Классификация магнетиков

Намагниченность принято связывать не с магнитной индукцией, а с напряженностью поля. В каждой точке магнетика

где — безразмерная величина называется магнитной восприимчивостью. Тогда , откуда . Безразмерная величина называется относительной магнитной проницаемостью вещества. С учетом этого

или .

В вакууме , , а индукция магнитного поля связана с напряженностью соотношением . В магнитной среде , откуда .

То есть относительная магнитная проницаемость среды показывает во сколько раз индукция магнитного поля в среде вследствие ее намагничивания больше индукции магнитного поля в вакууме.

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все магнетики подразделяются на группы:

1. диамагнетики, у которых величина отрицательна и мала по абсолютной величине ( ), обычно ;

2. парамагнетики, у которых величина положительна, но также мала по абсолютной величине ( ), обычные значения ;

3. ферромагнетики, у которых величина положительна и достигает больших значений до . Ферромагнетики относятся к классу магнитоупорядоченных веществ, т. е. магнетиков, у которых магнитные моменты упорядочены относительно друг друга даже в отсутствии внешнего магнитного поля. Из всего класса магнитоупорядоченных веществ рассмотрим только ферромагнетики.

Диамагнетизм

Диамагнитный эффект был открыт в 1845 г. Фарадеем, обнаружившим, что в веществе, помещенном в магнитное поле, возникает дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Диамагнетики ослабляют поле . Стерженек, вырезанный из диамагнитного материала, и подвешенный между полюсами магнита устанавливается поперек силовых линий, так как при таком положении энергия его в магнитном поле минимальна. Классическую теорию диамагнетизма разработал в 1905 г. французский физик П. Ланжевен. На контур с током, в данном случае на электронную орбиту, обладающим магнитным моментом в магнитном поле действует вращающий момент . Учитывая, что и , запишем, . Переставив местами множители в векторном произведении и отнеся скалярный множитель к вектору , получим уравнение прецессии

.

То есть орбитальные моменты электронов начинают в магнитном поле прецессировать, медленно поворачиваться вокруг направления поля в правовинтовом направлении. Прецессия электронных орбит называется прецессией Лармора по имени английского физика, изучавшего это явление. Циклическая частота прецессии (угловая скорость прецессии)

не зависит ни от радиуса орбиты, ни от скорости электронов. Другими словами все орбиты электронов как единое целое будут прецессировать вокруг направления поля с этой частотой. Связанное с прецессией дополнительное движение электронов можно рассматривать как ток, по отношению к магнитному полю в левовинтовом направлении и, следовательно, создающий дополнительный магнитный момент, направленный навстречу полю. Среднее значение индуцированного магнитного момента одного электрона равно

,

где — средний квадрат расстояния электрона от ядра, — масса электрона. Знак минус отражает то обстоятельство, что векторы и направлены в противоположные стороны. Просуммировав по всем электронам, найдем индуцированный магнитный момент атома

,

где — число электронов в атоме.

Диамагнитный момент универсален: в любом веществе есть движущиеся в атомах электроны, в любом веществе в магнитном поле возникает ларморовская прецессия. Но в парамагнетиках и тем более в ферромагнетиках этот слабый эффект перекрывается другими более сильными эффектами. Поэтому к классу диамагнетиков относят лишь те вещества, у которых собственные моменты атомов равны нулю, и диамагнетизм выступает в «чистом виде». К диамагнтикам относятся Au, Ag, Cu, Hg, инертные газы. Таким образом, при помещении диамагнетика в магнитное поле, он намагничивается против поля , т. е. магнитная восприимчивость для диамагнетиков является отрицательной и постоянной для данного вещества величиной, а график зависимости от имеет вид, изображенный на рисунке.

Парамагнетизм

Парамагнетики усиливают поле . Стерженек изготовленный из парамагнетика, и помещенный в магнитное поле устанавливается вдоль поля. Парамагнетиками являются щелочные металлы, кислород, алюминий, платина. В отсутствие магнитного поля молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты, но эти моменты расположены хаотически, поэтому вектор намагниченности равен нулю. Внешнее магнитное поле стремится выстроить магнитные моменты в одном направлении, но этому препятствует тепловое движение. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация моментов вдоль поля. Возникающая при этом намагниченность растет с ростом поля . График зависимости от имеет вид, изображенный на рисунке. Магнитная восприимчивость принимает положительные значения, но будет зависеть от температуры. Согласно закону Кюри восприимчивость парамагнитного вещества равна

,

где — постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, — абсолютная температура.

