Магнитное поле в веществе. Виды магнетиков

Измерения показывают, что для большинства веществ магнитная проницаемость m близка к единице и не зависит от величины магнитного поля. Все такие вещества могут быть разбиты на 3 класса: 1)    m>1 – парамагнетики, в которых намагниченность вещества увеличивает суммарное магнитное поле; парамагнетики втягиваются в область сильного неоднородного магнитного поля 2)    m<1 – диамагнетики, в которых намагниченность уменьшает суммарное поле; диамагнетики выталкиваются из области сильного неоднород­ного поля 3) класс веществ, в которых величина магнитной проницаемости (и магнитной восприимчивости) может быть очень большой и сильно зависит от величины магнитного поля, а также от температуры вещества. Это, так называемые, ферромагнетики.

Магнитные моменты атомов векторно складываются из магнитных моментов входящих в них частиц. При этом определяющим является суммарный магнитный момент электронной оболочки.

Д

Рис. 4.5.3.

иамагнетизм. Если рассматривать электронную оболочку как контур с током, то при наложении внешнего магнитного поля H в соответствии с правилом Ленца в контуре должна индуцироваться электродвижущая сила (ЭДС) и возникать индукционный ток. Магнитный момент Dp_m индукционного тока независимо от направления магнитного момента p_m контура всегда направлен против напряженности внешнего поля H (см. рис. 4.5.3.). Возникающее при этом магнитное поле индукционного тока также направлено против внешнего поля. Внутри материала суммарное магнитное поле будет при этом уменьшаться. Его относительное уменьшение порядка 10^-8 . Диамагнетизмом обладают все вещества, его величина не зависит от температуры. Если атом не имеет собственного магнитного момента, диамагнитный эффект - определяющий, и вещество является диамагнетиком. Индуцированный магнитный момент направлен против внешнего магнитного поля, и атомы такого вещества выталкиваются из области сильного поля.Парамагнетизм. В общем случае атом вещества может иметь собственный результирующий магнитный момент, например, если число электронов нечетно. В отсутствии внешнего поля магнитный момент макроскопического тела равен нулю из-за беспорядочного распределения по направлениям атомных магнитных моментов (см. рис. 4.5.4а). Под действием внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты ориентируются в направлении приложенного поля. За счет полей атомных моментов магнитное поле внутри вещества увеличивается. Сами атомы стремятся переместится в область более сильного поля. Вещество является парамагнетиком. Поскольку тепловое движение мешает упорядочению направлений атомных моментов парамагнетика, его магнитная восприимчивость уменьшается с температурой. Магнитная восприимчивость парамагнетиков имеет величину порядка 10 ^{– 4} – 10^–6. (4.5.1)

Ферромагнетизм. Среди твердых тел есть такие, которые самопроизвольно под действием внутренних сил намагничены. В них, не зависимо от внешнего поля, магнитные моменты спинов электронов выстроены параллельно.Наличие внутри ферромагнетика магнитного поля не всегда проявляется внешне по следующей причине. Ферромагнетик внутри обычно разбивается на макроскопически малые (размером ~ 10^–4 ¸ 10^–6 м) области – домéны, внутри которых атомные магнитные моменты сонаправлены и намагниченность велика. Но если векторы намагниченности доменов ориентированы по отношению друг к другу под разными углами, то средняя намагниченность может быть равна нулю, и магнитное поле вещества будет незаметно (например, железо с малым содержанием примесей .

При наложении даже относительно слабого поля атомные магнитные моменты стремятся выстроиться вдоль поля. При этом границы между доменами смещаются так, что увеличиваются те домены, магнитный момент которых направлен вдоль поля. В результате весь объем материала намагничивается, достигая магнитного насыщения J_s, когда все атомные моменты всех доменов выстроены вдоль поля.

Если после намагничивания уменьшить до нуля напряженность внешнего магнитного поля, не все домены вернутся к прежней ориентации, некоторые останутся ориенти­рованными близко к направлению «выключенного» внешнего поля, материал будет иметь остаточную намагничен­ность J_r. Остаточная намагниченность особенно велика у сплавов магния, никеля, кобальта, из которых делают постоянные магниты.

Д

Рис. 4.5.5

ля того чтобы сделать намагниченность ферро­магнетика нулевой необходимо приложить магнитное поле противоположного направле­ния. Напряженность такого поля называюткоэрцитивной силой H_c. Увеличивая обратное поле, затем, уменьшая его и накладывая в первоначальном направлении, т.е. изменяя его величину и направление периодически, можно получить в координатах J-H петлю гистерезиса (рис. 4.5.5).

Упорядоченное выстраивание спинов электронов в объеме каждого атома есть результат взаимодействия электронов. В атомах ферромагнетика энергетически выгодным оказывается такое взаимное расположение электронов, когда они находятся на максимальном расстоянии друг от друга со спинами (и спиновыми магнитными моментами), ориентированными в одну сторону.

К

ачественные зависимости намагниченности от напряженности магнитного поля для разных типов магнетиков приведены на рисунке 4.5.6.

Рис.4.5.6