1. Моя освіта – реферати, конспекти, доповіді
  2. Фізика
  3. Типи магнетиків

Типи магнетиків

На відміну від діелектриків, які завжди зменшують напруженість електричного поля, магнетики можуть, як зменшувати індукцію зовнішнього магнітного поля (для цих речовин магнітна сприйнятливість негативна χ <0, проникність менше одиниці μ <1), так її і збільшувати (для цих речовин χ> 0, а μ> 1), причому в деяких випадках досить значно (для них μ >> 1).

У всіх випадках зміна магнітного поля обумовлено появою струмів намагніченості. Іншими словами принцип суперпозиції для магнітного поля залишається справедливим: поле всередині магнетика є суперпозицією зовнішнього поля B⃗ 0 B → 0 і поля B⃗ ‘B →’ струмів намагнічування i ‘, які виникають під дією зовнішнього поля. Якщо поле струмів намагніченості направлено так само, як і зовнішнє поле, то індукція сумарного поля буде більше зовнішнього поля (Рис. 71. а) – в цьому випадку ми говоримо, що речовина підсилює поле; якщо ж полі струмів намагніченості направлено протилежно зовнішньому полю, то сумарне поле буде менше зовнішнього поля (Рис. 71.б) – саме в цьому сенсі ми говоримо, що речовина послаблює магнітне поле.

Розглянемо коротко основні класи магнетиків та механізми їх намагнічування.

Діамагнетик.

Діамагнетиками називаються речовини, молекули яких не володіють власним магнітним моментом. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах і молекулах наводиться (індукується) магнітний момент, направлений протилежно вектору індукції зовнішнього поля. Такий напрям індукованого магнітного моменту призводить до того, що Діамагнетик виштовхуються з магнітного поля. Як виникають сили, що діють на речовину з боку магнітного поля, ми розглянемо трохи пізніше.

Підкреслимо, що діамагнітний ефект властивий всім речовинам без винятку, однак у багатьох випадках він маскується іншими більш сильними магнітними явищами.

Детальний механізм виникнення магнітного моменту кілька різний для різних видів речовин (атомів, багатоатомних молекул, кристалів) і коректно пояснюється тільки в рамах квантової теорії будови речовини. Не претендуючи на кількісну відповідність результатів розрахунків і експериментальних даних, якісно зрозуміти механізм виникнення магнітного моменту можна і в рамках класичної фізики.

Нехай в деякому атомі два електрони обертаються по однаковим кругових орбітах в протилежні сторони (Мал. 72). На електрони діє кулонівська сила з боку ядра, яка і забезпечує доцентрове прискорення електронів. Кожен з рухомих електронів являє собою круговий струм, який володіє магнітним моментом. Зрозуміло, що в даній моделі, так як електрони обертаються в протилежних напрямках, сумарний магнітний момент даної системи дорівнює нулю. Якщо ж цей атом помістити в магнітне поле (для простоти перпендикулярне площини орбіт), то на рухомі електрони почне діяти сила Лоренца (Мал. 73), причому ця сила для одного електрона буде спрямована до центру кола, а для іншого – від центру. Ці сили змінять швидкості руху електронів [1]: швидкість одного зросте, а іншого зменшиться, в результаті чого магнітні моменти електронів змінюватися, а атом в цілому придбає магнітний момент, направлений протилежно зовнішньому полю.

Завдання для самостійної роботи.

Нехай в рамках розглянутої моделі при включенні зовнішнього магнітного поля модулі швидкості електронів не змінилися, а змінилися
тільки радіуси їх орбіт. Знайдіть величину індукованого магнітного моменту атома.

Припустимо, що в даній моделі при включенні магнітного поля радіуси орбіт електронів не змінилися, а змінилися швидкості електронів. Знайдіть величину індукованого магнітного моменту атома в цьому випадку. Найважливіше – переконайтеся, що вектор індукованого моменту спрямований убік протилежну зовнішньому полю. Параметри моделі задайте самостійно.
Діамагнетиками з подібним механізмом намагнічування є інертні гази, газоподібний водень. Діамагнітний ефект для них надзвичайно малий, їх магнітна проникність становить величину порядку χ ≈ – (10-8 -10-6) залежно від їх концентрації.

