Магнитные свойства веществ

Размещено на http://www.allbest.ru/

1.Теории магнетизма

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10-⁶ мм³. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка. На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации. В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию. В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю. Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение, итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них - так называемый эффект Баркгаузена, второе - метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe₃O₄). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля - на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим свободный атом железа - типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй - восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого - отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех - отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой - в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой - С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

2.Магнитные моменты электронов и атомов

Рассматривая действие магнитного поля на проводники с током и на движущиеся заряды, мы не интересовались процессами, происходящими в веществе. Свойства среды учитывались формально с помощью магнитной проницаемости . Для того чтобы разобраться в магнитных свойствах сред и их влиянии на магнитную индукцию, необходимо рассмотреть действие магнитного поля на атомы и молекулы вещества.

Опыт показывает, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов и молекул, положив в основу гипотезу Ампера, согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Для качественного объяснения магнитных явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом , модуль которого



где I=e -- сила тока;

-- частота вращения электрона по орбите;

S -- площадь орбиты.

Если электрон движется по часовой стрелке (рис. 1), то ток направлен против часовой стрелки и вектор (в соответствии с правилом правого винта) направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона, как указано на рисунке.

Рис.1

С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса Le, модуль которого, согласно тому, что момент импульса отдельной частицы равен и направлен по оси в сторону, определяемую правилом правого винта,

где , . Вектор (его направление также определяется по правилу правого винта) называется орбитальным механическим моментом электрона.

Из рис. 1 следует, что направления и противоположны, поэтому, учитывая выражения (1) и (2), получим



где величина

называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов (общепринято писать со знаком «-», указывающим на то, что направления моментов противоположны). Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит значения и различны. Формула (4) выведена для круговой орбиты, но она справедлива и для эллиптических орбит.

Экспериментальное определение гиромагнитного отношения проведено в опытах Эйнштейна и де ГаазаВ. И. де Гааз (1878--1960) -- нидерландский физик.(1915), которые наблюдали поворот свободно подвешенного на тончайшей кварцевой нити железного стержня при его намагничении во внешнем магнитном поле (по обмотке соленоида пропускался переменный ток с частотой, равной частоте крутильных колебаний стержня). При исследовании вынужденных крутильных колебаний стержня определялось гиромагнитное отношение, которое оказалось равным . Таким образом, знак носителей, обусловливающих молекулярные токи, совпадал со знаком заряда электрона, а гиромагнитное отношение оказалось в два раза б?льшим, чем введенная ранее величина (см. (4)). Для объяснения этого результата, имевшего большое значение для дальнейшего развития физики, было предположено, а впоследствии доказано, что кроме орбитальных моментов (см. (1) и (2)) электрон обладает собственным механическим моментом импульса, называемым спином.

Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси, что привело к целому ряду противоречий. В настоящее время установлено, что спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину электрона соответствует собственный (спиновый) магнитный момент, пропорциональныйи направленный в противоположную сторону:

Величина называется гиромагнитным отношением спиновых моментов.

Проекция собственного магнитного момента на направление вектора может принимать только одно из следующих двух значений:

где (h - постоянная Планка);

- магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона.

В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома, следовательно, складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра (обусловлен магнитными моментами входящих в ядро протонов и нейтронов).

Однако магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими пренебрегают. Таким образом, общий магнитный момент атома (молекулы)paвен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:

Еще раз обратим внимание на то, что при рассмотрении магнитных моментов электронов и атомов мы пользовались классической теорией, не учитывая ограничений, накладываемых на движение электронов законами квантовой механики. Однако это не противоречит полученным результатам, так как для дальнейшего объяснения намагничивания веществ существенно лишь то, что атомы обладают магнитными моментами.

3.Классификация веществ по их магнитным свойствам

Для того, чтобы классифицировать вещества по их магнитным свойствам, удобнее всего, для начала, определить, что такое магнит.

Магнит -- тело, обладающее собственным магнитным полем.

Простейшим и самым маленьким магнитом можно считать электрон. Магнитные свойства всех остальных магнитов обусловлены магнитными моментами электронов внутри них. С точки зрения квантовой теории поля электромагнитное взаимодействие переносится безмассовым бозоном -- фотоном (частицей, которую можно представить как квантовое возбуждение электромагнитного поля).

Постоянный магнит -- изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля.

Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля. Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция и коэрцитивная сила, тем выше намагниченность и стабильность магнита. Характерные поля постоянных магнитов -- до 1 Тл (10 кг·с).

