Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики

Каждый электрон, движущийся в атоме вокруг ядра по замкнутой орбите, представляет собой элементарный (электронный) ток, текущий в направлении, противоположном движению электрона. На рис. 15.указано направление вектора скорости электрона и направление тока, текущего по орбите. Сила I электронного тока , где е — абсолютное значение заряда электрона, T— период обращения электрона по орбите.

Магнитный момент электрического тока, вызванного движением электрона по орбите, согласно определению, где S — площадь орбиты электрона,— единичный вектор нормали, задающий направление вектора . Магнитный момент электронного тока называется орбитальным магнитным моментом электрона.

Вектором орбитального магнитного момента атома называется векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех Z его электронов: , где Z — порядковый номер атома в периодической системе элементов Менделеева, равный общему числу электронов в атоме. Если вещество состоит из молекул, то магнитный момент молекулы является векторной суммой орбитальных магнитных моментов ее атомов.

Каждый атом или молекула, обладающие магнитным моментом, могут быть уподоблены замкнутому электрическому току, текущему по контуру, ограничивающему некоторую площадь поверхности S (атомный или молекулярный ток). Молекулярный ток, как и всякий замкнутый контур с током, имеет магнитный момент и создает магнитное поле. Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства вещества определяются молекулярными токами.

Магнетиками называются все вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т. е. создавать собственное (внутреннее) магнитное поле самого вещества. Магнетики подразделяются на слабомагнитные и сильномагнитные вещества. К слабомагнитным относятся парамагнетики и диамагнетики, к сильномагнитным — ферромагнетики. Для слабомагнитных веществ относительная магнитная проницаемость μ. незначительно отличается от единицы: для парамагнетиков μ ≥ 1, для диамагнетиков μ ≤ 1. Кроме того, μ для слабо магнитных веществ не зависит от индукции В_о того магнитного поля, в котором намагничиваются вещества. Для сильномагнитных веществ μ» 1 и зависит от В_о.

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, редкоземельные элементы, щелочные и щелочноземельные металлы и другие вещества. Для парамагнетиков µ зависит от температуры.

Диамагнетиками являются инертные газы (гелий, аргон и др.), многие металлы (золото, цинк, медь, ртуть, серебро), вода, стекло, мрамор, многие органические соединения. Для этих веществ относительная магнитная проницаемость не зависит от температуры.

Ферромагнетиками называется группа веществ в твердом кристаллическом состоянии, обладающая совокупностью магнитных свойств, обусловленных особым взаимодействием атомных носителей магнетизма. У ферромагнитных веществ собственное (внутреннее) магнитное поле имеет индукцию в сотни и тысячи раз большую, чем индукция внешнего магнитного поля, вызвавшего явление намагничивания, т.е. образование внутреннего поля. К ферромагнетикам относится сравнительно небольшая группа твердых кристаллических тел — так называемых переходных металлов (железо, никель, кобальт), а также ряд сплавов.

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина I, называемая намагниченностью вещества. Намагниченность определяется формулой I = В - В_о = µB_o - В_о = (µ - 1)В_о, где µ. — относительная магнитная проницаемость вещества, В_о — индукция магнитного поля в вакууме, В — индукция магнитного поля в веществе:

В = µВ_о.

Для ферромагнитных тел намагниченность I является сложной нелинейной функцией В_о. Зависимость I от величины , называется кривой намагниченности (рис. 16). Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения ,

намагниченность практически остается постоянной, равной I_н (намагниченность насыщения), µ₀ — магнитная постоянная. Относительная магнитная проницаемость µ ферромагнетиков, в отличие от пара- и диамагнетиков, имеет

очень большие значения и зависит от индукции В_о магнитного поля, в котором находится вещество. Например, для железа µ_макс ⁼ 5000, для пермаллоя (78% Ni и 22% Fe) µ_макс = 100000.

Особые свойства ферромагнетика обнаруживаются только при температурах, меньших некоторой, называемой температурой (точкой) Кюри Θ_к. При Т ≥ Θ_к ферромагнитные свойства исчезают и вещество становится парамагнетиком. Точка Кюри Θ_к для железа равна 770°С, для никеля 360°С, а для пермаллоя 70°С.

При температурах Т < Θ_к. любое ферромагнитное тело состоит из доменов — малых областей самопроизвольной намагниченности с линейными размерами порядка 10^-2 ÷ 10 ^-3 см, внутри которых существует наибольшая намагниченность, равная I_н — намагниченности насыщения.

Рис.15 рис.16

В отсутствие внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов отдельных доменов ориентированы внутри ферромагнетика беспорядочно, так что суммарный магнитный момент всего тела равен нулю (рис. 83). Под влиянием внешнего магнитного поля в ферромагнетиках происходит поворот вдоль поля магнитных моментов не отдельных атомов или молекул, как в парамагнетиках, а целых областей самопроизвольной намагниченности — доменов. Поворот вдоль поля векторов происходит прежде всего в тех доменах, у которых направление наиболее близко к направлению вектора индукции внешнего поля (рис.). Поэтому намагниченность I растет с увеличением постепенно. При увеличении внешнего поля размеры доменов, намагниченных вдоль внешнего поля, растут за счет уменьшения размеров доменов с другими ориентациями векторов . При достаточно сильном внешнем магнитном поле все ферромагнитное тело оказывается намагниченным. Намагниченность достигает максимального значения I_н — наступает магнитное насыщение.

Дата добавления: 2014-01-11