4. Магнитные свойства вещества, намагниченность. Парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики

Магнитное поле воздействует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты. В результате этого вещество на- магничивается. Магнетиками называют все вещества при рассмотрении их магнитных свойств. Степень намагничивания вещества характеризуется специальной величиной — намагниченностью (J). Намагниченность некоторой области вещества равна отношению суммарного магнитного момента всех ее частиц к объему этой области: .

Таким образом, намагниченность является средним магнитным моментом единицы объема магнетика. Единицей намагниченности является ампер на метр (А/м). По своим свойствам магнетики делятся на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. Все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, то есть намагничиваются, и поэтому в некоторой мере изменяют внешнее (первоначальное) поле. При этом оказывается, что одни вещества ослабляют внешнее поле, а другие - усиливают его; первые называются диамагнитными, вторые - парамагнитными веществами, или, короче, диамагнетиками и парамагнетиками. Ферромагнетиками называют вещества, вызывающие очень большое усиление внешнего поля (кристаллическое железо, никель, кобальт, а также некоторые сплавы и окислы этих металлов и некоторые сплавы марганца и хрома).

Подавляющее большинство веществ относится к диамагнетикам. Диамагнетиками являются такие элементы, как фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (висмут, ртуть, золото, серебро, медь и др.), большинство химических соединений (вода, почти все органические соединения). К парамагнетикам относятся некоторые газы (кислород, азот) и металлы (алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).

У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю, так как имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты взаимно компенсируются. Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов возникает (индуцируется) магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему полю. В результате диамагнитная среда намагничивается и создает собственное магнитное поле, направленное противоположно внешнему полю и поэтому ослабляющее его (рис.33.3). Следовательно, относительная магнитная проницаемость диамагнетика меньше единицы (µ < 1), хотя отличие о т единицы очень незначительно (тысячные доли).

Индуцированные магнитные моменты атомов диамагнетика сохраняются до тех пор, пока существует внешнее поле. При ликвидации внешнего поля, индуцированные магнитные моменты атомов исчезают, и диамагнетик размагничивается.

У атома (молекулы) парамагнитных веществ орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты не компенсируют друг друга. Поэтому атомы парамагнетика всегда обладают магнитным моментом, являясь как бы элементарными магнитами. Однако атомные магнитные моменты расположены беспорядочно и поэтому парамагнитная среда в целом не обнаруживает магнитных свойств. Внешнее магнитное поле поворачивает атомы парамагнетика так, что их магнитные моменты устанавливаются преимущественно в направлении поля; полной ориентации препятствует тепловое движение атомов. В результате парамагнетик намагничивается и создает собственное магнитное поле, всегда совпадающее по направлению с внешним полем и поэтому усиливающее его (рис.33.4). Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков немного больше единицы (µ > 1).

При ликвидации внешнего поля тепловое движение сразу же разрушает ориентацию атомных магнитных моментов и парамагнетик размагничивается.

У ферромагнетиков имеется множество сравнительно крупных самопроизвольно намагниченных до насыщения областей, называемых доменами. Линейные размеры домена имеют порядок 10^-4м. Домен объединяет многие миллиарды атомов; в пределах одного домена магнитные моменты всех атомов ориентированы одинаково (спиновые магнитные моменты электронов всех атомов точнее). Однако ориентация самих доменов разнообразна. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля ферромагнетик в целом оказывается ненамагниченным.

С появлением внешнего поля домены, ориентированные своим магнитным моментом в направлении этого поля, начинают увеличиваться в объёме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента; ферромагнетик намагничивается. При достаточно сильном поле все домены целиком поворачиваются в направлении поля и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения. Вектора намагниченности различных доменов могут быть ориентированы хаотически — в этом случае намагниченность всего образца равна нулю. Однако если такой образец поместить в магнитное поле, то домены, намагниченность которых направлена параллельно полю, начнут расти за счет других доменов. Увеличивая магнитное поле, можно добиться того, что во всем веществе останется только один домен с намагниченностью, направленной вдоль поля. Все остальные домены будут им поглощены. Получится образец, в котором магнитные спиновые моменты всех атомов направлены в одну сторону (магнитное насыщение). В этом случае магнитное поле может возрасти в 1000 и более раз (µ≥1000). Если после того как ферромагнетик намагничен (даже не до насыщения), внешнее магнитное поле устранить, начнется распад крупных доменов на более мелкие. Однако полного хаоса при этом не возникнет и достигнутая намагниченность частично сохранится. Это используют при изготовлении постоянных магнитов. Отметим еще одно свойство ферромагнетиков. Для каждого ферромагнитного вещества существует температура (точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства полностью исчезают и вещество становится парамагнетиком. В медицине ферромагнетики находят разнообразное применение: исправление грудной клетки у детей, магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного наружного свища ободочной кишки, для удаления железных частичек из глаз и др.