Лабораторная работа № 7

Определение магнитной восприимчивости слабомагнитных тел.

Цель работы

1. Освоить метод Фарадея определения пара- (диа)магнитной восприимчивости.

2. Определить парамагнитную восприимчивости образцов.

Виды магнетизма.

Все тела, помещенные в магнитное поле, приходят в особое состояние, называемое состоянием намагничивания. Магнитные свойства веществ обязаны своим происхождением магнитным моментам, возникающим при движении электронов (магнитные моменты атомных ядер примерно в тысячу раз меньше, чем магнитные моменты электронов).

Существуют два основных вида движения электронов, приводящих к возникновению магнитных моментов: орбитальное (по орбите вокруг ядра) и спиновое (вокруг собственной оси). Соответственно различают орбитальный и спиновый магнитные моменты.

Кроме этих двух основных видов движения электронов, имеется еще один, проявляющийся при наложении внешнего магнитного поля. В этом случае электрон, движущийся по замкнутой орбите, изменяет траекторию своего движения: вместо линейной она становится спиралевидной.

Вещества, в которых собственное магнитное поле направлено в ту же сторону, что и внешнее, называют парамагнетиками, а вещества, в которых собственное магнитное поле противоположно внешнему, - диамагнетиками. Для всех диамагнитных и большинства парамагнитных тел напряженность собственного магнитного поля (Н₁) весьма мала по сравнению с напряженностью внешнего магнитного поля (Н), их магнитные свойства выражены слабо. Существует, однако, группа парамагнитных тел, для которых Н₁ велико по сравнению с Н. Эти вещества отличаются еще рядом особенностей (нелинейная зависимость между внешним полем и намагниченностью, неоднозначная зависимость намагниченности от величины внешнего поля). Они выделяются в особую группу ферромагнитных тел( антиферромагнитные, ферримагнитные).

К диамагнетикам относятся вещества, атомы или молекулы , которых в отсутствии внешнего поля не имеют собственных магнитных моментов. Диамагнетизм, т.е. возникновение ламорровой прецессии электронов под действием внешнего поля, вызывающей появление магнитного момента, направленного против поля – явление универсальное, оно присуще всем веществам без исключения. Основной вклад в диамагнетизм атома вносят внешние электроны. Преобладающим видом магнетизма он является в веществах с заполненными электронными оболочками: инертных газах, ионах типа Na+, С1-, полупроводниках (германии, кремнии, селене и др.).

Если же вещества наряду с диамагнетизмом обладают и другими видами магнетизма, то роль последних перекрывает роль диамагнетизма.

парамагнетик ферромагнетик антиферромагнетик ферримагнегетик

Рис. 1. Ориентация магнитных моментов соседних атомов при 0К в веществах разной магнитной природы:

Под парамагнетизмом понимают свойство тела намагничиваться во внешнем поле Н в направлении поля. Основной чертой парамагнитных тел является наличие у них атомов собственных магнитных моментов (орбитального и спинового), но в силу межатомного взаимодействия магнитные орбитальные моменты двух спаренных электронов погашают друг друга. В результате все заполненные электронные оболочки и орбитали имеют нулевой орбитальный магнитный момент и не дают, следовательно, вклада в парамагнитные свойства. Парамагнетизм обнаруживается только от неспаренных валентных электронов — электронов проводимости.

В отсутствие внешнего поля магнитные моменты атомов за счет энергии теплового движения ориентированы беспорядочно, в результате чего намагниченность парамагнетиков в этих условиях равна нулю. Этим они отличаются oт ферромагнетиков.

Ферромагнетизм, как и парамагнетизм, связан со спиновыми магнитными моментами электронов. Но в отличие от парамагнетиков в ферромагнетиках имеются отдельные микрообласти (домены), в которых ниже определенной температуры (температуры Кюри Т_С) спиновые моменты всех атомов одинаково ориентированы и в отсутствие внешнего магнитного поля. Таким образом, домен представляет собой микрообласть (обычно размером около микрометра), самопроизвольно намагниченную до насыщения при температуре ниже Т_С. Образовании доменов связывают с обменным взаимодействием.

В отсутствие внешнего поля векторы намагниченности разных доменов ориентированы беспорядочно и взаимно компенсируются. При наложении внешнего магнитного поля векторы намагничивания всех доменов постепенно переориентируются вдоль поля. При Т==Тс ферромагнетик переходит в парамагнитное состояние.

В некоторых твердых телах обменное взаимодействие электронов соседних атомов вызывает при некоторой температуре (ниже температуры Нееля T_N) антипараллельное упорядочение спинов, антиферромагнетизм, в противоположность тому, что имеет место в ферромагнетиках. При температуре выше Т_N вещество является парамагнетиком. Ярким примером антиферромагнетиков является оксид марганца МпО.

Не полностью компенсированное антиферромагнитное упорядочение называется ферримагнетизмом.

***

Намагниченность вещества — его способность изменять свой магнитный момент под действием внешнего магнитного поля напряженностью Н.

Между напряженностью магнитного поля Н, в котором тело намагничивается, и его намагниченностью I существует зависимость

I = χH

Величина χ называется магнитной восприимчивостью.

У парамагнитных и диамагнитных веществ намагниченность слабо возрастает по абсолютной величине вместе с полем и пропорциональна ему, для таких металлов магнитная восприимчивость весьма мала (порядка 10^-5 —10^-6). В системе СИ χ величина безразмерная.

Для парамагнитных веществ χ является величиной положительной, а для диамагнитных — отрицательной. Это соответствует тому, что намагниченность парамагнитных веществ совпадает по своему направлению с направлением поля, а для диамагнитных намагниченность направлена навстречу полю. Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита, а диамагнитные отталкиваются.

Сущность метода

Наиболее распространенным и удобным методом определения пара- или диамагнитной восприимчивости является метод, предложенный Фарадеем. Метод Фарадея заключается в том, что измеряется сила, с которой втягивается или выталкивается образец в неоднородное магнитное поле. Такое поле можно по лучить, если сделать электромагнит со скошенными полюсами.

Образец массы m с коэффициентом парамагнитной восприимчивости χ, помещенный в магнитное поле Н, приобретает дополнительный магнитный момент М, величина которого равна; (М=m·I)

М = m χ Н. (1)

Если образец помещен в неоднородное поле, то на него действует сила f, которая стремится втянуть образец в поле с градиентом dH/dx

Сила f равна

(2)

Если предварительно в такое же поле Н поместить эталон с известной парамагнитной восприимчивостью χ₁, то сила f₁ с которой он втягивается в поле с большим градиентом, равна

(3)

Таким образом, можно определить парамагнитную восприимчивость образца относительным методом по сравнению с эталоном:

(4)

Определение будет правильным только в том случае, если для образца и эталона соблюдается условие

(5)

т. е. если образец и эталон были помещены первоначально в одно и то же место межполюсного пространства с одинаковыми значениями напряженности магнитного поля H и градиента dH/dx.

Метод Фарадея обладает достаточно высокой чувствительностью и применяется как относительный метод определения парамагнитной восприимчивости, так как для определения абсолютным методом необходимо было бы оценить величину dH1/dx, что сделать экспериментально весьма затруднительно.

Описание установки.

Установка, схема которой приведена на рисунке 2, состоит из следующих основных частей:

1- микроаналитические весы,

2- ферромагнитный сердечник,

3 –соленоид,

4 – электромагнит,

5 – стойка,

6 - образец,

7 - осветительная система,

8 – амперметр,

9 – реостат,

10 – выпрямитель,

11 - аккумуляторная батарея.

Рисунок 2 Схема установки для определения пара- и диамагнитной восприимчивости по методу Фарадея.

Электромагнит, питается от выпрямителя. Полюса электромагнита скошены, что позволяет получить неоднородное поле. Микроаналитические весы служат для определения силы, с которой образец втягивается в неоднородное магнитное поле. Весы уравновешиваются сердечником, который помещен в соленоид, Соленоид питается от аккумуляторной батареи. Регулировка тока в сети соленоида производится реостатом, контроль тока — амперметром. Образец подвешивается на стойке с помощью кварцевой нити. Осветительная система позволяет устанавливать образцы в одно и то же место межполюсного пространства.

Образец подвешивают к правому плечу микроаналитических весов с таким расчетом, чтобы нижний край образца находился на уровне световой отметки осветительной системы. Затем весы приводятся в равновесие при помощи разновеса и рейтера.

После включения тока в обмотку электромагнита образец, втягиваясь в межполюсное пространство электромагнита, выводит микроаналитические весы из равновесия. Для уравновешивания применяется соленоид с помещенным внутри сердечником. При пропускании тока через соленоид ферромагнитный сердечник будет втягиваться в соленоид. Ферромагнитный сердечник жестко связан с левым плечом микроаналитических весов, поэтому, регулируя ток, подаваемый в соленоид, можно вновь добиться равновесия весов. Величину тока I фиксируют по амперметру. После этого подвешивают эталон с точно известной величиной парамагнитной восприимчивости χ1. Эталон устанавливают точно по уровню подвешенного образца, пользуясь световой отметкой от осветительной системы.

В соленоиде определяют силу тока I1, необходимую для приведения весов в равновесие при включенном электромагните.

Магнитную восприимчивость исследуемого образца χ определяют по формуле (6). Значения m и m1 определяют взвешиванием образца и эталона на аналитических весах.

(6)