Простейшая классификация магнитных веществ

Современная физика магнитных явлений выделяет более 10 типов магнитных материалов, и это число постоянно возрастает по мере развития науки. Мы вынуждены здесь ограничиться самой простой классификацией. В зависимости от знака и числового значения магнитной восприимчивости все вещества можно разделить на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называют вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью (% < 0). Абсолютное значение с для них очень мало, порядка lO5—107. Типичными представителями диамагнетиков являются инертные газы, многие органические соединения, ряд металлов (например, чистая медь).

Вещества с положительной восприимчивостью (х > 0) порядка 10"3—10~6 называют парамагнетиками. Примеры парамагнетиков: молекулярный кислород 02, окись азота N0, щелочные металлы, соли редких земель и элементов группы железа.

У ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительна (х > > 0) и очень велика, достигая величин порядка 105—106. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель, многие сплавы и соединения.

Природа диамагнетизма обусловлена тем, что при внесении любого атома в магнитное поле все электроны атома получают дополнительное движение, создающее индуцированный магнитный момент, направленный против внешнего магнитного поля. Таким образом, диамагнетизмом в какой-то степени обладают все вещества, но в явном виде он проявляется только тогда, когда суммарный магнитный момент атома равен нулю.

У парамагнетиков собственный магнитный момент атомов не равен нулю. Но без внешнего магнитного поля тепловое движение приводит к их хаотической ориентации в пространстве. При помещении парамагнетика в магнитное поле оно стремится установить атомные магнитные моменты вдоль поля. В зависимости от величины температуры это удается сделать в большей или меньшей степени. Приобретаемый ориентационный магнитный момент значительно превосходит индуцированный диамагнитный момент, и вещество в целом проявляет парамагнитные свойства.

Пьер Кюри экспериментально установил, что магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре:

где С — постоянная Кюри, зависящая от вещества. Выражение (2.59) называют законом Кюри. Отметим, что у диамагнетиков магнитная восприимчивость от температуры практически не зависит.

Намагниченность диа- и парамагнетиков пропорциональна величине приложенного поля.

Рис. 37

Сложнее зависит от Н намагниченность ферромагнетиков. На рис. 37 приведена типичная кривая намагничивания ферромагнетика, намагниченность которого сначала была равна нулю. Такая зависимость называется основной, или нулевой кривой намагничивания. При некотором поле намагниченность достигает насыщения.

В соответствии с определением напряженности магнитного поля

Рис. 38

Отсюда В = д0(Н + J). Если изменять поле Н по величине и направлению, то получим характерную для ферромагнетиков кривую, называемую петлей гистерезиса. Она приведена на рис. 38.

Величина Вг называется остаточной индукцией, а напряженность Нс — коэрцитивной силой. Наличие остаточной индукции делает возможным изготовление постоянных магнитов, т.е. источников магнитного поля. Чем больше коэрцитивная сила Нс, тем лучше магнит сохраняет свои свойства, потому что тем большее поле нужно будет приложить, чтобы довести его намагниченность до нуля.

Если ферромагнетик нагревать, то при некоторой температуре Тс, называемой точкой Кюри, ферромагнетик теряет свои свойства и становится парамагнетиком. При понижении температуры ниже Тс ферромагнитные свойства восстанавливаются. Точка Кюри для железа равна 768°С.

Природа ферромагнетизма достаточно сложна и в рамках классической физики не объясняется. Только после создания квантовой механики было показано, что в ферромагнетиках особые силы, называемые обменными (и объясняемые только в квантовой механике), заставляют собственные (спиновые) магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. Спин электрона обусловлен не движением электрона в пространстве, а внутренним движением вещества в электроне, которое не может быть сведено к обычному классическому вращению.

В ферромагнетиках обменные силы выстраивают спиновые магнитные моменты электронов параллельно друг другу в пределах небольших областей, которые называют доменами. В каждом домене ферромагнетик спонтанно (самопроизвольно, т.е. без приложения внешнего магнитного поля) намагничен до насыщения, но суммарные магнитные моменты различных доменов имеют разные направления и для всего тела в отсутствие внешнего магнитного поля магнитный момент оказывается равным нулю (рис. 39). Обычно размеры доменов порядка 1—10 мкм.

Рис. 39

При помещении ферромагнетика в магнитное поле наблюдается как смещение границ доменов (в слабых полях), в результате чего растут

по домены, магнитные моменты которых составляют с направлением Я меньший угол, так и поворот (вращение) магнитных моментов доменов в направлении поля (при больших полях). Характерно, что эти процессы внутри ферромагнетика являются необратимыми, что и приводит к гистерезису.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >