Магнитные свойства вещества

Содержание.

Диа- и парамагнетики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ферромагнетики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Магнитные моменты  электронов и атомов. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Список использованной литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Диа- и парамагнетики.

      Еще Фарадей установил, что  все вещества, будучи помещенными  во внешнее магнитное поле, намагничиваются.  По степени намагничивания их  делят на две группы - слабые  и сильные магнетики. К слабым  магнетикам относятся диамагнетики  и парамагнетики.

     Диамагнетики - это вещества, у которых магнитные  моменты ядер и электронов  в атомах скомпенсированы и  полный магнитный момент каждого  атома равен нулю. Под действием  внешнего магнитного поля у  атомов диамагнетиков индуцируется  магнитный момент  который пропорционален величине внешнего поля и противоположен по направлению вектору Таким образом, диамагнетик во внешнем поле намагничивается, но его магнитная восприимчивость отрицательна, а магнитная проницаемость меньше единицы. По порядку величины магнитная восприимчивость диамагнитных газов лежит в области |10-9÷10-8|, а у жидких и твердых диамагнетиков |10-6÷10-5|. На диамагнетик со стороны внешнего магнитного поля действует сила, которая выталкивает диамагнетик в область более слабого поля.

      Рассмотрим поведение висмутового  стержня во внешнем неоднородном  магнитном поле.

     а)

     в)

                                                   рис 1.1

     Возьмем стержень из диамагнитного вещества и подвесим его между полюсами электромагнита, как показано (рис. 1.2 а). Кружки в стержне - это атомы  диамагнетика с нулевым магнитным  моментом. Подадим питание на катушки  электромагнита. Между наконечниками  возникнет неоднородное магнитное  поле , и диамагнетик намагнитится. Индуцированные магнитные моменты атомов (они показаны стрелками) будут ориентированы против магнитного поля (рис. 1.1б). Но на суммарный магнитный момент диамагнетика во внешнем неоднородном поле действует сила: где

     Несимметричности  внешнего поля, ориентации и формы  диамагнетика приведут к тому, что  силы и будут отличаться друг от друга численно и не будут лежать на одной прямой. Вследствие этого диамагнетик начнет поворачиваться вокруг оси подвеса и перемещаться в поле Движение стержня будет продолжаться до тех пор, пока силы и не уравновесят друг друга (рис. 1.1в).

     Отметим лишний раз, что при любом положении  диамагнетика индуцированные магнитные  моменты  его атомов всегда ориентированы против .

     Парамагнетики - это вещества, атомы которых  имеют ненулевые магнитные моменты  Но в обычном состоянии эти магнитные моменты ориентированы хаотично и полный магнитный момент парамагнитного тела равен нулю, т.е. парамагнетик не намагничен. При помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты его атомов ориентируются по полю, т.е. , и парамагнетик намагничивается. Магнитная восприимчивость парамагнетика , а магнитная проницаемость μn>1. По порядку величины восприимчивость парамагнитных газов лежит в области (10-7÷10-6), а у жидких и твердых парамагнетиков (10-6÷10-4). Со стороны внешнего магнитного поля на парамагнетик действует сила, которая втягивает парамагнетик в область более сильного поля.

     Рассмотрим  поведение парамагнитного стержня, подвешенного на нити в неоднородном внешнем магнитном поле

     а)

     б)

     в)

                                                         рис. 1.2                                

     Возьмем стержень из парамагнетика и подвесим его между полюсами электромагнита, как показано на рисунке 1.2 а. Кружки со стрелочками внутри стержня - это  атомы парамагнетика с хаотически ориентированными магнитными моментами  . При подаче питания на катушки электромагнита между его наконечниками возникает неоднородное магнитное поле . Под действием поля магнитные моменты атомов ориентируются так, что и парамагнетик намагничивается (рис. 1.2 б), но на суммарный магнитный момент парамагнетика со стороны внешнего магнитного поля действует сила

     Несимметричности  внешнего поля, ориентации подвеса  и формы тела приведут к тому, что силы и будут отличаться друг от друга численно и по направлению. Вследствие этого парамагнетик начнет поворачиваться вокруг оси подвеса и перемещаться в поле . Вращение стержня будет происходить до тех пор, пока силы и не будут находиться на одной прямой (рис. 1.2б). Но т.к. , то парамагнетик под действием большей из них силы притянется к наконечнику электромагнита.