Діамагнітними властивостями володіють також ряд молекулярних кристалів. Помітна негативна магнітна проникність спостерігається для ароматичних сполук (наприклад, бензол, нафталін). Причому для них істотна анізотропія магнітної сприйнятливості. Цей ефект також якісно зрозумілий: ароматичні молекули є плоскими, тому індукований магнітний момент істотно залежить від того, як направлено зовнішнє магнітне поле перпендикулярно площині молекули (в цьому випадку він максимальний), або вздовж цієї площини (коли індукований момент мінімальний).

Так для кристала нафталіну, молекули якого складаються з двох бензольних кілець (Рис. 74), магнітна сприйнятливість змінюється в чотири рази при зміні напрямку магнітного поля: χ1 = -1,6 · 10-4 для поля перпендикулярного площині молекули, χ2 = -0 , 4 · 10-4 для поля паралельного площині молекули. Високе значення магнітної сприйнятливості цих молекул пов’язано з тим, що частина електронів «оббігає» периферію кілець і описують орбіти великих радіусів.

У деяких твердих речовинах таких як, наприклад, графіт, вісмут, олово, також спостерігається сильно анізотропний діамагнітний ефект, пов’язаний з виникненням в магнітному полі замкнутих електронних орбіт, що охоплюють багато атомів. Наприклад, для кристала графіту магнітна сприйнятливість змінюється від χ1 = -6 · 10-6 до χ2 = -2,6 · 10-4.

Для більшості діамагнетиків намагніченість пропорційна індукції зовнішнього поля, тобто для них формула (6) виконується з високою точністю, при χ = const. Крім того, їх сприйнятливість (і відповідно, магнітна проникність) практично не залежать від температури.

Завдання для самостійної роботи.

Ознайомтеся зі структурою кристала графіту. Вкажіть, при якої орієнтації поля його магнітна сприйнятливість максимальна, а для якої мінімальна.
Якщо продовжити нашу постійну аналогію між магнетизмом і електрикою, то аналогом діамагнетиків є неполярні діелектрики. Молекули цих діелектриків не володіють власним дипольним електричним моментом, але під дією поля індукується електричний момент, спрямовані проти зовнішнього поля, що і призводить до зменшення останнього. Для цих речовин діелектричні властивості також слабкі. Правда, все діелектрики, у тому числі й неполярні, втягуються в область більш сильного електричного поля.

 Парамагнетики.

Парамагнетики – речовини, молекули, яких володіють власним магнітним моментом. У зовнішньому магнітному полі парамагнетики намагнічуються по напрямку зовнішнього поле, що призводить до посилення останнього.

У відсутності магнітного поля магнітні моменти атомів і молекул внаслідок теплового руху орієнтовані хаотично, тому їх середня намагніченість дорівнює нулю (рис. 75). При накладенні зовнішнього магнітного поля на атоми і молекули починає діяти момент сил, прагнучий повернути їх так, щоб магнітний момент був орієнтований паралельно полю. Поведінка контуру зі струмом у магнітному полі ми розглядали раніше, при визначенні вектора індукції поля. Орієнтація молекул парамагнетика призводить до того, що речовина намагнічується, тобто набуває магнітний момент.

Таким чином, магнітне поле, створюване індукованим магнітним моментом направлено так само, як і зовнішнє поле. Тобто, парамагнетики підсилюють зовнішнє поле. Пізніше ми покажемо, що вказане намагнічування призводить до того, що парамагнетики втягуються в область більш сильного магнітного поля.

У всіх речовинах крім орієнтації молекул в магнітному полі, індукується магнітний момент, направлений протилежно зовнішньому полю, тобто присутній діамагнітний ефект. Однак, намагніченість, що виникає завдяки орієнтації, значно перевищує діамагнітний ефект.

