Диа-, пара- и ферромагнетики

Магнитными свойствами обладают все вещества, поэтому термин «магнетики» применим ко всем без исключения материалам. Посмотрим, как магнитное поле действует на движущиеся заряды (электроны) в молекулах и атомах вещества.

Электрон, вращающийся вокруг ядра атома по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона (рис.34). Поскольку это движение аналогично круговому току, возникает магнитное поле и движение электрона можно охарактеризовать орбитальным магнитным моментом .

Вектор орбитального магнитного момента Р_m атома равен векторной сумме орбитальных моментов отдельных электронов, входящих в атом , где Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева.

Независимо от орбитального движения электроны являются источниками магнитного поля, так как они «вращаются вокруг собственной оси», т. е. обладают собственным моментом импульса (спином).

Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам вокруг ядра и собственным моментом импульса (рис.13.1). Кроме того, ядро атома обладает собственным магнитным моментом.

При внесении магнетика во внешнее магнитное поле происходит изменение его свойств, т.е. магнетик намагничивается. Намагниченный магнетик создает собственное магнитное поле с индукцией В', которое складывается с внешним магнитным полем, индукция которого В₀. Вектор магнитной индукции В в магнетике определяется по принципу суперпозиции: = ₀ + '.

Индукция ' собственного магнитного поля зависит как от ₀, так и от магнитной восприимчивости c вещества: ' = c ₀. Тогда

= ₀ + c ₀= ₀(1 + c). (13.1)

Магнитная индукция поля внутри магнетика зависит от магнитной проницаемости вещества:

= m ₀. (13.2).

Из сопоставления формул (13.1) и (13.2) следует, что m =1 + c.

При наложении внешнего магнитного поля происходит упорядочение направлений векторов магнитных моментов р_т отдельных атомов или молекул магнетика, в результате чего макроскопический объем приобретает определенный суммарный магнитный момент. Магнитные свойства магнетика характеризуются вектором намагничения – величиной, равной отношению магнитного момента тела к его объему:

где n – число атомов или молекул, входящих в объем.

Различают диамагнетики (m <1), парамагнетики (m >1) и ферромагнетики (m >> 1).

Диамагнетики. У большинства атомов диамагнетиков нет собственного магнитного момента, его магнитный момент индуцирован внешним полем. Во внешнем поле атомы приобретают магнитные моменты, направленные противоположно внешнему полю (m <1). Диамагнетиками являются вода, мрамор, некоторые металлы, например золото, ртуть, медь, инертные газы.

Парамагнетики. Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля собственные магнитные моменты. В отсутствие магнитного поля эти моменты расположены хаотически, поэтому вектор намагничения равен нулю. При внесении парамагнетика в магнитное поле магнитные моменты отдельных атомов или молекул ориентируются вдоль линий В, так что собственное поле парамагнетика усиливает внешнее магнитное поле. Если такой эффект существует, то он играет значительную роль и всегда преобладает над диамагнетизмом (m > 1). Парамагнетиками являются щелочные металлы, кислород, алюминий, платина, оксиды марганца, азота.

Ферромагнетики. Предельным случаем парамагнетизма является ферромагнетизм. В соответствии с квантовой теорией в некоторых веществах возникают области, имеющие значительные магнитные моменты. Эти области получили название доменов. В отсутствие поля распределение направлений магнитных моментов доменов имеет случайный характер. У ферромагнетиков m зависит от внешнего магнитного поля, т. е. между В и Н, связанных между собой соотношением , существует нелинейная зависимость. Зависимость В от Н для ферромагнетиков можно изобразить кривой, называемой «петля гистерезиса» (рис. 13.2).

В_r –остаточная индукция (индукция при Н =0). Напряженность магнитного поля, при которой В= 0, называют задерживающей или коэрцитивной силой H_К. В зависимости от значения коэрцитивной силы ферромагнетики делят на мягкие и жесткие.

Мягкие ферромагнетики имеют узкую петлю гистерезиса и малые значения коэрцитивной силы. Для жестких ферромагнетиков характерны широкая петля гистерезиса и соответственно большие значения коэрцитивной силы. К мягким ферромагнетикам относят железо, пермаллой и другие материалы. Из мягких ферромагнетиков изготовляют сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей. Из жестких ферромагнетиков, к которым относятся сталь и ее сплавы, изготовляют постоянные магниты.

При возрастании температуры намагничение ферромагнетиков уменьшается, они теряют свои ферромагнитные свойства и превращаются в парамагнитные вещества.

Для каждого ферромагнитного материала есть своя температура перехода, называемая точкой Кюри Т_К, так, например, для Fe Т_К =1043 К, для Ni Т_К =631 K.