Часть 3 ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

Раздел 9 МАГНЕТИЗМ. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА

9.7. Магнитные свойства вещества. Діамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Опыт и теория показывают, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитных свойств, т.е. намагничиваются. Макроскопические тела, способные намагничиваться под воздействием внешнего магнитного поля, называют магнетиками. К магнетиков относятся все без исключения тела, но они намагничиваются по-разному. Во многих магнетиков магнитные свойства проявляются весьма слабо. Они проявляются не только в случае макроскопических тел, но и характерные для отдельных молекул, атомов, атомных ядер, электронов. Магнитные свойства вещества определяются структурой их атомов и характером взаимодействия между ними.

Подобно тому, как диэлектрик, помещенный во внешнее электрическое поле, поляризуется и в нем возникает внутреннее электрическое поле, в любом веществе, помещенной во внешнее магнитное поле, создается внутреннее магнитное поле. Вектор магнитной индукции в магнетике равен сумме векторов магнитной индукции внешнего поля ₀ и магнитной индукции собственного поля магнетика ':

причем ' определяется только магнитными свойствами среды. Магнитная индукция , характеризующая внутреннее магнитное поле в веществе, связана с напряженностью поля соотношением = μ₀μ - относительная магнитная проницаемость среды. В свою очередь, ₀ = μ₀. Тогда

Отсюда становится понятным физический содержание величины μ: относительная магнитная проницаемость среды показывает, во сколько раз изменяется индукция магнитного поля, если пространство, в котором оно существует, заполнить определенным магнетиком. В зависимости от значения магнитной проницаемости μ все вещества подразделяют на три группы: діамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Для диамагнетиков магнитная проницаемость μ 1, для парамагнетиков μ > 1 и для ферромагнетиков μ » 1. В случае диамагнетиков и парамагнетиков ц очень мало отличается от единицы.

Физические принципы существования сред с различными магнитными свойствами кроются прежде всего в магнетизме составляющих частиц вещества - атомов и молекул. В атомах и молекулах любого вещества существуют круговые токи, обусловленные движением электронов по орбитам вокруг ядер, орбитальные токи. Каждом таком орбитальному току соответствует определенный магнитный момент - орбитальный магнитный момент, который определяется произведением силы кругового тока на площадь, которую он охватывает. Вектор орбитального магнитного момента направленный вдоль оси кругового тока (совпадает с направлением индукции магнитного поля в центре кругового тока). К тому же для электронов характерен собственный, или спіновий, магнитный момент. Собственный магнитный момент ядра атомов. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент _m атома (молекулы) вещества. При наложении внешнего магнитного поля происходит упорядочение направлений векторов магнитных моментов атомов и молекул магнетика, вследствие чего макроскопический объем V магнетика приобретает определенного суммарного магнитного момента - вещество намагничивается.

Для характеристики намагничивания веществ введем физическую величину, которую называют интенсивностью намагничивания. Вектором интенсивности намагничивания называют предел отношения магнитного момента любого объема веществ к этому объему:

где n - количество частиц, содержащихся в объеме V вещества; _mи - магнитный момент отдельной частицы (атома или молекулы). Экспериментально установлено, что интенсивность намагничивания пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля, то есть

Величину χ, которая численно равна магнитному момента единицы объема вещества, внесенной в магнитное поле с единичной напряженностью, называют магнитной восприимчивостью вещества. В отличие от магнитной проницаемости, характеризующий влияние среды на магнитное поле, магнитная восприимчивость характеризует воздействие поля на вещество. Соответствующие теоретические расчеты показывают, что μ и χ связаны между собой соотношением

Магнитная восприимчивость - безразмерная величина. Для диамагнетиков χ 0, а для парамагнетиков χ > 0. В случае ферромагнетиков магнитная восприимчивость также положительная величина, но в отличие от парамагнетиков имеет большие числовые значения. К тому же для них характерна зависимость магнитной восприимчивости от напряженности внешнего магнитного поля. Такой зависимости нет у парамагнетиков и диамагнетиков.

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов и молекул которых при отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, большинство органических соединений, много металлов (висмут, цинк, золото, медь, серебро, ртуть и др.), смолы, вода, стекло и т.д. В этих веществах орбитальные магнитные моменты всех электронов атома или молекулы взаимно компенсируют друг друга.

