1. Магнітні моменти електронів. Намагніченість речовини (вектор намагнічення)

Всі речовини є магнетиками, тобто намагнічуються. Інша справа, яке це намагнічення, як його характеризувати. Відповідь на такі питання можна отримати, вивчаючи внутрішню будову речовини, розглядаючи ті структурні елементи, які визначають магнітні властивості даної речовини. Так, електрон, який обертається навколо ядра атома еквівалентний коловому струму , де е - заряд електрона, Т - період його обертання. Даний коловий струм створює магнітне поле і магнітний момент P_m електрона, який рухається навколо ядра атома називається орбітальним магнітним моментом і він дорівнює добутку сили струму І на площу орбіти S (50.1). Магнітний момент - вектор, напрям якого визначається за правилом свердлика (рис. 50.1).

(50.1).

Крім орбітального магнітного моменту електрон володіє ще власним магнітним моментом, який отримав назву спінового магнітного моменту. Магнітним моментом володіють і ядра атомів, але їх вклад в магнітні властивості речовини дуже малий і тому магнітні властивості речовини визначаються орбітальними та спіновими магнітними моментами, які входять в склад атомів (молекул) речовини. Якщо ці магнітні моменти орієнтовані хаотично, то речовина не намагнічена і векторна сума магнітних моментів електронів дорівнює нулю. В зовнішньому магнітному полі відбувається орієнтація магнітних моментів електронів і їх векторна сума вже не дорівнює нулю (речовина намагнічується).

Відношення (50.2) сумарного магнітного моменту атомів речовини до об’єму речовини V кількісно характеризує її намагнічення і називається намагніченістю або вектором намагнічення.

. (50.2)

2. Магнітна сприйнятливість і магнітна проникність речовини. Діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики

У несильних магнітних полях намагніченість речовини пропорційна напруженості Н зовнішнього магнітного поля (50.3), де -("хі") - магнітна сприйнятливість речовини, безрозмірна величина, яка характеризує магнітні властивості даної речовини (як ця речовина "сприймає" магнітне поле). Якщо ж порівняти індукцію В магнітного поля¹ в речовині з індукцією В₀ магнітного поля у вакуумі (намагнічуючого поля), то отримаємо іншу характеристику магнітних властивостей речовини - магнітну проникність  (50.4.). Зв'язок між магнітною проникністю  та магнітною сприйнятливістю  встановлюється співвідношенням (50.5).

(50.3)

(50.4)

(50.5)

У залежності від значень  або  речовини за своїми магнітними властивостями можна поділити на три основні групи.

а) Діамагнетики, для яких магнітна сприйнятливість від'ємна і дуже мала за абсолютним значенням. Наприклад, для води =-0,000009. Згідно (50.5) для діамагнетиків <1.

б) Парамагнетики, в яких магнітна сприйнятливість мала, але додатня. Так, для алюмінію =1,000023. Магнітна проникність парамагнетиків >1.

в) Феромагнетики, які характеризуються великим додатнім значенням  і  знаходиться в межах (10³-10⁵).

До феромагнетиків відносяться залізо, нікель, кобальт, гадоліній а також окремі сплави. В останній час широкого застосування набули напівпровідникові феромагнітні матеріали - ферити.

3. Природа феромагнетизму. Намагніченість феромагнетиків. Крива намагнічення

Особливі магнітні властивості феромагнетиків пояснюються на основі їх доменної структури (домен - від французького слова "володіння").

Д омени - мікроскопічні області (10^-3 - 10^-4 мм) спонтанного (самовільного) намагнічення. Механізм виникнення спонтанного намагнічення пояснює квантова фізика, де розглядаються особливі сили обмінної взаємодії, в результаті яких спінові магнітні моменти електронів незаповнених електронних оболонок атомів орієнтуються в одному напрямі. На рис. 50.2 схематично зображена доменна структура феромагнетика, де стрілками вказані напрями магнітних моментів окремих доменів. Напрями цих моментів для різних доменів різні, так, що у відсутності зовнішнього магнітного поля, сумарний магнітний момент всього тіла рівний нулю.

Дія магнітного поля на домени на різних стадіях намагнічення є різна.

С початку відбувається зміщення границь доменів, "ростуть" ті домени, магнітні моменти яких складають малі кути з напрямом зовнішнього поля. Далі має місце інший ефект - магнітні моменти доменів повертаються в напрямі зовнішнього поля. Нарешті, коли всі магнітні моменти доменів будуть орієнтовані в напрямі зовнішнього поля, наступає явище магнітного насичення. Подальше збільшення напруженості магнітного поля вже не приводить до збільшення намагніченості. На рис.50.3 наведена крива намагнічення феромагнетика, магнітний момент якого спочатку був рівним нулю. Така крива називається основною або нульовою кривою намагнічення.

На даній кривій ділянка 1 відповідає збільшенню намагнічення за рахунок росту доменів та їх орієнтації вздовж поля, а ділянка 2 характеризує насичення¹.