     Диа- и парамагнетики называются слабыми  магнетиками, т.к. их магнитные восприимчивости  имеют значения |10-9÷10-4| , и при комнатных температурах упорядоченное направление после намагничивания парамагнетика достаточно легко разрушается тепловым хаотическим движением атомов, т.е. парамагнетик размагничивается. Другими словами, магнитная проницаемость μ у слабых магнетиков мало отличается от единицы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ферромагнетики.

     В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных  атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями  его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа.

     В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это указывает зависимость  магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными  свойствами. Таков, например, сплав  Гойслера, почти не уступающий по своим  магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабо магнитных  металлов, как медь (60%), марганец (25%) и алюминий (15%). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75% железа и 25% никеля, почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.

     Ферромагнитные  вещества отличаются от парамагнитных  не только весьма большим значением  магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между  намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность  находит свое выражение в явлении  гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы.

     В чем причина гистерезиса? Вид  кривых - различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при  увеличении поля Н и ходом его  размагничивания при уменьшении Н,- показывает, что при изменении  намагничивания ферромагнетика, т. е. при  увеличении или уменьшении напряженности  внешнего поля, ориентация и дезориентация  элементарных магнитов не сразу следует  за полем, а происходит с известным  отставанием. Подробное изучение процессов  намагничивания и размагничивания  железа и других ферромагнитных веществ  показало, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или  молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами,- небольших участков вещества, содержащих очень большое количество атомов.

     Взаимодействие  магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в  пределах каждой такой области и  выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно  друг другу, как показано на рис. 2.1. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагииченным.

     Под влиянием внешнего поля происходит перестройка  и перегруппировка таких «областей  самопроизвольного намагничивания», в результате которой получают преимущество те области, намагничивание которых  параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.

     Один  из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 2.1. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны друг к другу.

     При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе  ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная  параллельно внешнему полю, расширяется  за счет тех областей, в которых  направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях  возможны и повороты направления  ориентации всех атомов в пределах целой области.

     При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации  этих областей, т. е. размагничивание  тела. Ввиду больших по сравнению  с атомами размеров «областей  самопроизвольного намагничивания»  как процесс ориентации их, так  и обратный процесс дезориентации  происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или  дезориентации отдельных молекул  или атомов, имеющее место в  парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, т. е. гистерезис ферромагнитных тел.

     Один  из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 2.1. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны друг к другу.

     При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе  ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная  параллельно внешнему полю, расширяется  за счет тех областей, в которых  направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях  возможны и повороты направления  ориентации всех атомов в пределах целой области.

     При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации  этих областей, т. е. размагничивание  тела. Ввиду больших по сравнению  с атомами размеров «областей  самопроизвольного намагничивания»  как процесс ориентации их, так  и обратный процесс дезориентации  происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или  дезориентации отдельных молекул  или атомов, имеющее место в  парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения  внешнего поля, т. е. гистерезис ферромагнитных тел.

     Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая ориентацию молекулярных магнитов в «областях самопроизвольного намагничивания» А и В.

     а) Внешнее магнитное поле отсутствует;

     б) под действием внешнего магнитного поля Н области А и В перестраиваются.

     В последнее время в связи с  микроминиатюризацией радиоэлектронной аппаратуры проявляется большой  интерес к изучению и использованию  для обработки информации специфических  доменных структур- полосовых, цилиндрических доменов (ЦМД) и ряда других. Долгое время микроминиатюризация магнитных  элементов и устройств значительно  отставала от микроминиатюризации  полупроводниковых устройств. Однако, в последние годы здесь достигнуты большие успехи. Они связаны с  возможностью использования единичного магнитного домена в качестве элементарного  носителя информации. Обычно таким  носителем информации является ЦМД. Он формируется при определенных условиях в монокристаллических  пластинках или пленках некоторых  ферритов.

