Магнітні властивості речовини. Діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики

Причому ‘ визначається тільки магнітними властивостями середовища. Магнітна індукція , що характеризує внутрішнє магнітне поле в речовині, пов’язана з напруженістю поля співвідношенням = μ0μ – відносна магнітна проникність середовища. У свою чергу, 0 = μ0. Тоді

Звідси стає зрозумілим фізичний зміст величини μ: відносна магнітна проникність середовища показує, у скільки разів змінюється індукція магнітного поля, якщо простір, у якому воно існує, заповнити певним магнетиком. Залежно від значення магнітної проникності μ усі речовини поділяють на три групи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики. Для діамагнетиків магнітна проникність μ < 1, для парамагнетиків μ > 1 і для феромагнетиків μ ” 1. У випадку діамагнетиків і парамагнетиків ц дуже мало відрізняється від одиниці.

Фізичні принципи існування середовищ із різними магнітними властивостями криються насамперед у магнетизмі складових частинок речовини – атомів і молекул. В атомах і молекулах будь-якої речовини існують колові струми, зумовлені рухом електронів по орбітах навколо ядер, – орбітальні струми. Кожному такому орбітальному струму відповідає певний магнітний момент – орбітальний магнітний момент, який визначається добутком сили колового струму на площу, яку він охоплює. Вектор орбітального магнітного моменту напрямлений уздовж осі колового струму (збігається з напрямом індукції магнітного поля в центрі колового струму). До того ж для електронів характерний власний, або спіновий, магнітний момент. Власний магнітний момент мають ядра атомів. Геометрична сума орбітальних та спінових магнітних моментів електронів і власного магнітного моменту ядра утворює магнітний момент M атома (молекули) речовини. При накладанні зовнішнього магнітного поля відбувається впорядкування напрямів векторів магнітних моментів атомів і молекул магнетика, внаслідок чого макроскопічний об’єм V магнетика набуває певного сумарного магнітного моменту – речовина намагнічується.

Для характеристики намагнічування речовин уведено фізичну величину, яку називають інтенсивністю намагнічення. Вектором інтенсивності намагнічення називають границю відношення магнітного моменту будь-якого об’єму речовин до цього об’єму:

Де n – кількість частинок, що містяться в об’ємі V речовини; Mі – магнітний момент окремої частинки (атома або молекули). Експериментально встановлено, що інтенсивність намагнічення пропорційна напруженості зовнішнього магнітного поля, тобто

Величину χ, яка чисельно дорівнює магнітному моменту одиниці об’єму речовини, внесеної в магнітне поле з одиничною напруженістю, називають магнітною сприйнятливістю речовини. На відміну від магнітної проникності, що характеризує вплив середовища на магнітне поле, магнітна сприйнятливість характеризує вплив поля на речовину. Відповідні теоретичні розрахунки показують, що μ і χ пов’язані між собою співвідношенням

Магнітна сприйнятливість – безрозмірна величина. Для діамагнетиків χ < 0, а для парамагнетиків χ > 0. У випадку феромагнетиків магнітна сприйнятливість також додатна величина, але на відміну від парамагнетиків має великі числові значення. До того ж для них характерна залежність магнітної сприйнятливості від напруженості зовнішнього магнітного поля. Такої залежності немає у парамагнетиків і діамагнетиків.

До діамагнетиків належать речовини, магнітні моменти атомів і молекул яких при відсутності зовнішнього магнітного поля дорівнюють нулю. Діамагнетиками є інертні гази, більшість органічних сполук, багато металів (вісмут, цинк, золото, мідь, срібло, ртуть та ін.), смоли, вода, скло тощо. В цих речовинах орбітальні магнітні моменти всіх електронів атома чи молекули взаємно компенсують один одного.

При внесенні діамагнітної речовини у магнітне поле в кожному її атомі виникає магнітний момент Mі, напрямлений протилежно вектору напруженості – магнітного поля.

Значення магнітної сприйнятливості діамагнетиків дуже мале (порядку 10-6). Тому діамагнітний ефект незначний. Істотно, що цей ефект виникає в усіх без винятку речовинах, внесених у магнітне поле. Проте в пара – й феромагнетиках діамагнітний ефект непомітний.

