4.2.4. Парамагнетики и их свойства

Парамагнетизм - это свойство веществ, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Вещества, обладающие таким свойством, называют парамагнетиками.

Парамагнетизм характерен для веществ, частицы которых (атомы, молекулы, ионы, атомные ядра) обладают собственным магнитным моментом. В отсутствие внешнего магнитного поля атомы парамагнетика представляют собой молекулярные магнитные диполи, следовательно, магнитный момент атома парамагнетика не скомпенсирован, т.е. . Однако в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что в целом намагниченность вещества = 0.

Таким образом, при помещении парамагнитного вещества во внешнее магнитное поле молекулярные м агнитные диполи стремятся ориентироваться вдоль направления вектора (рис. 4.19). Ориентированию магнитных диполей препятствует тепловое движение атомов.

У парамагнетиков , . В не слишком больших магнитных полях уравнение магнитного состояния парамагнетиков является линейным:

.

Поскольку , т.к. , то парамагнетики втягиваются в область максимального магнитного поля, хотя и очень слабо. Для парамагнетиков _m ~ 10^-7  10^-4 и всегда положительна. Если поле велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц будут ориентированы строго по полю (магнитное насыщение).

В парамагнитных веществах намагниченность, обусловленная упорядоченным расположением электронов, атомов и т.д. (элементарных магнитов), значительно превосходит диамагнитный эффект.

К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, платина, алюминий…

4.2.5. Ферромагнетики и их свойства

Помимо слабомагнитных диа- и парамагнетиков существуют сильномагнитные вещества – ферромагнетики (Fe, Ni , Co, их сплавы).

В ферромагнитных веществах намагничивание обусловлено не ориентацией электронных орбит по направлению внешнего магнитного поля, а ориентацией собственных магнитных моментов («спинов») самих электронов (p_ms), что было установлено в опытах А. Эйнштейна и Де-Гааза.

В отличие от обычных магнетиков ферромагнетики обладают специфическими свойствами, основными из которых являются:

1. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков _m (рис. 4.20), а, следовательно, и относительная магнитная проницаемость , являются некоторой функцией от напряженности внешнего магнитного поля _m = f(H).

2. Магнитная восприимчивость _m ферромагнетиков положительна (>>0) и достигает значений 10⁴10⁵.

3 . Векторы и увеличиваются с увеличением напряженности магнитного поля нелинейно и в полях с напряженностью ~7,9610³ А/м достигают предельного значения (насыщения).

На рис. 4.21 представлена зависимость вектора индукции магнитного поля в ферромагнетике от напряженности внешнего магнитного поля.

4. В отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетик можно представить состоящим из областей однородной намагниченности – доменов, образований, содержащих в себе большое количество молекулярных магнитных диполей, ориентированных параллельно друг другу (рис. 4.22). Эти образования достигают размеров 10^-3 – 10^-5 мм. Уединенные домены могут достигать в диаметре 50 - 100 Å (5-10 нм). Домены называют еще областями спонтанного (самопроизвольного) намагничивания.

О бразование доменов - результат конкуренции двух типов взаимодействия: обменного и магнитного (диполь - дипольного взаимодействия магнитных моментов). Первое взаимодействие близкодействующее, оно стремится установить магнитные моменты параллельно и ответственно за однородную намагниченность в домене. Второе взаимодействие, дальнодействующее, ориентирует антипараллельно векторы намагниченности соседних доменов. Теория ферромагнетизма качественно удовлетворительно объясняет размеры и форму доменов. Между доменами существуют переходные слои конечной толщины, в которых _s непрерывно меняет свое направление.

При решении многих технических вопросов можно считать, что отдельно взятый домен представляет собой вещество, намагниченное до насыщения. Параллельность магнитных моментов молекулярных диполей внутри домена имеет квантово – механическую природу и обусловлена так называемым обменным взаимодействием между атомами. При определенных условиях внутри кристаллической решетки расстояния между соседними атомами должны обеспечить необходимую величину перекрытия электронных оболочек. Становится энергетически выгодным состояние с параллельной ориентацией спиновых магнитных моментов соседних атомов в решетке. Направления магнитных моментов отдельных доменов в отсутствие внешнего поля различны, в результате их суммарный момент равен нулю.

