Введение. Все вещества являются магнетиками: намагничиваясь, они изменяют то поле, в которое помещены

Все вещества являются магнетиками: намагничиваясь, они изменяют то поле, в которое помещены. Индукция В ₀магнитного поля, созданного макроскопическим током в некоторой точке, изменяется в μ раз при заполнении пространства изотропным магнетиком:

 

(1)

 

Здесь μ – магнитная проницаемость магнетика.

Степень намагниченности магнетика принято характеризовать вектором намагниченности который по определению равен векторной сумме магнитных моментов всех молекул, содержащихся в единице объема магнетика. Связь между индукцией магнитного поля в магнетике, напряженностью магнитного поля и вектором дается выражением

 

. (2)

 

По своим свойствам магнетики делятся на 3 класса: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются в направлении, противоположном направлению вектора напряженности внешнего магнитного поля, и в случае неоднородного поля выталкиваются из него. Диамагнитный эффект является следствием явления электромагнитной индукции: при внесении образца в магнитное поле в каждом атоме (молекуле) вещества индуцируются токи, т.е. изменяется движение электронов. В соответствии с известным правилом Ленца магнитное поле индуцированных токов имеет направление, противоположное полю внешнему. Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам. Однако, во многих магнетиках он перекрывается более сильным парамагнитным или ферромагнитным эффектами. Диамагнетизм проявляется в том случае, когда магнитные моменты атомов, молекул или ионов вещества в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород, вода, бензол, стекло, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.

Магнитная проницаемость диамагнетиков меньше единицы, не зависит от температуры и напряженности внешнего магнитного поля. Так, для золота μ = 0, 999961, для меди μ = 0, 9999897.

Парамагнетики – вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению поля и втягиваются в него. Атомы (молекулы) парамагнитных веществ уже в отсутствие поля обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения частиц их магнитные моменты ориентированы беспорядочно – вещество не намагничено. При внесении парамагнетика во внешнее поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов по направлению поля. В результате парамагнетик усиливает внешнее магнитное поле. К парамагнетикам относятся воздух, эбонит, алюминий, вольфрам, платина, жидкий кислород и др. вещества. Магнитная проницаемость парамагнетиков немного больше единицы, она не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. Для воздуха μ = 1, 00000038, для алюминия μ = 1, 000023, а для жидкого кислорода μ = 1, 0034.

Ферромагнетиками называются такие вещества, в которых внутреннее магнитное поле в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле. Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов – железа, кобальта, никеля и у ряда сплавов.

Основные свойства ферромагнетиков состоят в следующем.

1.Зависимость намагниченности J от напряженности Н внешнего магнитного поля характеризуется наличием магнитного насыщения (т.е. с ростом Н намагниченность увеличивается до некоторого предельного значения). Это отражает рис. 1.

2. Магнитная проницаемость ферромагнетиков μ» 1 и сложным образом зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис. 2). Для различных марок сталей максимальное значение магнитной проницаемости лежит в пределах от 5500 до 30 000. Для железо-никелевого сплава – пермаллоя - максимальное значение μ равно 100 000.

Рис. 1 Рис. 2

 

3. Имеет место магнитный гистерезис – отставание изменения намагниченности от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля. Петлей гистерезиса называется кривая изменения намагниченности (или индукции магнитного поля) ферромагнетика, находящегося во внешнем магнитном поле, при изменении проекции вектора напряженности этого поля от + Н до -Н и обратно. Заметим, что за один цикл перемагничивания магнетика расходуется энергия, пропорциональная площади петли гистерезиса.

