Тема 11. § 53. Магнітне поле в речовині

§ 53. Магнітне поле в речовині

Експериментальні дослідження показали, що усі речовини більшою чи меншою мірою мають магнітні властивості. Якщо два витки із струмами помістити в яке-небудь середовище, то сила магнітної взаємодії між струмами змінюється. Цей долід показує, що індукція магнітного поля, що створюється електричними струмами в речовині, відрізняється від індукції магнітного поля, що створюється тими ж струмами у вакуумі.

Фізична величина, що показує, в скільки разів індукція магнітного поля в однорідному середовищі відрізняється по модулю від індукції магнітного поля у вакуумі

називається магнітною проникністю:

. (3.62)

 

Магнітні властивості речовин визначаються магнітними властивостями атомів або елементарних частинок (електронів, протонів і нейтронів), що входять до складу атомів. Нині встановлено, що магнітні властивості протонів і нейтронів майже в 1000 разів слабкіше за магнітні властивості електронів. Тому магнітні властивості речовин в основному визначаються властивостями електронів, що входять до складу атомів.

Однією з найважливіших властивостей електрона є наявність у нього не лише електричного, але і власного магнітного поля. Власне магнітне поле електрона називають спіновим (spin - обертання). Електрон створює магнітне поле також і за рахунок орбітального руху навколо ядра, яке можна вважати круговим мікрострумом. Спінові поля електронів і магнітні поля, обумовлені їх орбітальними рухами, і визначають широкий спектр магнітних властивостей речовин.

Речовини украй різноманітні за своїми магнітними властивостями. У більшості речовин ці властивості виражені слабо.

Слабомагнітні речовини діляться на дві великі групи - парамагнетики і діамагнетики. Вони відрізняються тим, що при внесенні в зовнішнє магнітне поле парамагнітні зразки намагнічуються так, що їх власне магнітне поле виявляється спрямованим по зовнішньому полю, а діамагнітні зразки намагнічуються проти зовнішнього поля. Тому у парамагнетиків μ > 1, а у діамагнетиків μ < 1. Відмінність μ від одиниці у пара- і діамагнетиків надзвичайно мала. Наприклад, у алюмінію, який відноситься до парамагнетиків,
μ - 1 ≈ 2, 1·10^-5, у хлористого заліза (FeCl₃) μ - 1 ≈ 2, 5·10^-3. До парамагнетиків відносяться також платина, повітря і багато інших речовин. До діамагнетиків відносяться мідь
(μ - 1 ≈ - 3·10^-6), вода (μ - 1 ≈ - 9·^10-6), вісмут (μ - 1 ≈ - 1, 7·10^-3) і інші речовини. Зразки з пара- і діамагнетика, поміщені в неоднорідне магнітне поле між полюсами електромагніту, поводяться по-різному - парамагнетики втягуються в область сильного поля, діамагнетики - виштовхуються (рис 3.49).

Рисунок 3.49.
Парамагнетик (1) і діамагнетик (2) в неоднорідному магнітному полі.

Пара- і діамагнетизм пояснюється поведінкою електронних орбіт в зовнішньому магнітному полі. У атомів діамагнітних речовин у відсутність зовнішнього поля власні магнітні поля електронів і поля, що створюються їх орбітальним рухом, повністю компенсуються. Виникнення діамагнетизму пов'язане з дією сили Лоренца на електронні орбіти. Під дією цієї сили змінюється характер орбітального руху електронів і порушується компенсація магнітних полів. Власне магнітне поле атома, що виникає при цьому, виявляється спрямованим проти індукції зовнішнього поля.

Слід зазначити, що діамагнітні властивості мають атоми будь-яких речовин. Проте, у багатьох випадках діамагнетизм атомів маскується сильнішим парамагнітним ефектом. Явище діамагнетизму було відкрите М. Фарадеем (1845 р.).

Речовини, які здатні сильно намагнічуватися в магнітному полі, називаються феромагнетиками. Магнітна проникність феромагнетиків по порядку величини лежить в межах 10²-10⁵. Наприклад, у сталі μ ≈ 8000, у сплаві заліза з нікелем магнітна проникність досягає значень 250000.

До групи феромагнетиків відносяться чотири хімічні елементи: залізо, нікель, кобальт, гадоліній. З них найбільшу магнітну проникність має залізо. Тому уся ця група дістала назву феромагнетиків.

Феромагнетиками можуть бути різні сплави, що містять феромагнітні елементи. Широке застосування в техніці отримали керамічні феромагнітні матеріали - ферити.