Электромагнит -- устройство, магнитное поле которого создаётся только при протекании электрического тока. Как правило, это катушка-соленоид, со вставленным внутрь железным сердечником с большой магнитной проницаемостью. Характерные поля электромагнитов 1,5-2 Тл определяются т. н. насыщением железа, то есть резким спадом дифференциальной магнитной проницаемости при больших значениях магнитного поля.

Таким образом, можно обобщить, что термин магнит, как правило, используется для объектов, которые имеют свое собственное магнитное поле, даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Такое возможно лишь в некоторых классах материалов.

4.Диамагнетики

Всякое вещество является магнетиком, т. е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Ради простоты предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора произвольным образом, составляя с ним угол (рис. 2), то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг , при котором вектор магнитного момента , сохраняя постоянным угол , вращается вокруг вектора с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

Рис.2

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагничен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома (он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов) равен нулю.

Ещё раз подчеркнём:

Диамагнетики -- вещества, в которых в "чистом" виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Происходит небольшое изменение угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Магнитный момент, возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю.

= - (10^-6 - 10^-7), м <1

- слабо изменяется от температуры (т.к. диамагнетизм обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния). Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.

Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения А₃В₅, А₂В₆, кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

5.Парамагнетики

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные -- вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с полярными молекулами (ориентационная, или дипольная, поляризация диэлектрика с полярными молекулами, заключающаяся в ориентации имеющихся дипольных моментов молекул по полю. Естественно, что тепловое движение препятствует полной ориентации молекул, но в результате совместного действия обоих факторов (электрическое поле и тепловое движение) возникает преимущественная ориентация дипольных моментов молекул по полю. Эта ориентация тем сильнее, чем больше напряженность электрического поля и ниже температура.), только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничения.

Подводя итог качественному рассмотрению парамагнетизма, еще раз отметим, что атомы всех веществ являются носителями диамагнитных свойств. Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком.

Таким образом:

Парамагнетики - вещества, которые намагничиваются в направлении вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля.

= (10^-6 - 10^-3), м >1

магнитный электрон атом

- в большинстве случаев сильно зависит от температуры (т.к. тепловая энергия препятствует противодействует созданию магнитной упорядоченности).

При отсутствии внешнего магнитного поля атомы в парамагнетиках обладают магнитным моментом, но из-за теплового движения магнитные моменты распределены хаотично и намагниченность вещества J = 0.

Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно - земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другие.

6.Ферромагнетики

Ферромагнетики -- вещества (как правило, в твёрдом кристаллическом или аморфном состоянии), в которых ниже определённой критической температуры (точки Кюри) устанавливается дальний ферромагнитный порядок магнитных моментов атомов или ионов (в неметаллических кристаллах) или моментов коллективизированных электронов (в металлических кристаллах). Иными словами, ферромагнетик -- такое вещество, которое при охлаждении ниже определённой температуры приобретает магнитные свойства. Последние исследования в области физики показали, что некоторые ферромагнетики, при создании определенных условий, могут приобретать парамагнетические свойства при температурах, которые существенно выше точки Кюри. Поэтому ферромагнетики, наряду со многими другими магнетическими веществами, остаются, как оказалось, плохо изученными веществами до сих пор. Ферромагнитные вещества -- это особый класс веществ, для которых зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля существенно нелинейная, и эквивалентное значение магнитной восприимчивости вещества может составлять десятки и сотни тысяч.

Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейна (рис. 4), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического гальванометра для железа русским физиком А.Г. Столетовым (1839--1896), является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение _нас, уже не зависящее от напряженности поля.

Рис.4

Подобный характер зависимости от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение.

Магнитная индукция B= ₀ (H+J) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=J_нас), В растет с увеличением Н по линейному закону (рис. 5).

Рис. 5

Существенная особенность ферромагнетиков -- не только большие значения (например, для железа -- 5000, для сплава супермаллоя -- 800 000!), но и зависимость от Н (рис. 6). Вначале растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (, поэтому при J = J_нас = const с ростом Н отношение 0, 1).



Рис.6

Обобщим:

Ферромагнетики -- магнитные моменты атомов расположены не беспорядочно, а в результате обменного взаимодействия ориентированы параллельно друг другу с образованием магнитных доменов.

до 10⁶, м « 1

сильно зависят от Н внешнего магнитного поля и температуры. Ферромагнетики легко намагничиваются уже в слабых магнитных полях. Примеры ферромагнетиков: железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы -- гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo₅, где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr)

7.Намагниченность. Магнитное поле в веществе

Подобно тому, как для количественного описания поляризации диэлектриков вводилась поляризованность, для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину -- намагниченность, определяемую магнитным моментом единицы объема магнетика:



где -- магнитный момент магнетика, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул.

