ФИЗИКА

3.6.5. Диа-пара- и ферромагнетики

Все вещества являются магнетиками, т.е. они способны под действием внешнего магнитного поля намагничиваться. Для понимания механизма этого явления рассмотрим действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Простоты ради предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора произвольным образом, составляя с ним угол α (рис. 3.6.6), то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг , при котором вектор магнитного момента , сохраняя постоянным угол α, вращается вокруг вектора с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току.

Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведённые составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку магнитные моменты электронов в нём взаимно компенсированы и суммарный магнитный момент атома равен нулю.

Диамагнетиками являются инертные газы, большинство органических соединений, многие металлы (висмут, цинк, золото, медь, серебро, ртуть и др.), смолы, вода, стекло и т.д.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом.

Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты оринтированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации припятствует тепловое движение атомов).

Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но значительно слабее парамагнитного и поэтому остаётся незамеченным.

Особый класс магнетиков образуют ферромагнетики. Своё название они получили по своему наиболее распространённому представителю – железу. Кроме железа к их числу относятся никель, кобальт, гадолиний, их сплавы и соединения, а также некоторые сплавы и соединения марганца и хрома с неферромагнитными элементами. Ферромагнетизм присущ всем этим веществам только в кристаллическом состоянии.

Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами. Их намагниченность до 1010 раз превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков, принадлежащих к категории слабомагнитных веществ.

Намагниченность слабомагнитных веществ изменяется с напряжённостью поля линейно. Намагниченность ферромагнетиков зависит от Н сложным образом. На рис. 3.6.7 изображена кривая намагничивания железа, намагниченность которого первоначально была равна нулю. Уже в полях прядка 100 A/м намагниченность J достигает насыщения. Основная кривая намагничивания на диаграмме В – Н приведена на рис. 3.6.8 (кривая 0-1). Напомним, что . Поэтому по достижении насыщения В продолжает расти с Н по линейному закону: , где .

Кроме нелинейной зависимости J от Н (или В от Н), для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса. Если довести намагниченность до насыщения (точка 1 на рис. 3.6.8) и затем уменьшать напряжённость магнитного поля, то индукция В изменяется не по первоначальной кривой 0-1, а по кривой 1-2. В результате, когда напряжённость внешнего поля становится равной нулю (точка 2), намагниченность не исчезает и характеризуется величиной Jr, которая называется остаточной намагниченностью. Магнитная индукция имеет при этом значении Br, называемое остаточной индукцией.

Индукция обращается в нуль лишь под действием поля Hc, направленного противоположно полю, вызвавшему намагничивание. Напряжённость Hc называется коэрцитивной силой.

Существование остаточной намагниченности делает возможным изготовление постоянных магнитов.

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля индукция изменяется в соответствии с кривой 1-2-3-4-5-1 (рис. 3.6.8), которая называется петлёй гистерезиса. Если максимальные значения Н таковы, что намагниченность достигает насыщения, получается максимальная петля гистерезиса.

Гистерезис приводит к тому, что намагниченность ферромагнетика не является однозначной функцией Н, она зависит от предыстории образца – от того в каких полях он побывал прежде.

В связи с неоднозначностью зависимости В от Н понятие магнитной проницаемости применяется лишь к основной кривой намагничения. Магнитная проницаемость ферромгнетиков (а, следовательно, и магнитная восприимчивость) является функцией напряжённости поля. На рис. 3.6.9 а изображена основная кривая намагничения, а на рис. 3.6.9б зависимость . Из рисунков видно, что максимальное значение проницаемости достигается немного раньше, чем насыщение.

Величины Br, Hc и являются основными характеристиками ферромагнетика. Если коэрцитивная сила Hc велика, ферромагнетик называется жёстким. Для него характерна широкая петля гистерезиса. Ферромагнетик с малой Hc (и соответственно с узкой петлёй гистерезиса) называется мягким. В зависимости от назначения используются ферромагнетики с той или иной характеристикой. Так, для постоянных магнитов употребляются жёсткие ферромагнетики, а для сердечников трансформаторов – мягкие.

Объяснение свойств ферромагнетиков даётся только квантовой механикой. Из опытов по изучению магнитомеханических явлений следует, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются спиновые магнитные моменты электронов. При определённых условиях в кристаллах могут возникать обменные силы, которые заставляют спиновые магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничивания, называемые доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и обладает магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны (рис. 3.6.10), так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела равен нулю. Домены имеют размеры прядка .

Действие поля на домены на разных стадиях процесса намагничивания различно. Вначале при слабых полях, наблюдается смещение границ доменов, в результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с меньший угол, за счёт доменов, у которых угол между векторами и больше. Например, домены 1 и 3 (рис. 3.6.10) увеличиваются за счёт доменов 2 и 4. С увеличением напряжённости поля этот процесс идёт всё дальше и дальше, пока домены с меньшими значениями ( которые обладают в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены. На следующей стадии происходит поворот магнитных моментов доменов в направлении поля. При этом моменты электронов в пределах домена поворачиваются одновременно. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ доменов в очень слабых полях) являются необратимыми, что и служит причиной гистерезиса.

Для каждого ферромагнетика имеется своя температура TC, при которой области спонтанного намагничивания распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. Для железа она равна 768°С, для никеля 365°С. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится обычным паромагнетиком. При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нём возникают домены.

В некоторых случаях обменные силы приводят к возникновению так называемых антиферромагнетиков (марганец, хром и др.). В антиферромагнетиках спиновые магнитные моменты электронов самопроизвольно ориентированы антипараллельно друг другу. Такая оринтация охватывает попарно соседние атомы. В результате антиферромагнетики обладают очень малой магнитной восприимчивостью. Для антиферромагнетиков также существует температура TN (точка Нееля), при которой антипараллельная ориентация спинов исчезает.

к к к