

Из формул (4),(9) и (10) следует, что объемная восприимчивость æ и относительная магнитная восприимчивость μ являются величинами безразмерными. Численные значения μ в обеих системах совпадают между собой, а величина æ получается различной, так как

(система СИ)

(11)

(система Гаусса)

На это обстоятельство следует обращать внимание при работе с литературными данными, таблицами и т.д.

Рис. 7. Предельные и частные циклы петли гистерезиса: намагниченности (а) и индукции (б)

Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем плавно уменьшать магнитное поле, то намагниченность будет изменяться по кривой, лежащей выше кривой намагничивания (рис.7, а, б). При уменьшении поля до нуля ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность М _r и соответственно остаточную индукцию В _r. Чтобы привести его намагниченность к нулю, следует включить поле в противоположном направлении и, плавно увеличивая его, достичь величины Н_С, когда намагниченность (индукция) обратится в нуль. Эта величина Н_С называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении поля до -Н_max ферромагнетик вновь намагничивается до насыщения, но в противоположном направлении. При последующем уменьшении поля до нуля и увеличении его до +Н_max описывается замкнутая кривая, называемая предельной петлей гистерезиса. Если такой цикл проводить с меньших полей (H_max< H_s), то получаются петли гистерезиса, лежащие внутри предельной петли. Они называются частными циклами петли гистерезиса. Если же цикл проводить с полей, больших чем требуется для насыщения, то площадь петли не меняется, поэтому она и называется предельной. Следует заметить, что понятия остаточной намагниченности (индукции) и коэрцитивной силы относятся только к предельной петле гистерезиса. Вершины частных циклов петель гистерезиса лежат на кривой намагничивания ферромагнетика.

Величины μ, æ, Н_С, М _r и В _r зависят не только от материала образца, но и от предшествующей термической обработки. Поэтому они называются структурно-чувствительными.

Неодинаковость кривых намагничивания, а, следовательно, различие в магнитных проницаемостях у разных веществ объясняется многообразием доменных структур, а также степенью закрепленности доменных границ. Наличием доменной структуры объясняется и явление гистерезиса.

Размагниченным называется состояние, когда без поля намагниченность образца равна нулю. Такое состояние достигается одним из двух способов:

1) нагреванием ферромагнетика до температуры выше точки Кюри и последующим охлаждением его в отсутствие магнитного поля;

2) намагничиванием образца до насыщения в переменном магнитном поле так, чтобы состояние его намагниченности менялось по предельной петле гистерезиса, а затем плавным уменьшением амплитуды этого поля до нуля. В этом случае магнитное состояние образца будет изменяться по сложной спирали, состоящей из все уменьшающихся частных циклов петель гистерезиса (рис. 7).

По величине проницаемости, коэрцитивной силы и остаточной индукции ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожесткие.

Мягкие ферромагнетики имеют высокую максимальную магнитную проницаемость (от нескольких тысяч до сотен тысяч) и малую коэрцитивную силу (от 1 до 10^-2 Э или от 100 до 1 А/м). В основном они используются в перемагничивающих устройствах: электродвигателях и трансформаторах. К ним относятся железо, электротехнические стали (сплавы Fe-Si), некоторые сплавы Fe-Ni, а также ряд ферритов.

Жесткие ферромагнетики имеют высокую остаточную индукцию и большую коэрцитивную силу (до нескольких тысяч эрстед или сотен тысяч А/м). Площадь петли гистерезиса представляет собой энергию перемагничивания единицы объема вещества. Жесткие ферромагнетики обладают огромными энергиями перемагничивания (рекордные значения превысили 40 млн. гаусс-эрстед, что составляет 4*10⁶ Дж/м²). Это означает, что в обычных условиях жесткий ферромагнетик сохраняет высокую остаточную намагниченность неограниченно долго. Поэтому они служат источниками постоянного магнитного поля и находят широкое применение в приборостроении, где требуются достаточно сильные постоянные магнитные поля в небольших объемах.

Итак, перечислим основные свойства ферромагнетиков:

1. Наличие самопроизвольной намагниченности, равной намагниченности насыщения M_s.

2. Самопроизвольная, или спонтанная, намагниченность может существовать только до температуры Кюри Т_С, при которой происходит переход в парамагнитное состояние.

3. Наличие доменной структуры, с которой связаны следующие явления:

a. нелинейная зависимость намагниченности от внешнего магнитного поля M=f(H);

b. значительно большая по сравнению с диа- и парамагнетиками магнитная проницаемость μ;

c. сложная зависимость с максимумом , для которой основными параметрами являются начальная проницаемость и максимальная проницаемость ;

d. явление гистерезиса, которое характеризуется энергией перемагничивания, остаточной индукцией В _r и коэрцитивной силой Н_C.

12 3 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