     Доменная  структура таких тонких ферритовых пленок весьма специфична. Характер доменов  и границ между ними существенно  зависит от толщины пленки. При  малой толщине из-за того, что  размагничивающий фактор в плоскости  пленки на много порядков меньше, чем  в направлении нормали к ней, намагниченность располагается  параллельно плоскости пленки. В  этом случае образования доменов  с противоположными направлениями  намагничивания по толщине пленки не происходит. В пленках, толщина которых  больше некоторой критической, возможно образование доменов полосовой  конфигурации. Пленка разбивается на длинные узкие домены шириной  от долей микрометра до нескольких микрометров, причем соседние домены намагничены  в противоположных направлениях вдоль нормали к поверхности. Такие магнитные пленки получили название «закритических», их толщина  находится в пределах 0,3-10 мкм

     Приложение  внешнего магнитного поля, направленного  перпендикулярно плоскости пленки с полосовыми доменами, приводит к  изменению размеров и формы доменов. При увеличении поля происходит уменьшение длины полосовых доменов, а затем  наименьший домен превращается в  цилиндрический. В некотором интервале  значений внешнего магнитного поля в  пленке могут существовать как полосовые  домены, так и ЦДМ. Дальнейшее увеличение поля приводит к тому, что ЦДМ  уменьшается в диаметре, а оставшиеся полосовые домены превращаются в  цилиндрические. ЦДМ могут исчезнуть (коллапсировать) при достижении некоторого значения поля и, таким образом, вся  пленка намагнитится однородно. Впервые ЦДМ наблюдались в пленках ортоферритов – веществах, имеющих химическую формулу

     RfeO3, где R- редкоземельный элемент.

     ЦДМ могут использоваться для создания запоминающих и логических устройств. При этом наличие домена в данной точке пленки соответствует значению «1», а отсутствие –значению «0». Для хранения и передачи информации с помощью ЦДМ нужно уметь  формировать домены, хранить их, перемещать в заданную точку, фиксировать  их присутствие или отсутствие (т.е. считывать информацию), а также  разрушать ненужные ЦДМ.

     Кривые  намагничивания для различных сортов железа и стали:/ — мягкое железо; 2 — закаленная сталь; 3 — незакаленная сталь.

     Зависимость от Н у магнитного сплава пермаллоя (1) и у мягкого железа (2) 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Магнитные моменты электронов и атомов.

     Рассматривая  действи; 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 m. Для того чтобы разобраться  в магнитных свойствах сред и  их влиянии на магнитную индукцию, необходимо рассмотреть действи; 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 pm=ISn, модуль которого

     где I=en ≈ сила тока, n ≈ частота вращения электрона по орбите, S ≈ площадь  орбиты. Если электрон движется по часовой  стрелке (рис. 187), то ток направлен  против часовой стрелки и вектор рm направлен перпендикулярно плоскости  орбиты электрона, как указано на рисунке.

     С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса Le, модуль которого, согласно

     где v = 2pn, pr2 = S. Вектор Le (его направление  также определяется по правилу правого  винта) называется орбитальным механическим моментом электрона. 

     Из  рис. 187 следует, что направления  рm и Le, противоположны, поэтому, учитывая выражения  получим 

     где величина  

     называется  гиромагнитным отношением орбитальных. Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой  орбиты, хотя для разных орбит значения v и r различны. Формула выведена для круговой орбиты, но она справедлива и для эллиптических орбит.

         Экспериментальное определение гиромагнитного отношения проведено в опытах Эйнштейна и де Гааза* (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 √(e/m). Таким образом, знак носителей, обусловливающих молекулярные токи, совпадал со знаком заряда электрона, а гиромагнитное отношение оказалось в два раза бо2льшим, чем введенная ранее величина g .Для объяснения этого результата, имевшего большое значение для дальнейшего развития физики, было предположено, а впоследстви; доказано, что кроме орбитальных моментов (см. (131.1) и (131.2)) электрон обладает собственным механическим моментом импульса Les, 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 Les, соответствует собственный (сотовый) магнитный момент рms, пропорциональный Les и направленный в противоположную сторону:

     где ħ=h/(2p) (h≈постоянная Планка), mb≈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)═  равен 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. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Список  использованной литературы:

1. Иродов И.Е.  «Электромагнетизм». Основные законы

М. ; Лаборатория  базовых знаний, 2000

2. Павлов П.В., Хохлов А.Ф. “Физика твердого  тела” 

М. – Высшая школа, 2000

3. Элементарный учебник физики под ред. Ландсберга Г.С. “Электричество и магнетизм”

М. – Наука, 1975

4. Трофимова Т.И. “Курс физики”

М. – Высшая школа, 1999