Якщо векторна сума орбітальних магнітних моментів у всіх електронів атома (або молекули) не дорівнює нулю, то атом в цілому має певний магнітний момент M. Такі атоми (молекули) називають парамагнітними, а речовини, що з них складаються, – парамагнетиками. До парамагнетиків належать: кисень, оксид азоту, алюміній, платина, рідкісноземельні елементи, лужні й лужноземельні метали тощо. Процес намагнічування парамагнетика полягає в упорядкуванні розміщення магнітних моментів його атомів (або молекул) щодо напряму магнітного поля, в подоланні при цьому впливу теплового руху, що зумовлює, якщо немає поля, хаотичний розподіл цих моментів. Магнітний момент окремого атома Pmі має значення порядку 10-23 Дж/Тл (10-20 ерг/Гс), але сукупна дія магнітних моментів усіх атомів, які містяться в одиниці об’єму речовини, приводить до ефекту намагнічування, що значно перевищує діамагнітний ефект. У парамагнітному тілі виникає власне магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле.

Магнітна сприйнятливість парамагнетиків χ > 0, і її значення за звичайних температур перебуває в межах 10-3… 10-5. Здатність парамагнетиків намагнічуватись різна за різних температур, тобто їхня магнітна сприйнятливість залежить від температури: вона зменшується з підвищенням температури. Магнітна сприйнятливість діамагнетиків практично не залежить від температури. Для багатьох парамагнітних речовин залежність χ від температури описується законом Кюрі:

Де С – стала Кюрі, що залежить від роду речовини; Т – абсолютна температура. Магнітна сприйнятливість таких речовин монотонно змінюється з температурою. Подібні речовини, прикладом яких є багато солей елементів рідкісноземельної групи і групи заліза, називають нормальними парамагнетиками. За дуже низьких температур спостерігаються відхилення від закону Кюрі. Другу групу парамагнетиків становлять речовини з аномальним парамагнітним ефектом, який полягає в тому, що для них х практично не залежить від температури. Прикладом таких парамагнетиків є лужні і лужно-галоїдні метали – ванадій, манган тощо.

Феромагнітними речовинами – феромагнетиками – називають такі речовини, в яких внутрішнє (власне) магнітне поле може в сотні й тисячі разів перевищувати зовнішнє магнітне поле, що його спричинило. До феромагнетиків належать залізо, нікель, кобальт і ряд сплавів, причому феромагнетизм виявлено лише у кристалічному стані перелічених речовин.

Експериментальне вивчення феромагнетиків 1871 р. було розпочато О. Г. Столєтовим. Він досліджував залежність інтенсивності намагнічування заліза від напруженості намагнічувального магнітного поля. Цю залежність показано на рис. 9.9. З нього видно, що, починаючи з деякого значення Н = Нн, числове значення вектора інтенсивності намагнічування практично залишається сталим і дорівнює Ін. Це явище О. Г. Столєтов назвав магнітним насиченням. На рис. 9.10 зображено криву залежності магнітної індукції від напруженості магнітного поля. Вона відрізняється від попередньої кривої тим, що не має горизонтальної частини. Це можна пояснити, якщо врахувати, що вектор магнітної індукції результуючого магнітного поля в магнетику дорівнює векторній сумі магнітних індукцій зовнішнього (намагнічувального) і внутрішнього (власного) полів й визначається співвідношенням

Справді, як тільки настає стан насичення, другий доданок у формулі (9.43) залишається незмінним і збільшується лише за рахунок першого доданка.

Рис. 9.9 Рис. 9.10 Рис. 9.11

Істотною особливістю феромагнетиків є залежність μ від Н. Відносна магнітна проникність μ феромагнетика спочатку швидко зростає зі збільшенням Н, досягає максимуму і потім спадає, наближаючись до одиниці при сильних намагнічувальних полях (рис. 9.11). Це легко пояснити, виходячи з того, що

При насиченні I = const. Тоді якщо напруженість зовнішнього магнітного поля Н прямує до нескінченності, а → 0, то μ → 0. Максимальні значення μ для феромагнетиків дуже великі. Так, для заліза μmах = 5000, для силіцієвого заліза (що містить 3,3 % Sі) – 10 000, для чавуну (З % С) – 2000 і для пермалою (78 % Nі i 22 % Fе) – 100 000.