Строго кажучи, поведінка молекул, що володіють власним магнітним моментом, в магнітному полі значно складніше, описаного вище. Справа в тому, що такі атоми і молекули у вільному стані володіють і власним моментом імпульсу (механічним моментом) L⃗ L →. Тому їх поведінка подібна до поведінки обертового дзиги (для тих, хто не забув дитинство – дзиґи). Якщо на дзига діє момент зовнішніх сил, то його вісь починає описувати конус, тобто прецессировать навколо вектора індукції поля (Рис. 76). Тому осі прецесії всіх молекул збігаються. Саме такий рух молекул призводить до виникнення намагнічування речовини. Зауважимо, що прецесія молекул в магнітному полі називається прецесією Лармора, на честь французького вченого, вперше описав це явище.

Повної орієнтації молекул в магнітному полі перешкоджає їх тепловий рух, тому магнітна сприйнятливість парамагнетиків залежить від температури. Очевидно, що зі зростанням температури магнітна сприйнятливість парамагнетиків зменшується.

У не надто сильних магнітних полях частка орієнтованих молекул, а, отже, і намагніченість речовини J⃗ J → приблизно пропорційна індукції поля B⃗ B →, тобто формула (6) виконується. Якщо ж індукція магнітного поля велика настільки, що практично всі молекули зорієнтовані, то подальше збільшення індукції поля не призводить до зростанню намагніченості – з’являється ефект насичення. У такій ситуації магнітна сприйнятливість є функцією від індукції поля і зменшується при зростанні індукції зовнішнього поля.

Описаний механізм намагнічування притаманний ряду газів (наприклад, кисень, азот), розчинів деяких солей (в яких парамагнетизм обумовлений наявністю власних магнітних моментів у іонів металів, наприклад, хром Cr3 +, мідь Cu2 +, неодим Nd3 +).

Дещо інший механізм намагнічування реалізується в багатьох металах (наприклад, літій, натрій, магній, алюміній та ін.). Більшість фізичних властивостей металів (таких як високі теплопровідність і електропровідність, характерний металевий блиск) обумовлено наявністю в кристалах значного числа вільних електронів. Як вже було зазначено, кожен електрон володіє власним механічним моментом (який також називається спін) і пов’язаним з ним власним магнітним моментом. Парамагнетизм цих речовин пояснюється орієнтацією вільних електронів в магнітному полі. Характерні значення магнітної сприйнятливості (позитивної!) Для металів рівні χ ≈ 10-5 – 10-4.

Важливо підкреслити, що магнітні властивості речовин у твердому стані залежать не тільки від їх хімічного складу, але і від структури кристалічної решітки. Яскравим прикладом, що підтверджує це твердження, є олово. Відомі дві модифікації цього металу в твердому стані: біле олово є парамагнетиків, а сіре – діамагнетиком.

Електричним аналогом парамагнетиков є полярні діелектрики – речовини, молекули яких володіють власним дипольним електричним моментом. Поляризація цих речовин обумовлена ​​орієнтацією молекул в електричному полі. Однак, і в цьому випадку не обійшлося без принципових відмінностей: полярні діелектрики послаблюють зовнішнє електричне поле, а парамагнетики – підсилюють зовнішнє магнітне поле.

Ферромагнетики

Відкриття, перші дослідження і застосування магнетизму пов’язані з досить унікальними магнітними властивостями такого поширеного речовини як металеве залізо. Сама назва цього класу магнітних матеріалів походить від латинського імені заліза – Ferrum. Головна особливість цих речовин полягає в здатності зберігати намагніченість у відсутності зовнішнього магнітного поля, всі постійні магніти належать до класу ферромагнетиков. Крім заліза феромагнітними властивостями володіють його «сусіди» по таблиці Менделєєва – кобальт і нікель. Ферромагнетики знаходять широке практичне застосування в науці і техніці, тому розроблено значну кількість сплавів, що володіють різними феромагнітними властивостями.

