Причина намагничивания веществ

 

Любое магнитное поле связано с током (направленным движением заряженных частиц). Таким элементарным током в любой среде можно рассматривать электрон, движущийся в атоме.

Вращаясь по орбите, электрон обладает

орбитальным механическим моментом импульса :

,

где m_e – масса электрона, u − скорость движения электрона по орбите, r – радиус орбиты.

С другой стороны, вращаясь по круговой орбите вокруг ядра, электрон обладает

орбитальным магнитным моментом :

где I = ev – элементарный круговой ток, создаваемый электроном;

v − частота обращения электрона;

u = 2prv − скорость движения электрона.

Кроме того, вращаясь вокруг собственной оси, электрон обладает спином (собственный механический момент импульса) и спиновым магнитным моментом .

Общий магнитный момент атома равен сумме орбитального и спинового магнитных моментов всех электронов,

входящих в состав атома:

Суммарный магнитный момент атомов в произвольном объёме вещества может равняться нулю вследствие хаотичности расположения отдельных моментов. Во внешнем поле, вследствие ориентации атомарных моментов, возникает состояние намагниченности

Гиромагнитное отношение орбитальных моментов - это отношение магнитного момента электрона к его механическому моменту:

Гиромагнитное отношение спиновыхх моментов (магнетон Бора):

Наличие у электронов магнитного и механического моментов позволяет предположить, что при вращении магнетик должен намагничиваться, а при намагничивании вращаться. Одно и другое явления были подтверждены экспериментально в опытах Эйнштейна – де Хааса и Барнетта

 

Типы магнетиков

Любое вещество способно намагничиваться (приобретать магнитный момент) под действием внешнего магнитного поля.

Количественной мерой интенсивности намагниченности вещества является вектор намагниченности , численно равный магнитному моменту единицы объёма магнетика. Вектор намагниченности прямо пропорционален индукции внешнего поля:

c - магнитная восприимчивость вещества.

Полная индукция в веществе равна

Индукция внутреннего поля, связанного с намагничиванием вещества:

Тогда →

Диамагнетики – это вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле против направления поля. Они незначительно ослабляют внешние магнитные поля, поэтому значения их магнитной восприимчивости отрицательны и невелики (10^-4 ¸ 10^-6).

К диамагнетикам относятся инертные газы, вода, углерод, Cu, Zn, Ag, Sb, Au, Hg, Pb, Bi и многие соединения, суммарный магнитный момент которых равен нулю.

Диамагнетизм проявляется в том, что диамагнетики выталкиваются из неоднородного магнитного поля, а в однородном поле протяжённый диамагнитный стержень стремится ориентироваться в направлении перпендикулярном силовым линиям поля.

 

Парамагнетики – это вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению поля.

Парамагнетиками являются Mg, Al, Ca, Cr, Mn, Pt, O, соли железа, кобальта, никеля и другие вещества.

В отсутствие внешнего поля, вследствие теплового движения, собственные магнитные моменты атомов и молекул ориентированы хаотически и намагничивания не наблюдается. Во внешнем поле намечается ориентация собственных магнитных моментов параллельно силовым линиям поля с его усилением.

Парамагнетизм проявляется в том, что парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле, а в однородном поле протяжённый парамагнитный стерженёк стремится ориентироваться параллельно силовым линиям внешнего поля.

При нагревании парамагнетика ослабевает степень ориентации собственных магнитных моментов молекул и уменьшается магнитная восприимчивость.

 

Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества, которые имеют очень большие значения магнитной восприимчивости (10² ¸10⁶) и могут находиться в намагниченном состоянии даже в отсутствие внешних магнитных полей.

К ферромагнетикам относятся химические элементы Fe, Ni, Co, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, а также некоторые их сплавы,

Намагничивание ферромагнетиков сложным образом зависит от характеристик внешнего поля. В слабых полях быстро растёт, опережая линейную зависимость. Однако при достаточно больших значениях напряжённости внешнего поля рост намагничивания замедляется и модуль асимптотически приближается к значению насыщения .

Это объясняется тем, что в ферромагнетиках существуют локальные области спонтанного намагничивания - домены, в пределах которых собственные магнитные моменты всех атомов одинаково направлены.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому в целом ферромагнетик может быть не намагниченным (рис. а).

При внесении ферромагнетика в магнитное поле и по мере роста его напряжённости, происходит постепенная ориентация доменов в направлении силовых линий поля. При этом в первую очередь ориентируются домены, угол между магнитным моментом и напряжённостью поля которых наименьший. Быстро растёт индукция магнитного поля в ферромагнетике (рис. б), достигая насыщения к моменту ориентации всех доменов в направлении внешнего поля (рис. в).

Снятие внешнего поля, обычно, не приводит к полной дезориентации в направлениях магнитных моментов доменов (рис. г).

Это обусловливает остаточную намагниченность (В₀) ферромагнетика, придавая ему свойства постоянного магнита.

Магнитный гистерезис – это явление, при котором процесс размагничивания отстает от процесса намагничивания.

Коэрцитивная сила - это напряжённость внешнего поля Н_к, котороенеобходимо приложить для полного размагничивания ферромагнетика, Величина коэрцитивной силы определяет площадь петли гистерезиса и степень «жёсткости» ферромагнетика.

Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе по перемагничиванию ферромагнетика

Для изготовления постоянных магнитов используют «жёсткие» стали (с большой коэрцитивной силой, то есть с широкой петлей гистерезиса), а для сердечников катушки с переменным током применяют «мягкие» материалы, например пермаллой - сплав железа с никелем.

Точка Кюри – это температура, при которой происходит разрушение доменной структуры и ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

 

Размагнитить постоянный магнит (снять остаточную намагниченность) можно любым способом, который приводит к дезориентации направленности доменов и ли к разрушению доменной структуры:

1. поместить ферромагнетик в убывающее по величине переменное магнитное поле (в катушку с убывающим до нуля переменным током);

2. сильно постучать по нему молотком;

3. нагреть выше температуры Кюри.