5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Все вещества, существующие в природе, являются магнетиками, т. е. обладают магнитными свойствами. Универсальность этих свойств объясняется тем, что электроны атомов создают собственное магнитное поле, причем двумя способами: 1) наличием спинового магнитного момента; 2) образованием вокруг ядра атома «облака», создающего орбитальный магнитный момент.

В настоящее время магнетизм представляет собой широкую научную область, а магнитные материалы нашли разнообразные практические применения.

5.1. ДИАМАГНЕТИЗМ И ПАРАМАГНЕТИЗМ

КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНЕТИКОВ

Одной из основных характеристик любого магнетика является намагниченность М, представляющая собой магнитный момент единичного объема:

Магнитные моменты р,- — это, прежде всего, магнитные моменты атомов, обусловленные их орбитальным и собственным магнитными моментами.

Намагниченность является векторной величиной. Она связана с индукцией В (или напряженностью Н) магнитного поля:

Рис. 5.1

Зависимость М(Н) для парамагнетиков (а); диамагнетиков (б)

Здесь ц0 = 4л • 10~7 Гн/м — магнитная постоянная. Величина (.1 получила название относительной магнитной проницаемости среды. Величину х называют магнитной восприимчивостью. Для многих веществ х и ц являются скалярными величинами.

Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной.

Если х < 0, то вектор М анти- параллелен вектору Н. Магнетики, обладающие таким свойством, называют диамагнетиками. При х > 0 вектор М параллелен вектору Н; магнетики, обладающие таким свойством, называют парамагнетиками. В большинстве случаев по модулю магнитная восприимчивость парамагнетиков превышает магнитную восприимчивость диамагнетиков. Зависимость намагниченности этих двух типов магнетиков от напряженности поля является линейной (рис. 5.1). Как в диамагнетиках, так и в парамагнетиках в отсутствие магнитного поля намагниченность равна нулю.

Однако линейная зависимость М от Н для парамагнетиков соблюдается лишь в области не слишком высоких Н. В сильных полях зависимость М(Н) выходит на насыщение, и в этих веществах магнитная восприимчивость х оказывается зависящей от температуры

Формула (5.3) выражает закон Кюри, а константа С! носит название постоянной Кюри.

Кроме диа- и парамагнетиков существует большая группа веществ, обладающих спонтанной намагниченностью, т. е. имеющих не равную нулю намагниченность даже в отсутствие магнитного поля. Эта группа получила название ферромагнетиков. Для них зависимость М(Н) является нелинейной функцией И полный цикл перемагничивания описывается петлей гистерезиса. В этих веществах магнитная восприимчивость сама зависит от Н (рис. 5.2).

Рис. 5.2

Зависимость М(Н) для ферромагнетика при перемагничивании

В отличие от диа- и парамагнетиков, магнитные свойства которых определяются поведением отдельных атомов или свободных электронов, характерной особенностью ферромагнетиков является наличие в них доменов. Домены представляют собой макроскопические области, намагниченные практически до насыщения даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Спонтанная намагниченность доменов обусловлена параллельной ориентацией магнитных моментов атомов. Отличным от нуля магнитным моментом, как правило, обладают те атомы или ионы, которые в своих электронных оболочках имеют нескомпенсированные спины (например, атомы железа на внутренней Зй-оболочке имеют четыре нескомпенсированных спина). Объяснение причин спонтанной намагниченности ферромагнетиков сводится к рассмотрению природы сил, вызывающих спиновую магнитную упорядоченность.

Следует отметить, что намагниченность М выходит на насыщение в полях гораздо меньших, чем в случае парамагнетиков. Если по достижении насыщения напряженность магнитного поля уменьшить до нуля, то у образца сохранится остаточная намагниченность Мг, которая может быть устранена полем противоположного направления Нс. Параметр Нс носит название коэрцитивной силы.

Материалы, имеющие широкую петлю гистерезиса, называются магнитожесткими, они используются для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие вещества обладают узкой петлей гистерезиса, их используют, например, для изготовления сердечников трансформаторов, поскольку потери при их перемагничивании в переменном поле оказываются малыми.

Площадь петли гистерезиса у ферромагнетика имеет определенный физический смысл: она численно равна работе, которую нужно затратить на перемагничивание единицы объема за один цикл. Соответствующая работа А рассчитывается по формуле:

Таким образом, магнитные свойства магнетиков обусловлены, во-первых, магнитными свойствами отдельных атомов и молекул, во-вторых, взаимодействием их магнитных моментов между собой.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >