Заттардың магниттік қасиеттері. Диа-және –парамагнетиктер. Ферромагнетиктер

Магнит өрісіне орналастырылған барлық денелер магниттеледі. Осы құбылыстың пайда болу себебін түсіндірген А. Ампер, кез-келген денеде оның молекулаларының немесе атомдарының құрамына кіретін электрондардың қозғалысымен байланысқан микроскопиялық токтардың бар екендігін болжамдаған. Дөңгелек орбита бойымен қозғалатын электрон дөңгелек токқа баламалы, сондықтан ол орбиталды магниттік моментке ие болады. Орбиталды магниттік моментің модулі: ,

мұндағы - ток күші, - электронның орбита бойымен айналу жиілігі, - орбита ауданы.

 

Кейін электрон орбиталды магниттік моменттен басқа өзінің спин деп аталатын меншікті механикалық моментімен

байланысқан меншікті

29.1-сурет (спиндік) магниттік моментке

ие болатындығы анықталды. Спин электронның заряды мен массасы сияқты, оның ажыратылмайтын қасиеті болып табылады.

Демек, электронның магниттік моменті оның орбиталды және спиндік магниттік моменттерінен құралады. Ядролардың магниттік моменттерін елемейтін болсақ, атомның магниттік моментін оның құрамына кіретін электрондардың магниттік (орбиталды және спиндік) моменттерінің векторлық қосындысы деп қарастыруға болады:

Сыртқы магнит өрісінде векторына қатысты қалай болса солай бағдарланған электронның орбитасы прецессиялық қозғалыс жасайды. Электрон орбитасының прецессиясы атомның магнит өрісін тудыратын дөңгелек токқа баламалы. Осылайша пайда болған атомдардың магнит өрістері сыртқы өріске қарсы бағытталады да қосыла отырып сыртқы магнит өрісін әлсірететін заттың магнит өрісін түзейді. Бұл құбылысты диамагниттік эффект деп атайды, ал сыртқы магнит өрісінде өріс бағытына қарсы магниттелетін заттар диамагнетиктер деп аталынады (Bi, Ag, Au, Cu, C, көптеген органикалық қоспалар).

Диамагнетизм барлық заттарға тән қасиет болғанымен, солардың кейбіреулерінде (жерде сирек кездесетін элементер, Pt, Al және т.б.) ол парамагниттік эффектпен басылады. Парамагниттік заттардың атомдары сыртқы магнит өрісінсіз-ақ магниттік моменті иеленеді. Бірақ молекулалардың жылулық қозғалысы салдарынан атомдардың магниттік моменттері ретсіз бағдарланады да бір-бірлерін жойады. Сыртқы магнит өрісіне еңгізілген парамагнетикте атомдардың көпшілігінің магниттік моменттері өріс бойымен бағдарланады. Сөйтіп, парамагнетик сыртқы өріспен бағыттас, демек оны күшейтетін меншікті магнит өрісін туғыздыра магниттеледі. Бұл құбылысты парамагниттік эффект деп атайды.

Магниттелудің сандық сипаттамасы ретінде заттың бірлік көлемінің

магниттік моменті алынады. Бұл векторлық шаманы магниттілік деп атайды.

Заттың ішіндегі магнит өрісі екі өрістен тұрады: вакуумдегі магниттеуші токтың тудыратын сыртқы өрісінен және магниттелетін заттағы молекулалық токтардың тудыратын өрісінен:

Молекулалық токтардың тудыратын өрісі магниттілікпен

.

ара катыспен байланысқан.

Сонда

Әлсіз өрістерде магниттілік магниттеуші өріс кернеулігіне тура пропорционал болатындығын тәжірибе көрсетеді:

,

мұндағы - заттың магниттік қабылдағыштығы деп аталатын өлшемсіз шама.

Сонда заттағы магнит өрісінің индукциясын мына түрде жазуға болады

,

мұндағы өлшемсіз шама - заттың магниттік өтімділігі болып табылады.

Заттар магнителу қасиеттері бойынша үшке бөлінеді:

1) диамагнетиктер үшін χ = –(10^-7–10^-4);

2) парамагнетиктер үшін χ = 10^-6–10^-3;

3) ферромагнетиктер үшін χ – жүз мыңға дейін жетеді.