Зверніть увагу – всі наведені приклади феромагнетиків відносяться до металів перехідної групи, що електронна оболонка яких містить дещо не спарених електронів, що і призводить до того, що ці атоми володіють значним власним магнітним моментом. У кристалічному стані завдяки взаємодії [2] між атомами в кристалах виникають області мимовільної (спонтанної) намагніченості – домени. Розміри цих доменів складають десяті й соті частки міліметра (10-4 – 10-5 м), що значно перевищує розміри окремого атома (10-9 м). У межах одного домену магнітні моменти атомів орієнтовані строго паралельно, орієнтація магнітних моментів інших доменів при відсутності зовнішнього магнітного змінюється довільно (Ріс.77). Таким чином, і в НЕ намагніченому стані всередині феромагнетика існують сильні магнітні поля, орієнтація яких при переході від одного домену до іншого змінюється випадковим хаотичним чином. Ці внутрішні поля виявлені експериментально. Окремі домени можна побачити за допомогою мікроскопа, якщо на поліровану поверхню заліза нанести незначну кількість дрібного залізного порошку, то його частку розташовуються по межах доменів, що і робить їх видимими. Якщо розміри тіла значно перевищують розміри окремих доменів, то середнє магнітне поле, створюване доменами цього тіла, практично відсутня.

При приміщенні феромагнетика в зовнішнє магнітне поле відбувається орієнтація магнітних моментів цілих доменів (всіх атомів одночасно), тому навіть відносно слабкі магнітні поля призводять до практично повної орієнтації магнітних моментів всіх атомів. Тому магнітна проникність феромагнетиків досягає декількох тисяч і десятків (μ ≈ 103 – 104).

Як і для парамагнетиків, орієнтації магнітних моментів перешкоджає тепловий рух, тому магнітні властивості феромагнетиків сильно залежать від температури. Більше того, для кожного феромагнетика існує значення температури, при якому доменна структура повністю руйнується, і феромагнетик перетворюється на парамагнетик. Це значення температури називається точкою Кюрі. Так для чистого заліза значення температури Кюрі приблизно дорівнює 900 ° C.

Процес намагнічування феромагнетиків істотно відрізняється від намагнічування діамагнетиків і парамагнетиків. Якісно опишемо його.

Нехай спочатку не намагнічений залізний брусок поміщається в магнітне поле, індукцію якого будемо повільно змінювати. На рис. 78 схематично показана залежність його намагніченості J від індукції зовнішнього магнітного поля B. При включенні магнітного поля і збільшенні його індукції зростає і намагніченість зразка (крива 0-1 на мал.). Навіть для НЕ намагніченого зразка та слабкого магнітного залежність намагніченості від індукції поля є нелінійною. Спочатку при зростанні індукції магнітна сприйнятливість зростає, досягає максимального значення, а потім спадає до нуля. Такий вид залежності пояснюється доменною структурою – при слабкому зовнішньому полі переорієнтуються тільки домени малих розмірів, в сильному полі всі магнітні моменти виявляються повністю орієнтованими, тому подальше збільшення поля не призводить до зростанню намагніченості: намагніченість досягає граничного значення (намагніченість насичення Jнас. – Точка 1 на графіку), а сприйнятливість прагне до нуля. Якщо після досягнення насичення почати зменшувати індукцію зовнішнього поля, то намагніченість також почне зменшуватися (ділянка 1-2 на графіку). Однак залежність J (B0) буде відрізнятися від цієї ж залежності при намагнічуванні – при розмагнічування буде проявлятися «ефект запізнювання», магнітні моменти доменів частково зберігають первісну орієнтацію, намагніченість виявляється більше (крива розмагнічування 1-2 лежить вище кривої намагнічування 0-1). Навіть при повному знятті зовнішнього поля зразок залишається частково намагніченим (точка 2), намагніченість зразка при вимкненому зовнішньому полі називається залишковою Jост .. Саме наявність залишкової намагніченості феромагнетиків уможливлює існування постійних магнітів, які і є феромагнітними тілами із залишковою намагніченістю, що зберігається у відсутності зовнішніх полів.