С точки зрения доменной структуры, процесс намагничивания ферромагнетиков можно представить так. При помещении ферромагнетика во внешнее магнитное поле действие магнитного поля на домены на разных стадиях намагничивания оказывается различным (рис.4.23). Увеличение напряженности внешнего магнитного поля, начиная с нулевых значений Н = 0, приводит к тому, что в области слабых полей происходит смещение границ доменов (рис.4.23,б). В результате чего происходит увеличение тех доменов, моменты которых составляют с меньший угол (угол разориентировки), за счет доменов, у которых угол между направлениями векторов и больше (рис. 4.23,б). При дальнейшем увеличении напряженности внешнего магнитного поля этот процесс развивается до тех пор, пока домены с меньшими углами разориентировки (обладающие в магнитном поле меньшей энергией) не поглотят целиком энергетически менее выгодные домены (рис. 4.23,в). На следующей стадии имеет место поворот магнитных моментов доменов в направлении поля (рис. 4.23,г). При этом магнитные моменты молекулярных диполей в пределах домена поворачиваются одновременно, без нарушения их параллельности друг другу. Эти процессы (исключая небольшие смещения границ между доменами в очень слабых полях) являются необратимыми, что и служит причиной остаточных явлений (остаточной намагниченности).

5. Ферромагнетики обладают точкой Кюри. При температуре T равной некоторой температуре Т_К, области спонтанного намагничивания (домены) распадаются, и ферромагнетики теряют свои магнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри.

6. Им присуще явление, получившее название магнитного гистерезиса, что делает зависимость от неоднозначной. Значение вектора зависит от «магнитной предыстории» образца.

Магнитным гистерезисом ферромагнетиков называется запаздывание изменения магнитной индукции от изменения напряженности внешнего намагничивающего поля. Причинами магнитного гистерезиса являются необратимые процессы смещения доменных границ и вращения вектора спонтанной намагниченности.

П етлей гистерезиса называется кривая изменения магнитной индукции ферромагнитного тела (рис.4.24) или намагниченности (рис. 4.25) при изменении напряженности внешнего магнитного поля от до и обратно, где - напряженность магнитного поля, соответствующая насыщению. При этом достигается предельное значение намагниченности вещества . Если довести намагничивание до насыщения и затем уменьшать напряженность магнитного поля, то индукция (намагниченность ) изменяется не по первоначальной кривой 0 -1, а в соответствии с кривой 1-2. В результате, когда напряженность внешнего поля станет равной 0, намагниченность , а - остаточная индукция ( - остаточная намагниченность). Существование остаточной намагниченности является основой создания постоянных магнитов, записи и длительного хранения различного рода информации - магнитной памяти.

Напряженность магнитного поля обратного направления , при которой магнитная индукция (намагниченность) становится равной 0, называется коэрцитивной силой. Постоянный магнит тем лучше сохраняет свои свойства, чем больше коэрцитивная сила материала, из которого он изготовлен.

Кривая намагничивания железа была впервые получена русским ученым А.Г.Столетовым. Разработанный им баллистический метод измерения магнитной индукции находит широкое применение до настоящего времени.

Разнообразное применение в технике ферромагнетиков привело к необходимости деления их на два больших подкласса: магнитожесткие ферромагнетики и магнитомягкие ферромагнетики. Для магнитожестких ферромагнетиков характерны большие значения коэрцитивной силы , для магнитомягких ферромагнетиков - малые значения .

Примером магнитомягких ферромагнетиков могут служить жидкие ферромагнетики. К жидким ферромагнетикам относятся ферромагнитные суспензии, представляющие собой дисперсную систему ферромагнитный порошок - жидкость, и магнитные жидкости - магнитный коллоид.

Н а рис. 4.26 представлена петля магнитного гистерезиса ферромагнитной суспензии. На рис. 4.27 изменение намагниченности феррожидкости при циклическом изменении напряженности поля.

Из рис. 4.26 следует, что ферросуспензия (ФС) проявляет свойства магнитожесткого материала, магнитная жидкость (МЖ) проявляет свойства магнитомягкого материала, остаточная намагниченность равна 0, коэрцитивная сила . В МЖ диспергированные домены участвуют в интенсивном тепловом движении, поэтому при выключении поля намагниченность образца становится равной 0.