Діа- і парамагнетики

До парамагнетиків належать речо­вини, атоми яких мають незабудовану до кінця зовнішню електронну підоболонку:

Мg, Аl, Са, Сr, Мn, Рt, кисень атомарний і молекулярний, солі заліза, кобальту, ніке­лю, рідкісноземельних елементів тощо.

За відсутності зовнішнього магніт­ного поля парамагнетик ненамагнічений, оскільки внаслідок теплового руху власні магнітні моменти атомів орієнтовані хао­тично (J=0).

При внесенні парамагнітної речовини в зовнішнє магнітне поле в ній поряд з слаб­ким діамагнітним ефектом виникає переважна орієнтація елементарних магнітних моментів атомів у напрямку цього поля. При звичайних температурах парамагнітний ефект дещо сильніший за діамагнітний. Тому парамагнетики намагнічуються вздовж зовнішнього поля і підсилює його. Магнітна сприйнят­ливість парамагнетиків невелика, але за зна­ком додатна. За величиною вона в середньому на один порядок більша, ніж у діамагнетиків.

У дуже сильних магнітних полях або при дуже низьких температурах спостеріга­ється насиченість: намагніченість не зале­жить від .

Далеко від області насиченості

.

де – магнітна сприйнятливість парамагнетика, причому i .

Макроскопічне парамагнетизм виявля­ється в тому, що парамагнетики втягуються в неоднорідне магнітне поле, а в однорід­ному полі парамагнітний стрижень орієн­тується паралельно до ліній індукції магніт­ного поля.

При нагріванні парамагнетика, який внесений у зовнішнє магнітне поле, тепло­вий рух атомів зростатиме і руйнуватиме ту Орієнтацію елементарних магнітних момен­тів частини атомів, яка встановилася під дією зовнішнього поля. Отже, магнітна сприйнятливість парамагнетиків як ве­личина, що характеризує з макроскопічного погляду магнітні властивості речовини, по­винна залежати від Т:

,

де С – стала Кюрі.

Це співвідношення виражаєзакон Кюрі:

магнітна сприйнятливість парамагнетика обернено пропорційна до його термодинамічної температури.

39. Магнітне поле в речовині. Закон повного

струму для магнітного поля в речовині.

Напруженість магнітного поля

При вивченні магнітного поля в ре­човині (магнетику) розрізняють два типи струмів: макроструми і мікроструми. Макрострумами називають електричні струми провідності, а також конвекційні струми, які зв'язані з рухом заряджених макро­скопічних тіл. Мікрострумами, або молеку­лярними струмами, називаються струми-, які зумовлені рухом електронів в атомах, іонах і молекулах.

Магнітне поле в речовині складаєть­ся з двох полів: зовнішнього поля , яке створюється макрострумами, і внутрішньо­го поля , яке створюється молекулярни­ми струмами.

Вектор магнітної індукції резуль­туючого магнітного поля в речовині дорів­нює векторній сумі магнітних індукцій зовнішнього і внутрішнього полів:

.

Вектор залежить від магнітних властивостей речовини.

Внутрішнє поле, що виникає в діамагнетику, буде напрямлене протилежно зовнішньому. При цьому площини всіх мо­лекулярних струмів розташовуються перпен­дикулярно до напрямку зовнішнього поля так, щоб вектори їхніх магнітних моментів були анти паралельні до вектора .

.

Безрозмірна величина

.

називається відносною магнітною проник­ністю речовини.

Вираз для напруженості поля можна записати у вигляді

.

Отже, напруженость магнітного поля – це вектор, що має той же напрям, що і вектор , але в разів менший за модулем.

40. Феромагнетики

Експериментальне вивчення феро­магнетиків розпочатеО.Г. Столєтовим. Він дослідив залеж­ність намагніченості заліза від напруженос­ті магнітного поля.

Рис. 62

На рис. 18 зображено криву залеж­ності магнітної індукції B від Н. При H>H_н магнітна ін­дукція зростає за лінійним законом залежно від напруженості поля Н . Це пояснюється тим, що намагніченість при цій напруженості поля вже не зміню­ється і вектор магнітної індукції В зале­жить лише від напруженості .

Рис. 63

Відносна магнітна проникність феромагнетика спочатку швидко зростає із збільшенням Н, дося­гає максимуму і потім спадає, прямуючи до одиниці при сильних намагнічувальних полях (рис. 19).

О. Столєтов вивчив явище намагні­чування феромагнетика у змінному за ве­личиною і напрямком зовнішньому магніт­ному полі.Залежність намагніченості від на­пруженості поля Н визначається перед­історією намагнічення феромагнетика (рис. 20). Це явище називаєтьсямагніт­ним гістерезисом.

В експериментах із залізом П. Кюрі встановив, що при певній температурі воно втрачає властивість феромагнетика і пере­ходить в парамагнітний стан. Цю темпе­ратуру називають точкою Кюрі.

Залежність магнітної сприйнятли­вості феромагнетиків від абсолютної тем­ператури Т речовини у феромагнітному ста­ні наближено описується законом Кюрі:

,

де і набуває різних значень у різних температурних інтервалах. Наприклад, при температурах Т, близьких до точки фазовогопереходуТ_с, .

Магнітна сприйнятливість феромагетика в парамагнітній фазі змінюється за законом Кюрі-Вейса: .

Класична теорія феромагнетизму була розроблена П. Вейсом. В основу цієї теорії покладено дві гіпотези. Перша гіпотеза поля­гає в тому, що в певній області температур (від Т=0 до Т =Т_с) феромагнетикам власти­ва спонтанна намагніченість, яка не залежить від наявності зовнішнього магнітного поля. Проте досліди показали, що у разі відсутності зовнішнього магнітного поля, якщо не брати до уваги явище магнітного гістерезису, будь-яке феромагнітне тіло буде в цілому розмаг­нічене. Це примусило ввести другу гіпотезу про те, що при Т <Т_с будь-яке феромагнітне тіло розділяється на малі області, яким власти­ва однорідна спонтанна намагніченість. Такі області називаються доменами. Лінійні розмі­ри доменів досягають І0^-2-10^-3см. Межі доменів (доменні стінки) не слід уявляти у вигляді геометричних площин. Фактично це області, що охоплюють сотні атомних шарів, в яких напрямок намагнічення змінюеться монотонно.

Рис. 64

Коли зовнішнього магнітного поля немає, вектори магнітних моментів окре­мих доменів орієнтуються в просторі хаотично, так що результуючий магнітний мо­мент усього тіла дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле, яке діє на феромагнетики, орієнтує магнітні моменти не окремих час­тинок як у парамагнетиках, а цілих облас­тей спонтанної намагніченості, домени по­чинають збільшуватись в об'ємі за рахунок сусідніх доменів, що мають інші орієнтації намагніченості (рис. 21). При досить силь­ному полі Н_н всі домени повертаються в напрямку поля і феромагнетик намагнічу­ється до насичення. Феромагнітні властивості можуть мати лише кристалічні речовини, в атомах яких недобудовані внутрішні електронні оболонки з нескомпенсованими спінами. У цих криста­лах можуть виникати сили, які примушують спінові магнітні моменти електронів орієнту­ватися паралельно один до одного, що і призводить до виникнення областей спонтан­ного намагнічення. Ці сили, що називаються обмінними силами, мають квантову приро­ду - вони зумовлені хвильовими власти­востями електронів.

 

Лекція №18