В результате гистерезиса образец ферромагнетика после снятия внешнего поля имеет остаточную намагниченность. Магнитная индукция В _о, сохраняющаяся в ферромагнетике после снятия внешнего поля (когда Н= 0), называется остаточной магнитной индукцией. Чтобы размагнитить ферромагнетик, нужно снять остаточную индукцию. Для этого необходимо приложить поле, противоположное вектору намагниченности. Напряженность магнитного поля Н _к, при которой магнитная индукция в образце становится равной нулю, называется коэрцитивной силой. Коэрцитивная сила определяет свойства ферромагнетика сохранять остаточную намагниченность. Большой коэрцитивной силой обладают " жесткие" магнитные материалы, дающие широкую петлю гистерезиса и используемые для создания постоянных магнитов. Малую коэрцитивную силу имеют мягкие магнитные материалы, дающие узкую петлю гистерезиса и используемые для изготовления сердечников трансформаторов. Свойство ферромагнетиков сохранять остаточную намагниченность широко используется для создания современных систем записи и хранения информации.

4. При намагничивании ферромагнетиков происходит небольшое изменение их линейных размеров, т.е. увеличение или уменьшение их длины с одновременным уменьшением или увеличением поперечного сечения. Это явление называется магнитострикцией. Оно используется для получения ультразвуковых колебаний с частотой до 100 кГц.

5. Ферромагнетик теряет свои свойства и переходит в парамагнитное состояние при температуре выше так называемой точки Кюри T _К. Для железа T _К = 770 ^оС, для никеля T _К= 358 ^оС, для кобальта T _К= 1140 ^оС.

Магнитные свойства атомов обусловлены в основном орбитальным движением электронов, а также наличием у электронов собственных (спиновых) магнитных моментов. При этом оказывается, что для многоэлектронного атома энергетически более выгодным состоянием является такое, когда магнитные моменты электронов компенсируют друг друга. Если в результате сложения магнитных моментов электронов полный магнитный момент атома окажется равным нулю, то соответствующее вещество будет диамагнитным. Ферромагнитными свойствами обладают кристаллы веществ, атомы которых имеют незаполненные электронами внутренние слои и подоболочки, в результате чего атомы обладают отличным от нуля значением спинового магнитного момента. Квантовомеханическое (так называемое, обменное) взаимодействие атомов при температуре Т< T _К приводит к тому, что энергетически выгодным становится состояние системы атомов при параллельно ориентированных их магнитных моментах. В результате образец ферромагнетика разбивается на макроскопические области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности – домены. Линейные размеры доменов – (10^-2 – 10^-1) мм. Внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения. Интересно отметить, что при линейных размерах 10^-2 мм домен ферромагнетика содержит фантастическое число атомов – около 10 ¹⁴, магнитные моменты которых сонаправлены.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы в пространстве так, что результирующий магнитный момент всего образца равен нулю. Это схематически показано на рис. 3, а, где изображены 4 домена одинакового объема. При включении внешнего поля энергии отдельных доменов оказываются неодинаковыми: энергия меньше для тех доменов, в которых вектор намагниченности образует с направлением поля острый угол, и больше в том случае, если этот угол тупой. Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией – уменьшается (рис. 3, б). При достаточной величине намагничивающего поля энергетически невыгодные домены исчезают вовсе (рис. 3, в). Если поле увеличивается еще больше, то проявляется новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитных моментов внутри доменов (рис. 3, г). Наконец, в очень сильных магнитных полях магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю – имеет место насыщение намагниченности (рис.3, д).

 

 

 

Рис. 3

 

Существование доменов в ферромагнетиках доказано различными опытами. Наиболее прямым является метод получения так называемых порошковых фигур. Если на хорошо отполированную поверхность ферромагнетика поместить слой жидкости, в которой взвешены мельчайшие крупинки ферромагнитного порошка (например, Fe₂О₃), то эти крупинки будут оседать преимущественно на те места, вблизи которых магнитное поле неоднородно. Но как раз вблизи границ доменов и возникают неоднородности поля. Таким образом, осевший порошок обрисовывает границы доменов. Их легко рассмотреть в микроскоп с небольшим увеличением. В данной лабораторной работе домены в тонкой пленке феррита наблюдаются с помощью микроскопа, в котором изображение формируется лучами поляризованного света.