Якщо до даної зразком із залишковою намагніченістю прикласти зовнішнє поле, вектор індукції якого спрямований протилежно вектору намагніченості (на малюнку, відповідні значення індукції негативні), то намагніченість зразка зменшуватиметься (ділянка 2-3). Значення індукції зовнішнього поля, при якому зразок виявляється повністю розмагніченим, називається коерцитивною силою Bкоер. (точка 3). При подальшому збільшенні модуля індукції поля процес повториться – зразок досягне насичення в протилежному напрямку (точка 4), при зміні зовнішнього поля намагніченість зразка буде описуватися кривої 4-5-6-1.

Таким чином, для феромагнетика намагніченість визначається не тільки намагнічує полем, але передісторією зразка. Це явище називається магнітним гістерезисом [3], а розглянута залежність намагніченості від зовнішнього поля – петлею гистерезиса.

Вид кривої намагнічування (петлі гістерезису) істотно розрізняється для різних феромагнітних матеріалів, які знайшли дуже широке застосування в наукових і технічних додатках. Деякі магнітні матеріали мають широку петлю з високими значеннями залишкової намагніченості і коерцитивної сили, вони називаються магнітно-жорсткими і використовуються для виготовлення постійних магнітів. Для інших феромагнітних сплавів характерні малі значення коерцитивної сили, такі матеріали легко намагнічуються і перемагнічуватися навіть у слабких полях. Такі матеріали називаються магнітно-м’якими і використовуються в різних електротехнічних приладах – реле, трансформаторах, магнитопроводах та ін.

Крім того, що магнітні властивості феромагнетиків залежать від температури, вони також можуть помітно змінюватися під дією механічних навантажень. Для монокристалічних зразків магнітна сприйнятливість залежить від напрямку магнітного поля (магнітна анізотропія).

Відомі діелектрики з дуже високим значення діелектричної проникності, обумовленим великим значенням дипольного моменту молекул – цей клас діелектриків називається сегнетоелектриками. Для них також характерне виникнення доменної структури (областей з однаково орієнтованими електричними дипольними моментами). Поведінка цих речовин в електричному полі аналогічно поведінці феромагнетиків в магнітному полі, для них спостерігаються аналогічні ефекти: нелінійна залежність поляризації від напруженості зовнішнього поля, наявність залишкової поляризації, петлі гістерезису. Для сегнетоелектриків також існує точка Кюрі – температура, при якій руйнується доменна структура і сегнетоелектрик стає звичайним полярним діелектриком.

Також відзначимо, що явища гістерезису (відставання, запізнювання) притаманні не електричним (в сегнетоелектриках) і магнітним (у феромагнетиках) явищам. Подібні явища існують і в інших галузях фізики, навіть в механіці. Типовим прикладом гістерезису може служити залежність деформація металевого дроту від прикладеного навантаження (Мал. 79). Якщо до дроту підвішувати збільшуються вантажі, то її деформація Δl спочатку буде зростати пропорційно прикладеною силі, при подальшому збільшенні навантаження деформація буде зростати повільніше (ділянка 0-1), при зменшенні навантаження деформація буде зменшуватися за іншим законом (ділянка 1-2) і при повному знятті навантаження дріт залишиться частково деформованої (з’явиться «залишкова» деформація – точка 2). В цілому ця залежність вельми нагадує вид петлі магнітного гистерезиса.

Нарешті, ще більш простий приклад гістерезису: тіло кинуто вертикально вгору, залежно модуля його швидкості від висоти підйому будуть різні при підйомі і при падінні (при обліку опору повітря, звичайно).

В усіх наведених прикладах наявність гістерезису свідчить про деякі необоротних процесах, що протікають в розглянутій системі.

ПОДІЛИТИСЯ: