Магнитные свойства вещества

Не все вещества одинаково проводят силовые линии магнитного поля. Так, например, через железо магнитные силовые линии проходят во много раз легче, чем через воздух. Другими словами способность железа проводить магнитный поток больше, чем окружающего воздуха, поэтому индукция магнитного поля в железе больше, чем в воздухе.

Величина, характеризующая магнитные свойства среды, в которой действует магнитное поле, называется магнитной проницаемостью (). Она показывает, во сколько раз магнитная индукция В в однородной изотропной среде больше (или меньше), чем в вакууме:

Для вакуума . Если магнитная проницаемость какого-либо вещества меньше единицы, то это вещество называют диамагнитным. В таких веществах магнитное поле слабее, чем в вакууме при прочих равных условиях. К диамагнитным материалам относятся медь, серебро, углерод и другие (табл. 3.1).

Таблица 3.1

Вещество Вещество
Водород (газообразный) 0,999937 Серебро 0,999981
Вода 0,999991 Золото 0,999963
Стекло 0,999987 Медь 0,999912
Цинк 0,999991 Висмут 0,999824

 

Если магнитная проницаемость вещества больше единицы, то такое вещество называют парамагнитным. Парамагнитными материалами являются вольфрам, платина, марганец и другие (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Вещество Вещество
Азот (газообразный) 1,000013 Эбонит 1,000014
Воздух (газообразный) 1,000038 Алюминий 1,000023
Кислород (газообразный) 1,000017 Вольфрам 1,000253
Кислород (жидкий) 1,003400 Платина 1,000253

 

Если магнитная проницаемость материала больше единицы во много раз, то такие материалы называют ферромагнитными (железо, никель, кобальт, некоторые сплавы). Эти материалы широко применяются в электротехнике, так как только их можно намагничивать.

Для объяснения магнитных свойств различных веществ рассмотрим механизм действия магнитного поля на движущиеся заряды (электроны) в атомах и молекулах вещества.

Электрон, вращающийся вокруг ядра атома по замкнутой орбите, представляет собой электрический ток (рис. 3.12). Вследствие этого возникает магнитное поле и движение электрона можно охарактеризовать орбитальным магнитным моментом

где - частота вращения электрона по орбите; S – площадь орбиты. Вектор направлен в соответствии с правилом правого винта.

 

Вектор орбитального магнитного момента атома равен геометрической сумме орбитальных моментов отдельных электронов этого атома, т.е.

где Z – порядковый номер химического элемента в таблице Д.И. Менделеева.

Если вещество имеет молекулярное строение, то орбитальный магнитный момент молекулы равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов атомов, входящих в состав молекулы.

Независимо от орбитального движения электроны являются источниками магнитного поля, так как вращаются вокруг собственной оси, т.е. обладают собственным механическим моментом импульса – спином, и, как следствие, собственным (спиновым) магнитным моментом . Проекция вектора на направление вектора может иметь одно из двух значений:

где - магнетон Бора.

Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам вокруг ядра и собственным моментом импульса (рис. 3.13).

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле, происходит упорядочение направлений векторов магнитных моментов отдельных атомов или молекул (намагничивание). В результате макроскопический объем магнетика приобретает определенный суммарный магнитный момент. Векторная физическая величина, определяемая магнитным моментом единицы объема вещества, называется намагниченностью:

где n – число атомов или молекул в объеме V.

У большинства атомов диамагнетиков нет собственного магнитного момента, его магнитный момент индуцирован внешним полем (подобно тому, как появляется электрический момент в неполярных диэлектриках). Учитывая, что наведенный магнитный момент пропорционален индукции внешнего поля , можно записать (по аналогии с диэлектриком)

,

где в данном случае .

Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект называют диамагнитным эффектом. Таким образом, диамагнетики – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля.

Диамагнитный эффект не зависит от температуры, так как тепловое движение атомов не нарушает ориентации индуцированных токов внутри атомов. Диамагнитный эффект присущ практически любому веществу.

Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля собственные магнитные моменты. В отсутствие внешнего магнитного поля эти моменты расположены хаотически, поэтому вектор намагничивания равен нулю.

При внесении парамагнетика в магнитное поле магнитные моменты отдельных атомов или молекул преимущественно ориентируются по полю. Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называют парамагнитным эффектом.

Тепловое движение атомов и молекул нарушает взаимную ориентацию магнитных моментов молекул, поэтому парамагнитный эффект зависит от температуры и парамагнетиков убывает с увеличением температуры.

Предельным случаем парамагнетизма является ферромагнетизм. Его объяснение дается в квантовой теории, где показано, что в системе, состоящей из большого количества молекул, магнитные моменты которых обусловлены спинами электронов, действуют обменные силы, стремящиеся одинаково ориентировать спины двух соседних атомов (молекул). Поэтому в некоторых веществах (железо, сталь, кобальт, никель, их сплавы) возникают микроскопические области, имеющие вследствие сложения спинов электронов значительные магнитные моменты, т.е. самопроизвольно намагниченные до насыщения. Эти области получили название доменов.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю (вещество не намагничено). При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит ориентация по полю магнитных моментов не отдельных атомов, как у парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности.

При возрастании температуры намагничивание ферромагнетиков уменьшается, они теряют свои магнитные свойства и превращаются в парамагнитные вещества. Для каждого ферромагнитного материала есть определенная температура перехода, называемая точкой Кюри. Например, для железа 1043 К, кобальта 1393 К, никеля 631 К.

Характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость , а значит, и является нелинейной и определяется предысторией намагничивания вещества. Это явление называют магнитным гистерезисом.

-Н
При намагничивании магнитное поле внутри ферромагнетика возрастает от нуля до некоторого значения Н (рис. 3.14). Изменение значения индукции в веществе характеризуется кривой ОL. Если уменьшать напряженность поля Н, то изменение индукции изобразится кривой LM, т.е. индукция ферромагнетика будет уменьшаться, но ее значения будут большими для соответствующих значений напряженности внешнего поля при намагничивании. При напряженности поля Н=0 индукция отлична от нуля, т.е. в этом состоянии (отрезок ОМ) ферромагнетик является постоянным магнитом. Чтобы уничтожить остаточное намагничивание, необходимо создать поле –Н, направленное противоположно первоначальному. Напряженность магнитного поля, при которой В=0, называется задерживающей, или коэрцитивной, силой Нк. При последующем изменении поля индукция также изменяется, образуя петлю гистерезиса.

В зависимости от значения задерживающей силы различают мягкие и жесткие ферромагнетики.

Мягкие ферромагнетики имеют узкую петлю гистерезиса и малые значения коэрцитивной силы. К ним относятся железо, пермаллой и некоторые другие материалы. Из мягких ферромагнетиков изготавливают сердечники трансформаторов, генераторов и двигателей.

Жесткие ферромагнетики характеризуются широкой петлей гистерезиса и соответственно большими значениями коэрцитивной силы. К ним относятся сталь и ее сплавы. Жесткие ферромагнетики используются для изготовления постоянных магнитов.

Площадь петли гистерезиса характеризует ту работу, которую необходимо совершить для перемагничивания ферромагнетика.