Рассматривая характеристики магнитного поля, мы вводили вектор магнитной индукции , характеризующий результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, и вектор напряженности , характеризующий магнитное поле макротоков. Следовательно, магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля, создаваемого током, и поля, создаваемого намагниченным веществом. Тогда можем записать, что вектор магнитной индукции результирующего магнитного ноля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего поля (поля, создаваемого намагничивающим током в вакууме) и поля микротоков (создаваемого молекулярными токами):

+ (7)

где .

Для описания поля, создаваемого молекулярными токами, рассмотрим магнетик в виде кругового цилиндра сечения S и длины , внесенного в однородное внешнее магнитное поде с индукцией. Возникающее в магнетике магнитное поле молекулярных токов будет направлено противоположно внешнему полю для диамагнетиков и совпадать с ним по направлению для парамагнетиков. Плоскости всех молекулярных токов расположатся перпендикулярно вектору , так как векторы их магнитных моментов антипараллельны вектору (для диамагнетиков) и параллельны (для парамагнетиков). Если рассмотреть любое сечение цилиндра, перпендикулярное его оси, то во внутренних участках сечения магнетика молекулярные токи соседних атомов направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются (рис. 3). Нескомпенсированными будут лишь молекулярные токи, выходящие на боковую поверхность цилиндра.

Рис. 3

Ток, текущий по боковой поверхности цилиндра, подобен току в соленоиде и создает внутри него поле, магнитную индукцию , которого можно вычислить, учитывая формулу для N = 1 (соленоид из одного витка):

(8)

где -- сила молекулярного тока, -- длина рассматриваемого цилиндра, - магнитная проницаемость.

С другой стороны, -- ток, приходящийся на единицу длины цилиндра, или его линейная плотность, поэтому магнитный момент этого тока, где V -- объем магнетика. Если -- магнитный момент магнетика объемом V, то намагниченность магнетика



(9)

Сопоставляя (8) и (9), получим, что

или в векторной форме

Подставив выражения для и в (7), получим

или

Как показывает опыт, в несильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничивание, т. е.

где -- безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества. Для диамагнетиков отрицательна (поле молекулярных токов противоположно внешнему), для парамагнетиков -- положительна (поле молекулярных токов совпадает с внешним).



Откуда

Безразмерная величина

представляет собой магнитную проницаемость вещества. Подставив (14) в (13), придем к соотношению.

Так как абсолютное значение магнитной восприимчивости для диа- и парамагнетиков очень мало (порядка 10-⁴ --10-⁶), то для них незначительно отличается от единицы. Это просто понять, так как магнитное поле молекулярных токов значительно слабее намагничивающего поля. Таким образом, для диамагнетиков <0 и <1, для парамагнетиков >0 и >1.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора) является обобщением законаполного тока для магнитного поля в вакууме:

?

где I и I' -- соответственно алгебраические суммы макротоков (токов проводимости) и микротоков (молекулярных токов), охватываемых произвольным замкнутым контуром L. Таким образом, циркуляция вектора магнитной индукции по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов проводимости и молекулярных токов, охватываемых этим контуром, умноженной на магнитную постоянную. Вектор , таким образом, характеризует результирующее поле, созданное как макроскопическими токами в проводниках (токами проводимости), так и микроскопическими токами в магнетиках, поэтому линии вектора магнитной индукции не имеют источников и являются замкнутыми.

Из теории известно, что циркуляция намагниченности по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме молекулярных токов, охватываемых этим контуром:

Тогда закон полного тока для магнитного поля в веществе можно записать также в виде

где I, подчеркнем это еще раз, есть алгебраическая сумма токов проводимости.

Выражение, стоящее в скобках в (15), согласно (11), есть не что иное, как введенный ранее вектор напряженности магнитного поля. Итак, циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов проводимости, охватываемых этим контуром:

Выражение (16) представляет собой теорему о циркуляции вектора.



8.Магнитный гистерезис

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 6), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение J описывается кривой 1 - 2, лежащей выше кривой 1 - 0. При Н = 0 J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничениеJ_ос. С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Н_с, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность Н_с называется коэрцитивной силой.

Рис. 6



При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3 - 4), и при Н = -H_нас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4 - 5 - 6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6--1).

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченностьJизменяется в соответствии с кривой 1 - 2 - 3 - 4 - 5 - 6 - 1, которая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т.е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Различные ферромагнетики дают разные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1--2 А/см) коэрцитивной силой Н_с (с узкой петлей гистерезиса) называются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широкой петлей гистерезиса) -- жесткими.