При внесении вещества в діамагнітної магнитное поле в каждом его атоме возникает магнитный момент _mи, направленный противоположно вектору напряженности - магнитного поля.

Значения магнитной восприимчивости диамагнетиков очень малое (порядка 10^-6). Поэтому диамагнитный эффект незначителен. Существенно, что этот эффект возникает у всех без исключения веществах, внесенных в магнитное поле. Однако в пара - и феромагнетиках диамагнитный эффект незаметен.

Если векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (или молекулы) не равна нулю, то атом в целом имеет определенный магнитный момент _m. Такие атомы (молекулы) называют парамагнітними, а вещества, которые из них состоят, - парамагнетиками. К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, редкоземельные элементы, щелочные и щелочноземельные металлы и т.д. Процесс намагничивание парамагнетика заключается в упорядочении размещения магнитных моментов его атомов (или молекул) относительно направления магнитного поля, в преодолении при этом влияния теплового движения, что приводит, если нет поля, хаотичный распределение этих моментов. Магнитный момент отдельного атома P_mи имеет значение порядка 10^-23 Дж/Тл (10^-20 эрг/Гс), но совокупное действие магнитных моментов всех атомов, содержащихся в единице объема вещества, приводит к эффекту намагничивания, что значительно превышает диамагнитный эффект. В парамагнітному теле возникает собственное магнитное поле, напрямлене в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков χ > 0, и ее значение при обычных температур находится в пределах 10^-3... 10^-5. Способность парамагнетиков намагнічуватись разная при разных температур, то есть их магнитная восприимчивость зависит от температуры: она уменьшается с повышением температуры. Магнитная восприимчивость диамагнетиков практически не зависит от температуры. Для многих парамагнитных веществ зависимость χ от температуры описывается законом Кюри:

где С - постоянная Кюри, зависящая от рода вещества; Т - абсолютная температура. Магнитная восприимчивость таких веществ монотонно изменяется с температурой. Подобные вещества, примером которых много солей элементов рідкісноземельної группы и группы железа, называют нормальными парамагнетиками. При очень низких температур наблюдаются отклонения от закона Кюри. Вторую группу парамагнетиков составляют вещества с аномальным парамагнитным эффектом, который заключается в том, что для них х практически не зависит от температуры. Примером таких парамагнетиков являются щелочные и щелочно-галоидные металлы - ванадий, марганец и т.д.

Ферромагнитными веществами - феромагнетиками - называют такие вещества, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать внешнее магнитное поле, что его повлекло. К ферромагнетиков относятся железо, никель, кобальт и ряд сплавов, причем ферромагнетизм обнаружен лишь в кристаллическом состоянии перечисленных веществ.

Экспериментальное изучение ферромагнетиков 1871 г. было начато А. Г. Столєтовим. Он исследовал зависимость интенсивности намагничивания железа от напряженности намагнічувального магнитного поля. Эту зависимость показана на рис. 9.9. С него видно, что, начиная с некоторого значения Н = Н_н, числовое значение вектора интенсивности намагничивания практически остается постоянным и равен И_н. Это явление А. Г. Столетов назвал магнитным насыщением. На рис. 9.10 изображен кривую зависимости магнитной индукции от напряженности магнитного поля. Она отличается от предыдущей кривой тем, что не имеет горизонтальной части. Это можно объяснить, если учесть, что вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего (намагнічувального) и внутреннего (собственного) полей и определяется соотношением

Действительно, как только наступает состояние насыщения, второе слагаемое в формуле (9.43) остается неизменным и увеличивается только за счет первого слагаемого.

Рис. 9.9 Рис. 9.10 Рис. 9.11

Существенной особенностью ферромагнетиков зависимость μ от Н. Относительная магнитная проницаемость μ ферромагнетика сначала быстро растет с увеличением Н, достигает максимума и затем спадает, приближаясь к единицы при сильных намагнічувальних полях (рис. 9.11). Это легко объяснить, исходя из того, что

При насыщении I = const. Тогда если напряженность внешнего магнитного поля Н стремится к бесконечности, а → 0, то μ → 0. Максимальные значения μ для ферромагнетиков очень большие. Так, для железа μ_mах = 5000, для силіцієвого железа ( содержит 3,3 % Sи) - 10 000, для чугуна (С % С) - 2000 и для пермалоя (78 % Nи i 22 % Fе) - 100 000.