Для феромагнетиків характерна ще одна особливість: за певної для кожного феромагнетика температури Тк, яку називають точкою Кюрі, вони втрачають притаманні їм властивості й перетворюються в звичайний парамагнетик. Залежність магнітної сприйнятливості χ від температури для таких парамагнетиків описується законом Кюрі – Вейса:

Де С’ – стала, що залежить від роду речовини; Т – абсолютна температура; Тк – температура Кюрі. Температура Кюрі неоднакова для різних феромагнетиків. Наприклад, для заліза вона становить 780 °С, для кобальту – 1150, для нікелю – 358 °С.

Праці О. Г. Столєтова дали змогу створити теорію феромагнітних явищ. Класичну теорію феромагнетизму розробив французький фізик П. Вейс. В основу цієї теорії покладено дві гіпотези. Перша з них полягає в тому, що в певних межах температур (від абсолютного нуля до точки Кюрі) феромагнетикам властиве спонтанне намагнічування, яке не залежить від наявності зовнішнього намагнічувального поля. Проте досліди показали, що у разі відсутності зовнішнього поля, якщо не враховувати явища магнітного гістерезису, про яке йтиметься далі, будь-яке феромагнітне тіло в цілому буде розмагнічено. Це змусило ввести другу гіпотезу про те, що нижче від точки Кюрі будь-яке феромагнітне тіло розбивається на малі ділянки, яким характерне однорідне спонтанне намагнічування. Такі ділянки називаються доменами. Лінійні розміри доменів досягають 10-2… 10-3 см.

Без зовнішнього магнітного поля вектори магнітних моментів окремих доменів орієнтовані в просторі хаотично, тому результуючий магнітний момент усього тіла дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле, що діє на феромагнетик, орієнтує магнітні моменти не окремих частинок, як це було у випадку парамагнетиків, а цілих ділянок спонтанного намагнічування. Очевидно, магнітне насичення настає тоді, коли вектори магнітних моментів у всіх ділянках спонтанного намагнічування встановлюються паралельно зовнішньому магнітному полю.

О. Г. Столєтов вивчав також явище намагнічування феромагнетика в змінному за значенням і напрямом зовнішньому магнітному полі й установив важливу властивість феромагнетиків: здатність зберігати намагнічування після того, як зовнішнє магнітне поле перестає діяти.

Нехай намагнічування феромагнетика до насичення (точка а, рис. 9.12) відбувається по кривій Оа. Якщо далі зменшувати напруженість Н намагнічувального поля, то при цьому інтенсивність намагнічування І змінюється за кривою, розміщеною вище від кривої аО. При Н = 0 інтенсивність намагнічування І виявляється відмінною від нуля: у феромагнетику спостерігається залишкова інтенсивність намагнічування IR, зумовлена тим, що й після припинення дії зовнішнього поля в частини доменів зберігається переважна орієнтація їхніх магнітних моментів. Щоб повністю розмагнітити цей зразок, треба створити магнітне поле з напруженістю, що дорівнює Нк, напрямлене в протилежний бік. Величину Нк називають коерцитивною (затримувальною) силою. При подальшому збільшенні магнітного поля, протилежного початковому, намагнічування зразка знову досягне насичення (точка b). Повертаючись поступово до напруженості намагнічувального поля +Нн, дістанемо замкнену криву, яка називається петлею гістерезису. Коерцитивна сила характеризує властивість феромагнетика зберігати намагніченість і разом з магнітною проникністю визначає можливість його застосування для тих чи інших практичних цілей.

Рис. 9.12

При намагнічуванні феромагнетика змінюється його форма і об’єм. Це явище називають магнітострикцією. У 1842 р. явище магнітострикції відкрив Дж. Джоуль. Уперше правильне пояснення цьому явищу дав М. С. Акулов 1928 р. Проте не всі особливості в поведінці фізичних властивостей феромагнетиків, у тому числі і явище спонтанного намагнічування, можна пояснити, виходячи з класичної теорії магнетизму.

Сучасну теорію феромагнетизму 1928 р. побудували Я. І. Френкель і В. Гейзенберг. Відповідальними за діамагнітні властивості феромагнетиків є власні магнітні моменти електронів (спінові магнітні моменти). За певних умов у кристалах виникають так звані обмінні сили, які примушують магнітні моменти електронів установлюватись паралельно один одному, внаслідок чого і виникають ділянки спонтанного (самодовільного) намагнічування, що називаються доменами.