Изучение свойств ферромагнетиков

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 229

Теория

Всякое тело является МАГНЕТИКОМ, т.е. под действием магнитного поля оно приобретает магнитный момент (намагничивается). Магнитные свойства тел обусловлены магнитными свойствами элементарных частиц, входящих в состав атомов и молекул.

Согласно представлениям классической физики электроны в атомах движутся по замкнутым орбитам, что эквивалентно протекающим по круговым виткам микротокам силой:

I = (1)

 

где е - заряд электрона, V - его линейная скорость, r -радиус орбиты. Виток с током, а, следовательно, и вращающийся вокруг ядра электрон характеризуется магнитным моментом Рm

Он называется ОРБИТАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ и равен:

Р_m = IS = = (2)

Кроме того, у электронов и ядер установлено наличие СПИНОВЫХ МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ Рms, являющихся такими же неотъемлемыми свойствами их, как заряд и масса.

Магнитный момент атома или молекулы равен геометрической сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов

 

 

Р_m,ат = Р_{m i} (3)

 

(Магнитный момент ядра много меньше магнитного момента электрона и им пренебрегают). Геометрическая сумма магнитных моментов отдельных атомов или молекул определяет магнитный момент образца

 

 

Р_m,v = Р_{m, ат,i}

Магнитный момент единицы объема образца называется ВЕКТОРОМ НАМАЧЕННОСТИ I

 

 

I = Р_i =х Н₀

 

где х - безразмерная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности между вектором намагниченности образца и напряженностью намагниченного поля, которая называется МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ ВЕЩЕСТВА. В образце при этом возникает добавочное поле напряженностью:

H^/ = I

и напряженность результирующего поля оказывается равной

H= Н₀ + H^/

Введем вторую характеристику магнитного поля - вектор магнитной индукции В, связанный с Н соотношением B= 0 Н, где _о- магнитная постоянная. Использование формул (6), (7), (8) позволяет записать:

В = ₀(1+x) H₀,

или В= ₀ Н₀

 

Безразмерная величина = 1 + х является МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ вещества. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в среде отлична от магнитной индуктивности в вакууме В₀.

=

 

Все вещества по своим магнитным свойствам делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. В ДИАМАГНЕТИКАХ магнитные моменты атомов равны нулю в отсутствие поля. При внесении этих тел в магнитное поле в каждом атоме индуцируется магнитный момент Р_m, направленный в сторону противоположную вектору

напряженности Н₀ магнитного поля. Для этих тел х < О и < 1. К ним относятся атомы и ионы с заполненными оболочками: ионы F-, CI-, Na+, атомы благородных газов, атомы и ионы, которые сверх заполненной оболочки содержат еще два S-электрона с антипараллельными спинами, такие как Zn, Be, Са. К диамагнетикам относятся все органические вещества Диамагнетизм -универсальное свойство, характерное для -любого тела.

В случае пара- ферромагнетиков оно забивается более сильным и пара - или ферромагнитными эффектами. ПАРАМАГНИТНЫМИ называют вещества, магнитные моменты атомов которых отличны от нуля. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты расположены хаотически и I = О, тело не намагничено. При внесении образца в магнитное поле на магнитные моменты отдельных атомов со стороны поля действует сила, стремящаяся установить их по направлению поля, тепловое же движение, напротив, дезориентирует их. В результате устанавливается преимущественная ориентация

магнитных моментов вдоль поля Но тем большая, чем больше Н0 и чем меньше температура тела. Для этих тел X > 0 и характеризуется значениями, например, 0,4- 10-6 для калия и 3200 10-6для хлористого железа; пар. > 1.

К парамагнитным относятся вещества, атомы или ионы которых имеют один электрон сверх заполненной оболочки (например, атомы щелочных металлов), атомы переходных элементов, ионы редкоземельных элементов с незаполненными электронными оболочками и т.д. Парамагнитными свойствами обладают и свободные радикалы.

ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ТЕЛА образуют третий, особый класс магнетиков. Свое название они получили от наименования основного представителя этого класса веществ - железа. К ферромагнетикам относятся кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, эрбий, ряд сплавов и химических соединений. В отличие от диа - и парамагнетиков для ферромагнетиков >>1. (см. таблицу I), т.е. они сильно намагничиваются. Кроме того, ферромагнетики обладают рядом отличительных свойств:

 

мах

Рис. 2.

 

 

0 Н

 

1. Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от на­пряженности внешнего магнитно­го поля (см. рис.2 и таблицу I). С увеличением напряженности сначала возрастает, а затем, достигнув максимального значения мах, падает, стремясь при больших Н к единице.

2. Намагниченность I ферромагнетиков зависит от Н сложным образом, тогда как в случае слабомагнитных веществ (диа - и пара­магнетиков) I изменяется с напряженностью поля линейно. Из рис. 3 видно, что в слабых полях I резко возрастает с увеличением Н, затем рост I замедляется и, начиная с некоторого значения Н, намагниченность остается постоянной, равной Is, это явление носит название МАГНИТНОГО НАСЫЩЕНИЯ. Так как В= 0 (Н₀ + I), то в ферромагнетиках

является нелинейной и зависимость В от Н (рис.4): в слабых полях В возрастает резко, а в сильных, где I=Is изменяется по линейному закону. Кривая зависимости В от H называется ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧЕНИЯ

 

 

О Рис.3 Н

 

3. Важной особенностью ферромаг­нетиков является так называемый МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС: намагничен­ность, следовательно, и магнитная индукция зависят не только от на­пряженности магнитного поля в да­нный момент, но и от того, какая напряженность была раньше.

 

Если намагнитить ферромагнитный образец до насыщения (точка 1, рис.5), а

затем уменьшать напряженность намагничивающего поля, то магнитная индукция будет убывать по кривой 1-2, лежащей выше основной кривой намагничения (кривая 0-1,). При Н = 0 образец остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит с ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ IR и ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИЕЙ В_R. Полное размагничивание образца происходит под действием поля напряженностью Нc (т.З), имеющего направление, противоположное первоначальному. Величина Нc называется КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛОЙ. При дальнейшем увеличении этого поля возникает намагниченность обратного знака и вновь может быть достигнуто насыщение (точка 4). В

Проведя затем процесс в обратную сторону, можно

получить зам­кнутую кривую, которая называется