Для кожного феромагнетика існує певна температура (так звана температура або точка Кюрі), вище за яку феромагнітні властивості зникають, і речовина стає парамагнетиком. У заліза, наприклад, температура Кюрі дорівнює 770 °C, у кобальту 1130 °C, у нікелю 360 °C.

Феромагнітні матеріали діляться на дві великі групи - на магнітно-м'які і магнітно-жорсткі матеріали. Магнітно-м'які феромагнітні матеріали майже повністю розмагнічуються, коли зовнішнє магнітне поле стає рівним нулю. До магнітно-м'яких матеріалів відноситься, наприклад, чисте залізо, електротехнічна сталь і деякі сплави. Ці матеріали застосовуються в приладах змінного струму, в яких відбувається безперервне перемагнічування, тобто зміна напряму магнітного поля (трансформатори, електродвигуни і т. п.).

Магнітно-жорсткі матеріали зберігають значною мірою свою намагніченість і після видалення їх з магнітного поля. Прикладами магнітно-жорстких матеріалів можуть служити вуглецева сталь і ряд спеціальних сплавів. Магнітно-жорсткі матеріали використовуються в основному для виготовлення постійних магнітів.

Магнітна проникність μ феромагнетиків не є постійною величиною; вона сильно залежить від індукції B₀ зовнішнього поля. Типова залежність μ від B₀ приведена на рисунку 3.50.

Рисунок 3.50.

Непостійність магнітної проникності призводить до складної нелінійної залежності індукції B магнітного поля у феромагнетику від індукції B₀ зовнішнього магнітного поля. Характерною особливістю процесу намагнічення феромагнетиків є так званий гістерезис, тобто залежність намагнічення від передісторії зразка. Крива намагнічення B (B₀) феромагнітного зразка являється петлею складної форми, яка називається петлею гістерезису (рис. 3.51).

Рисунок 3.51.

Петля гістерезису феромагнетика. Стрілками вказаний напрям процесів намагнічення і розмагнічування феромагнітного зразка при зміні індукції B₀ зовнішнього магнітного поля.

З малюнка 3.51 видно, що при настає магнітне насичення - намагніченість зразка досягає максимального значення.

Якщо тепер зменшувати магнітну індукцію B₀ зовнішнього поля і довести її знову до нульового значення, то феромагнетик збереже залишкову намагніченість - поле усередині зразка буде рівне B_r. Залишкова намагніченість зразків дозволяє створювати постійні магніти. Для того, щоб повністю розмагнітити зразок, необхідно, змінивши знак зовнішнього поля, довести магнітну індукцію B₀ до значення - B_0c, яке прийнято називати коерцитивною силою. Далі процес перемагнічування може бути продовжений, як це вказано стрілками на рисунку 3.51.

У магнітно-м'яких матеріалів значення коерцитивної сили B_0c невелике - петля гістерезису таких матеріалів досить " вузька". Матеріали з великим значенням коерцитивної сили, тобто що мають " широку" петлю гістерезису, відносяться до магнітно-жорстких.

Природу феромагнетизму можна пояснити тільки на основі квантових представлень. Якісно феромагнетизм пояснюється наявністю власних (спінових) магнітних полів у електронів. У кристалах феромагнітних матеріалів виникають умови, при яких, внаслідок сильної взаємодії спінових магнітних полів сусідніх електронів, енергетично вигідною стає їх паралельна орієнтація. В результаті такої взаємодії усередині кристала феромагнетика виникають намагнічені області розміром близько 10^-2-10^-4 см Ці області називаються доменами. Кожен домен представляє з себе невеликий постійний магніт. У відсутність зовнішнього магнітного поля напрями векторів індукції магнітних полів в різних доменах орієнтовані у великому кристалі хаотично. Такий кристал буде ненамагніченим. При накладенні зовнішнього магнітного поля відбувається зміщення меж доменів так, що об'єм доменів, орієнтованих по зовнішньому полю, збільшується. У сильному зовнішньому полі домени, в яких власне магнітне поле співпадає по напряму із зовнішнім полем, поглинають усі інші домени, і настає магнітне насичення. Рисунок 3.52 може служити якісною ілюстрацією процесу намагнічення феромагнітного зразка.

Рисунок 3.52.

Намагнічення феромагнітного зразка. (1) B₀ = 0; (2) B₀ = B₀₁; (3) B₀ = B₀₂ > B₀₁.