Главная | Обратная связь

Магнітні властивості речовин

Магнітні властивості речовин визначаються магнітними властивостями атомів, що входять до їх складу. З погляду класичної фізики електрон, що рухається в атомі навколо ядра, створює орбітальний струм:

, (1)

де е – абсолютна величина заряду електрона; Т – період його обертання по орбіті. Цьому струмові відповідає орбітальний магнітний момент електрона:

, (2)

де S – площа орбіти; – одиничний вектор, перпендикулярний до площини орбіти, напрям якого можна визначити за правилом свердлика (рис. 1).

 

Крім орбітального магнітного момента, електронові притаманний ще власний (спіновий) магнітний момент . Магнітний момент атома

, (3)

де і − відповідно орбітальний і спіновий магнітні моменти і-го електрона в атомі; Z – порядковий номер атома в таблиці Менделєєва.

Речовини, магнітні моменти атомів (молекул) яких у відсутності зовнішнього магнітного поля дорівнюють нулю ( ), називаються діамагнетиками (дерево, мармур, скло, віск, нафта, вода, С, Р, Hg, Zn, Au, Ag, Cu, H₂, N₂, NaCl та ін.).

Речовини, магнітні моменти атомів (молекул) яких у відсутності зовнішнього магнітного поля не дорівнюють нулю ( ), називаються парамагнетиками (O₂, NO, солі рідкісноземельних металів і елементів групи заліза, лужні та лужноземельні метали і т.ін.). Деякі парамагнетики у твердому стані утворюють клас феромагнетиків (Fe, Co, Ni, їх сплави і окисли (ферити), деякі сплави марганцю і хрому).

У парамагнетиках в усіх агрегатних станах взаємодія між магнітними моментами атомів настільки слабка, що вони у відсутності магнітного поля орієнтуються абсолютно хаотично, внаслідок чого результуючий магнітний момент речовини дорівнює нулю (парамагнетик не намагнічений).

У феромагнетиках у твердому стані взаємодія між магнітними моментами атомів значно більша за енергію теплового руху, так що в деяких невеликих областях речовини (доменах) магнітні моменти матимуть певну переважну орієнтацію. Іншими словами, в речовині виникають області (домени) самочинного (спонтанного) намагнічення. Об’єм доменів (10^-8–10^-6) см³. У межах домену сумарний магнітний момент не дорівнює нулю, але внаслідок того, що орієнтація магнітних моментів у різних доменах довільна, сумарний магнітний момент феромагнетика при відсутності зовнішнього магнітного поля дорівнює нулю.

При внесенні атома в зовнішнє магнітне поле його магнітний момент орієнтується переважно у напрямку вектора напруженості магнітного поля . Крім того виникає додатковий прецесійний рух електронних орбіт навколо осі, що проходить через ядро атома паралельно векторові .

Цей рух зумовлює виникнення магнітного момента . Сумарний магнітний момент однорідного магнетика об’ємом дорівнює

. (4)

Тут к – номер атома речовини об’ємом ; N – кількість атомів у цьому об’ємі. Мірою намагніченості речовини є вектор намагніченості:

. (5)

Згідно із формулою (5) вектор намагніченості дорівнює магнітному моменту одиниці об’єму магнетика.

Для діамагнетиків (к=1,2,3,...,N). Отже, , де – кількість атомів в одиниці об’єму, або

, (6)

де – магнітна сприйнятливість. Вона залежить тільки від хімічної природи речовини і для діамагнетиків завжди від’ємна. Для типових діамагнетиків »10^-6.

Якщо в зовнішнє магнітне поле помістити парамагнетик, то перший доданок у рівнянні (4) не дорівнює нулю, і магнітна сприйнятливість речовини

,

де – парамагнітна складова, числове значення якої перебуває в межах (10^-5–10^-3), завжди додатна і обернено пропорційна температурі Т (така залежність парамагнітної складової сприйнятливості від температури зумовлена тим, що тепловий рух протидіє орієнтації магнітних моментів атомів строго в напрямку поля); – діамагнітна складова.

Оскільки <<1, діамагнітний ефект у парамагнетика можна не враховувати, тобто .

Процес намагнічення феромагнетика у зовнішньому магнітному полі проходить дві основні стадії. На першій стадії домени, які мають орієнтацію, ближчу до напрямку поля, збільшують об’єм за рахунок своїх сусідів (рис. 2, б). На другій стадії границі доменів зникають, і всі магнітні моменти узгоджено повертаються у напрямку поля (рис. 2, в). Намагнічення може відбуватися і за рахунок повертання доменів.

 

Магнітна сприйнятливість феромагнетиків залежить від напруженості магнітного поля. Якісно ця залежність показана на рис. 3. Максимальні значення магнітної сприйнятливості феромагнетиків дуже великі: (10³...10⁶).

 

Залежність модуля вектора намагнічення від напруженості поля для діа-, пара- і феромагнетиків показана на рис. 4.

Індукція магнітного поля в магнетику має дві складові:

або

, (7)

де 1+ = – відносна магнітна проникність речовини ( _діа<1, _пара>1, >>1).

Залежність В(Н) в діа- і парамагнетиках лінійна. У феромагнетиках вона має складний характер: В(Н) спочатку різко зростає, а коли J(H) досягає постійного значення J_нас , В(Н) зростає лінійно.

Крива ОА називається початковою кривою намагнічення (рис. 4 і 5). Якщо після досягнення насичення почати зменшувати напруженість зовнішнього магнітного поля, то спостерігається “відставання” зміни індукції магнітного поля В від зміни напруженості Н. Таке явище називається гістерезисом. Внаслідок гістерезису при Н=0 В=В_з¹0 (рис. 5), тобто феромагнетик залишається намагніченим. Щоб його розмагнітити, треба прикласти магнітне поле протилежного напрямку (–Н_к). Н_к називається коерцитивною силою. Залежно від величини Н_к матеріали називаються магнітном’якими (Н_к<800 ) або магнітнотвердими (Н_к>4000 ).

 

 

При циклічній зміні напруженості поля Н магнітна індукція В (або J) буде змінюватись теж циклічно. Внаслідок явища гістерезису при циклічному перемагнічуванні феромагнетика графік В(Н) (або J(Н)) буде мати вигляд замкненої кривої, яка називається петлею гістерезису (рис. 5).

Для кожного феромагнетика існує деяка температура Т_с, при якій руйнуються домени і матеріал набуває властивостей парамагнетика. Ця температура називається точкою Кюрі. Наприклад, для заліза Т_с=768 °С (температура плавлення заліза 1530 °С).

Перелічені властивості феромагнетиків визначають можливості їх використання. Феромагнетики з великими значеннями і малими Н_к використовуються як осердя трансформаторів, котушок індуктивності, електромагнітів, магнітнотверді феромагнетики з великими значеннями В_з − для виготовлення постійних магнітів, феромагнетики з прямокутною петлею гістерезису − для виготовлення магнітних носіїв інформації.

Для зняття початкової кривої намагнічування і петлі гістерезису найчастіше використовуються два методи: імпульсно-індукційний і у змінних магнітних полях із використанням електронного осцилографа.