Для ферромагнетиков характерна еще одна особенность: при определенной для каждого ферромагнетика температуры Т_к, которую называют точкой Кюри, они теряют присущие им свойства и превращаются в обычный парамагнетик. Зависимость магнитной восприимчивости χ от температуры для таких парамагнетиков описывается законом Кюри - Вейса:

где С' - постоянная, зависящая от рода вещества; Т - абсолютная температура; Т_к - температура Кюри. Температура Кюри неодинакова для разных ферромагнетиков. Например, для железа она составляет 780 °С, для кобальта - 1150, для никеля - 358 °С.

Труда В. Г. Столетову дали возможность создать теорию ферромагнитных явлений. Классическую теорию разработал феромагнетизму французский физик П. Вейс. В основу этой теории положены две гипотезы. Первая из них заключается в том, что в определенных пределах температур (от абсолютного нуля до точки Кюри) феромагнетикам свойственно спонтанное намагничивание, которое не зависит от наличии внешнего намагнічувального поля. Однако опыты показали, что в случае отсутствии внешнего поля, если не учитывать явления магнитного гистерезиса, о котором речь пойдет далее, любое ферромагнитное тело в целом будет розмагнічено. Это заставило ввести вторую гипотезу о том, что ниже точки Кюри любое ферромагнитное тело разбивается на малые участки, которым характерно однородное спонтанное намагничивание. Такие участки называются доменами. Линейные размеры доменов достигают 10^-2... 10^-3 см.

Без внешнего магнитного поля векторы магнитных моментов отдельных доменов ориентированы в пространстве хаотично, поэтому результирующий магнитный момент всего тела равен нулю. Внешнее магнитное поле, которое действует на ферромагнетик, ориентирует магнитные моменты не отдельных частиц, как это было в случае парамагнетиков, а целых участков спонтанного намагничивания. Очевидно, магнитное насыщение наступает тогда, когда векторы магнитных моментов в всех участках спонтанного намагничивания устанавливаются параллельно внешнему магнитному полю.

О. Г. Столетов изучал также явление намагничивание ферромагнетика в переменном по значению и направлению внешнем магнитном поле и установил важное свойство ферромагнетиков: способность сохранять намагничивание после того, как внешнее магнитное поле перестает действовать.

Пусть намагничивания ферромагнетика до насыщения (точка а, рис. 9.12) происходит по кривой Оа. Если дальше уменьшать напряженность Н намагнічувального поля, то при этом интенсивность намагничивания И изменяется по кривой, находящейся выше кривой аО. При Н = 0 интенсивность намагничивания И оказывается отличной от нуля: в ферромагнетике наблюдается остаточная интенсивность намагничивания I_R, обусловлена тем, что и после прекращения действия внешнего поля в части доменов сохраняется преимущественная ориентация их магнитных моментов. Чтобы полностью размагнитить образец, надо создать магнитное поле с напряженностью, равной Н_к, напрямлене в противоположную сторону. Величину Н_к называют коэрцитивной (затримувальною) силой. При дальнейшем увеличении магнитного поля, противоположного начальном, намагничивание образца снова достигнет насыщения (точка b). Возвращаясь постепенно к напряженности намагнічувального поля +Н_н, получим замкнутую кривую, которая называется петлей гистерезиса. Коэрцитивная сила характеризует свойство ферромагнетика сохранять намагниченность и вместе с магнитной проницаемостью определяет возможность его применения для тех или иных практических целей.

Рис. 9.12

При намагничивании ферромагнетика меняется его форма и объем. Это явление называют магнитострикция. В 1842 г. явление магнитострикции открыл Дж. Джоуль. Впервые правильное объяснение этому явлению дал М. С. Акулов 1928 г. Однако не все особенности в поведении физических свойств ферромагнетиков, в том числе и явление спонтанного намагничивания, можно объяснить, исходя из классической теории магнетизма.

Современную теорию феромагнетизму 1928 г. построили Я. И. Френкель и В. Гейзенберг. Ответственными за диамагнитные свойства ферромагнетиков являются собственные магнитные моменты электронов (спиновые магнитные моменты). При определенных условиях в кристаллах возникают так называемые обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу, в результате чего и возникают участки спонтанного (самодовільного) намагничивания, которые называются доменами.