Диамгнетиктердің қасиетері зат атомдарының (электрондардың) орбиталық магниттік моменттеріне байланысты болады. Сыртқы өріс жоқ кезде оның атомдарының моменттері (электрондардың реттсіз орналасуынан) нолге тең болады. Сыртқы өріс әсерінен электрондардың орбиталық моменттері сыртқы өріске қарсы орналасады, яғни өрісті кемітеді.

Парамагнетик молекулаларының нолден өзгеше магниттк моменттері болады.

Сыртқы өріс бұл молекулаларды өріс бойымен бағыттайды, яғни парамагнетик сыртқы өрісті күшейтеді. Ланжевен парамагниттердің магниттелуі үшін

өрнегін алды.

Заттағы магнит өрісі үшін толық ток заңы:

,

мұндағы мен - кез-келген тұйық контурмен қамтылатын макротоктар (өткізгіштік токтар) мен микротоктарға (молекулалық токтар) сәйкес.

Екі 1 және 2 заттың шекарасында және векторлары үшін төмендегі шарттар орындалады:

, , ,

Жоғарыда қарастырылған диа- және парамагнетиктерден басқа, күшті магниттелетін заттардың тағы бір тобы – ферромагнетиктер - бар. Ферромагнетиктер спонтанды (өз бетімен болатын) магниттілікті иеленеді, яғни олар сыртқы магнит өрісінсіз-ақ магниттеледі.

Ферромагнетиктік қасиет электрондардың спиндік магниттік моменттерімен анықталады. Спин таза кванттық шама, ол кванттық физика пәнінде толығырақ қарастырылады. Егер зат электрондарының барлық спиндері өріс бойымен бағытталса магниттелу мынаған тең болады:

Яғни, темір үшін χ=3·10⁴ болар еді. Ферромагнетиктердің магниттелуінің мынадай ерекшеліктері болады:

1) сыртқы өріске тәуелді;

2) заттың бұрынғы тарихына өте күрделі тәуелді болады;

3) сыртқы өріс нолге тең болғанда зат ішінде қалдық индукция қалады. Ферромагнетикті қыздрғанда оның магниттелу қасиетін жоғалтатын температура болады. Ол Кюри температурасы деп аталады. Ферромагнетизм жеке атом емес, атомдар тобының қасиеті. Ферромагнетизм сапалық жағынан былай түсіндіріледі. Кюри температурасынан төмен температурада поликристалдың микроскопиялық бөліктері (өлшемдері 10^-6–10^-8 см³ болатын және ≈10¹⁵ ионнан тұратын бөліктер), кванттық әсерлесудің нәтижесінде спиндері параллель орналасып, қанығу дәрежесіне дейін жетеді. Бұл бөліктер домендер деп аталады. Домендер өрісін жылулық қоғалыс бұза алмайды, себебі олардың өрісі өте үлкен 100Тл шамасында. Затты сыртқы өріске орналастырсақ домендер өріс бойымен орналаса бастайды. Бұл құбылыс микроскопиялы және секірмелі түрде жүреді. Өріс өте үлкен болса барлық домендер өріс бойымен бағытталады. Өрісті азайтқанда магнитсіздену сыртқы өрістен қалып қояды.

Магнит өрісін электромагниттер көмегімен жасайды. Электромагнит көбіне ферромагниттен жасалган магнит өткізгіштен және ток жүретін орамнан тұрады, магнит өткізгіш якорьмен тұйықталады. Электромагниттің көтеру күші мына теңдеумен анықталады:

Электромагниттің орамдарын қиып өтетін магнит ағынын табу үшін төмендегі теңдеуді қолданады:

 

Ферромагнетиктердің негізгі қасиеттері:

1. магниттік өтімділік өте үлкен мәндерге жетеді (10⁶ -ге дейін); 2. магниттік өтімділік сыртқы магнит өрісінің кернеулігіне тәуелді, яғни магниттілік және магнит өрісінің кернеулігі арасындағы байланыс сызықты емес функция;

2. магниттік гистерезис;

29.2-сурет

3. ферромагнетик өзінің ерекше қасиеттерінен айырылуына әкелетін сипатты температураның (Кюри нүктесі) бар болуы.