Парамагнетизм

Парамагнетики это вещества, у которых векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов не равна нулю, т.е. атом в отсутствии магнитного поля обладает некоторым магнитным моментом . Любой атом, у которого имеется нечётное число электронов, будет иметь магнитный момент. Например, на незаполненной внешней оболочке атома натрия (Na) имеется один валентный электрон. Этот электрон и определяет магнитный момент всего атома. Однако при образовании соединения этот электрон на внешней оболочке "спаривается" с другим таким же электроном, направление спина которого противоположно. Поэтому молекулы часто не обладают магнитным моментом.

У большинства материалов результирующий магнитный момент появляется только тогда, когда в них присутствуют атомы с незаполненной внутренней электронной оболочкой. Такие атомы принадлежат к "переходным" элементам периодической таблицы (Cr, Mn, Fe, Ni и т.д.). Все редкоземельные элементы имеют незаполненную внутреннюю электронную оболочку и, следовательно, обладают магнитным моментом.

В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентированы произвольно и равновероятно по всем направлениям из-за хаотического теплового движения. Поэтому результирующий магнитный момент образца равен нулю.

Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентируются по направлению поля, преодолевая действие теплового движения атомов. И атомов, магнитные моменты которых направлены по полю, становится больше, чем ориентированных против поля. Материал намагничивается.

Парамагнетизм это возникновение намагниченности образца пропорционально внешнему магнитному полю.

Классическая теория парамагнетизма была разработана французским учёным П. Ланжевеном в 1905 году. Вероятность поворота магнитного момента во внешнем магнитном поле пропорциональна Здесь W – потенциальная энергия атома в магнитном поле. Отсюда ясно, что этот эффект сильнее всего проявляется при низких температурах.

В качестве примера приведём одно интересное применение парамагнетизма.

При очень низкой температуре ( 1 К) и в сильном магнитном поле атомные моменты атомов выстраиваются по направлению магнитного поля. Если медленно уменьшать внешнее магнитное поле в условиях тепловой изоляции, т.е. адиабатически, то спиновые магнитные моменты электронов будут поворачиваться против поля. Но так как магнитное поле ещё есть, то поворот против поля требует энергии. Её можно взять только у кристаллической решётки. Таким образом, при адиабатическом размагничивании парамагнитного вещества его температура будет понижаться. Если парамагнетик находится в тепловом контакте с другим веществом, то он будет охлаждать это вещество. Этим способом удалось достичь температуры  10^-3 К.

Ферромагнетизм Свойства ферромагнитных материалов

Ферромагнетики это вещества, у которых внутреннее магнитное поле во много раз (сотни и тысячи) превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле. К ферромагнетикам относятся Fe, Co, Ni, Cd и некоторые другие редкоземельные металлы. Максимальная магнитная проницаемость у железа _Fe = 510³, у пермолоя  = 10⁵ (78% Ni, 22% Fe).

Ферромагнетизм обнаружен только в кристаллических веществах, у аморфного железа он отсутствует.

Экспериментальное изучение ферромагнетиков было начато Столетовым и П.Кюри в 1871 году. Основные результаты этих исследований приведены ниже.

К

B_нас

ривая намагниченности ферромагнетиков приведена на рисунке. Это так называемая основная или нулевая кривая, т.е. зависимость для такого ферромагнетика, магнитный момент для которого первоначально был равен нулю. Уже при небольших полях кривая намагниченности достигает насыщения , дальнейший рост поля практически не приводит к увеличению намагниченности . Нелинейной для ферромагнетиков является и зависимость .

И

H, А/м

з последнего рисунка следует, что зависимость относительной магнитной проницаемости  от величины напряжённости магнитного поля так же является нелинейным.

К лассическая феноменологическая теория ферромагнетизма была разработана французским учёным Пьером Вейсом в 1907 году. Теория Вейса по существу является развитием теории парамагнетизма Ланжевена. В основу теории Вейса положены две гипотезы.

1. Ниже точки Кюри Т_К ферромагнетики обладают самопроизвольной намагниченностью, не зависящей от внешнего магнитного поля.

2. Ферромагнетик разбит на ряд областей (доменов) с самопроизвольной намагниченностью, ориентированных произвольным образом так, что суммарный магнитный момент тела равен нулю. Линейные размеры доменов порядка (1  100) мкм.

В нешнее магнитное поле ориентирует по полю домены, т.е. целые области, поэтому индукция магнитного поля B растёт с полем H. Причём рост индукции магнитного поля происходит скачками при переориентации каждого домена. Это явление называется эффектом Баркгаузена (1881 – 1956), по фамилии немецкого физика, открывшего этот эффект. Магнитное насыщение наступает тогда, когда все домены будут ориентированы по направлению внешнего магнитного поля.

Кроме нелинейной зависимости между , и для ферромагнетиков характерно наличие петли гистерезиса: связь между и или оказывается неоднозначной и определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика.

Если первоначально не намагниченный ферромагнетик намагничивать, увеличивая до значения, при котором наступает насыщение, а затем уменьшать , то кривая намагничивания пойдет не по первоначальному пути, а несколько выше. Если затем изменять в обратном направлении, то кривая намагничивания пойдет ниже. Получившуюся замкнутую кривую называют петлей гистерезиса. Если первоначально не намагниченный ферромагнетик намагничивать, увеличивая до значения, при котором еще не наступает насыщение, то петля гистерезиса получается меньшего размера, как бы вписанная в максимальную петлю гистерезиса.

Ч тобы B = 0 необходимо приложить некоторую величину напряжённости H_K, которая называется коэрцитивной силой, противоположного направления. Для поворота домена требуется энергия. Тепловая энергия хаотического движения без участия внешнего поля разорентирует часть доменов. Но суммарное магнитное поле остальных доменов не позволяет всем доменам разорентироваться. Поэтому магнетик характеризуется еще и остаточной намагниченностью B_ост.

По величине коэрцитивной силы H_K магнитные материалы различаются на "твёрдые" и "мягкие". "Твёрдые" магнитные материалы обладают большой коэрцитивной силой и используются для изготовления постоянных магнитов. "Мягкие" – используются для изготовления сердечников трансформаторов.

Необходимо отметить, что площадь петли гистерезиса равна объёмной энергии потерь за один цикл перемагничивания.

Нарушение остаточной намагниченности может быть вызвано ударом, и даже сильным сотрясением образца (постоянные магниты нельзя ударять) или нагреванием выше точки Кюри (Т_К). При этом спонтанная намагниченность исчезает, и ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Ферромагнетики обладают интересным эффектом, который называется магнитострикцией. Это изменение размеров ферромагнетика при перемагничивании. Этот эффект используется в УВЧ генераторах.