Явление гистерезиса и связанные с ним потери энергии могут быть объяснены гипотезой элементарных магнитиков. Элементарными магнитиками в веществе являются частицы, обладающие магнитным моментом. Это могут быть магнитные поля вращающихся по орбитам электронов, а также их спиновые магнитные моменты. Причем последние играют в магнитных явлениях наиболее существенную роль.

9. Применение магнитов

Ш Магнитные носители информации: VHS кассеты содержат катушки из магнитной ленты. Видео и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии на ленте. Также в компьютерных дискетах и жестких дисках запись данных происходит на тонком магнитном покрытии. Однако носители информации не являются магнитами в строгом смысле, так как они не притягивают предметы. Магниты в жёстких дисках используются в ходовом и позиционирующем электродвигателях.

Ш Кредитные, дебетовые, и ATM карты: Все эти карточки имеют магнитную полосу на одной стороне. Эта полоса кодирует информацию, необходимую для соединения с финансовым учреждением и связи с их счетами.

Ш Обычные телевизоры и компьютерные мониторы: телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране. Плазменные панели и ЖК мониторы используют другие технологии.

Ш Громкоговорители и микрофоны: большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук). Обмотка намотана на катушку, прикрепляется к диффузору и по ней протекает переменный ток, который взаимодействует с полем постоянного магнита.

Ш Другой пример использования магнитов в звукотехнике -- в головке звукоснимателя электрофона и в кассетных диктофонах в качестве экономичной стирающей головки.

Ш Магнитный сепаратор тяжелых минералов

Ш Электродвигатели и генераторы: некоторые электрические двигатели (так же, как громкоговорители) основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию. Генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путем перемещения проводника через магнитное поле.

Ш Трансформаторы: устройства передачи электрической энергии между двумя обмотками провода, которые электрически изолированы, но связаны магнитно.

Ш Магниты используются в поляризованных реле. Такие устройства запоминают своё состояние на время выключения питания.

Ш Компасы: компас (или морской компас) является намагниченным указателем, который может свободно вращаться и ориентируется на направление магнитного поля, чаще всего магнитного поля Земли.

Ш Искусство: виниловые магнитные листы могут быть присоединены к живописи, фотографии и другим декоративным изделиям, что позволяет присоединять их к холодильникам и другим металлическим поверхностям.

Ш Магниты часто используются в игрушках. M-TIC использует магнитные стержни, связанные с металлическими сферами

Ш Игрушки: Учитывая их способность противостоять силе тяжести на близком расстоянии, магниты часто используются в детских игрушках с забавными эффектами.

Ш Магниты могут использоваться для производства ювелирных изделий. Ожерелья и браслеты могут иметь магнитную застежку, или могут быть изготовлены полностью из серии связанных магнитов и черных бусин.

Ш Магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие чтобы держать их пальцами. Некоторые отвертки специально намагничиваются для этой цели.

Ш Магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.). Та же идея может быть использована в рамках так называемого «Магнитного испытания», в которой кузов автомобиля обследуется с магнитом для выявления областей, отремонтированых с использованием стекловолокна или пластиковой шпатлевки.

Ш Маглев: поезд на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления..

Ш Магниты используются в фиксаторах мебельных дверей.

Ш Если магниты поместить в губки, то эти губки можно использовать для мытья тонких листовых немагнитных материалов сразу с обеих сторон, причём одна сторона может быть труднодоступной. Это могут быть, например, стёкла аквариума или балкона.

Ш Магниты используются для передачи вращающего момента «сквозь» стенку, которой может являться, например, герметичный контейнер электродвигателя. Так была устроена игрушка ГДР «Подводная лодка».

Ш Магниты совместно с герконом применяются в специальных датчиках положения. Например, в датчиках дверей холодильников и охранных сигнализаций.

Ш Магниты совместно с датчиком Холла используют для определения углового положения или угловой скорости вала.

Ш Магниты используются в искровых разрядниках для ускорения гашения дуги.

Ш Магниты используются при неразрушающем контроле магнитопорошковым методом (МПК)

Ш Магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камерах.

Ш Магниты используются в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, амперметр. Такие приборы весьма чувствительны и линейны.

Ш Магниты применяются в СВЧ вентилях и циркуляторах.

Ш Магниты применяются в составе отклоняющей системы электронно-лучевых трубок для подстройки траектории электронного пучка.

Ш До открытия закона сохранения энергии, было много попыток использовать магниты для построения «вечного двигателя». Людей привлекала, казалось бы, неисчерпаемая энергия магнитного поля постоянного магнита, которые были известны очень давно. Но рабочий макет так и не был построен.

Ш Размещено на Allbest.ru

...