Ферромагнетизм

Рассмотрим кратко основные свойства ферромагнетиков. График зависимости намагничивания тела от поля называют кривой намагничивания. В технике кривую намагничивания обычно строят в координатах В и Н, где В — индукция образца, связанная с намагничиванием J соотношением . Типичная кривая намагничивания показана на рисунке. Если взять размагниченный образец и увеличивать от нуля намагничивающее поле Н, то наблюдается рост индукции по первоначальной кривой намагничивания, показанной на рисунке пунктирной линией.

В поле индукция достигает значение , близкому к насыщению. Если теперь уменьшать поле до нуля, то кривая пойдет выше первоначальной кривой. При Н = 0 индукция оказывается отлична от нуля и равна Р_r. Чтобы индукция снова оказалась равной нулю, нужно изменить направление поля и приложить к образцу поле — Н_c. Когда поле будет равно –Н_s, образец опять окажется близок к намагничиванию до насыщения, но уже в противоположном направлении, В = –В_s. Таким образом, изменяя поле от –Н_s до +Н_s, получим так называемую петлю гистерезиса, представленную на рис.

Отмеченные на рисунке величины имеют особые названия:

Н_s — поле насыщения;

В_s — индукция насыщения;

Н_c — коэрцитивная сила;

В_r — остаточная индукция.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе, затрачиваемой на перемагничивание единицы объема ферромагнетика. В процессе перемагничивания эта работа полностью переходит в теплоту. В зависимости от ферромагнетика петля может быть широкой или узкой. Магнитные материалы с узкой петлёй гистерезиса легко перемагничиваются и называются магнито-мягкими (трансформаторная сталь, пермаллой). Такие материалы применяются для изготовления сердечников трансформаторов, роторов электрических машин, сердечников электромагнитов. Материалы с широкой петлёй называются магнито-жёсткими и используются, в частности, для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость не являются постоянной, как у обычных парамагнетиков а, зависят от напряженности, намагничивающего поля Н. Она определяется по первоначальной кривой намагничивания , пропорциональной тангенсу угла наклона прямой, проведённой из начала координат к исследуемой точке кривой.

Ферромагнетизм возникает благодаря особому взаимодействию электронов внутренних незаполненных слоев атомов. Этому требованию удовлетворяют атомы переходных элементов: железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы и соединения. Это взаимодействие называется обменным, так как взаимодействующие электроны коллективизируются, атомы ферромагнетика как бы обмениваются электронами. Минимуму энергии обменного взаимодействия соответствует параллельная ориентация спинов взаимодействующих электронов. Так возникает спонтанная намагниченность ферромагнетиков. Возникает вопрос: почему тогда весь ферромагнетик не оказывается, намагничен до насыщения? Действительно в этом случае обменная энергия была бы минимальна. Но при этом возросла бы магнитная энергия. Поэтому энергетически более выгодным оказывается разбиение ферромагнетика на микроскопические намагниченные до насыщения области — домены.

При намагничивании ферромагнетика происходит, в основном, два процесса: процесс смещения доменных границ, при котором объем доменов, ориентированных энергетически более выгодно по отношению к внешнему полю, увеличивается за счет других доменов, и процесс вращения вектора намагниченности. Первый процесс имеет место в слабых полях, соответствующих начальному участку кривой намагничивания. Второй процесс начинается тогда, когда заканчивается первый. Крутизна кривой намагничивания при переходе к процессу вращения уменьшается. Вращение заканчивается техническим насыщением ферромагнетика. Эти процессы рассмотрен на рисунке.

Основная причина гистерезиса заключается в том, что любой реальный ферромагнетик имеет дефекты, структурные неоднородности и т. д., которые задерживают смещение доменных границ в процессе размагничивания. Явление отставания изменения индукции В от изменения поля Н приводит к тому, что при полном снятии поля (Н = 0) возникает остаточная индукция .

Ферромагнетизм наблюдается при температуре, не превышающей некоторую, характерную характерную для данного ферромагнетика, температуру . По мере приближения температуры к спонтанная намагниченность уменьшается и обращается в нуль при . При доменная структура разрушается и ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Например, для железа , для никеля . Температура называется температурой или точкой Кюри. Превращение, которое испытывает ферромагнетик при , относится к фазовым переходам второго рода.