Магнитные свойства твердых тел

По магнитным свойствам все тела можно разделить на три большие группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

У диамагнитных тел и не зависит от напряженности внешнего поля и температуры. Диамагнетики выталкиваются из области сильного поля.

У парамагнетиков . Такие тела втягиваются в область сильного поля. Магнитная восприимчивость у парамагнетиков в сильных полях уменьшается. Кроме того, она падает при нагревании. Диамагнетики и парамагнетики являются слабомагнитными веществами. Типичное значение  для диамагнетиков  -10 ^-5 и  < 1.

Диамагнетиками являются висмут, германий, кремний, медь и инертные газы. У парамагнетиков  10 ^-3 и  > 1. К ним относятся платина, натрий, алюминий, кислород.

У ферромагнетиков типичным представителем которых является железо,  >>0,  >>1, но величина  несравненно больше, чем у парамагнетиков. Кроме того,  у них находиться в пределах 10 10 ⁵.

Помимо железа в эту группу входят никель, кобальт, гадолиний и ряд сплавов.

Намагниченность и магнитная индукция ферромагнетика сложным образом зависят от напряженности внешнего магнитного поля. На рис.1 изображены зависимости В и J от Н для железа. С увеличением намагничивающего поля В и J растут быстро, затем рост замедляется и вовсе прекращается. Это состояние называется насыщением ферромагнетика. При приближении к насыщению  стремиться к нулю.

На рис.2 приведена кривая полного цикла перемагничивания ферромагнетика. Намагниченность и индукция зависят не только от поля в данный момент, но и от того, какова была намагниченность в предыдущие моменты времени. Если образец не был предварительно намагничен, зависимость В от Н изобразиться кривой оа.

Е сли в точке а начать уменьшать Н, зависимость В от Н изобразиться кривой аb.

В точке b Н=0, но В  о. Изменение В отстает от Н. Ордината (о-b) представляет собой остаточное намагничивание или остаточную индукцию. Для её уничтожения требуется приложить поле в обратном направлении, величина которого (абсцисса о-с) называется коэрцитивной силой. В точке d образец намагничен до насыщения, но в обратном направлении. Уменьшая магнитное поле до нуля и опять увеличивая его до насыщения (участок кривой def), получаем замкнутую кривую abcdef , которая называется петлей гистерезиса.

В зависимости от формы и площади петли гистерезиса ферромагнитные материалы разделяют на "мягкие" и "жесткие" (см. рис. 3 и 4). Магнитомягкие материалы применяются для изготовления сердечников электрических машин, магнитотвердые материалы - для изготовления постоянных магнитов.

М агнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры - с нагреванием χ и μ уменьшаются. Для каждого ферромагнетика существует такая температура θ, при которой он утрачивает свои ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. Выше этой точки ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Магнитные свойства атомов

Магнитные свойства магнетиков определяются магнитными свойствами атомов. Электрон, как известно, обладает наряду с электрическим зарядом, собственным магнитным моментом, который обусловлен спином. Кроме того, вследствие движения электрона по орбите возникает орбитальный магнитный момент. У сложных атомов, электронные оболочки которых состоят из многих электронов, результирующий магнитный момент атома определяется суммированием моментов отдельных электронов. У атомов и ионов с заполненными электронными оболочками магнитный момент равен нулю.

Тела, атомы которых обладают магнитным моментом в отсутствие внешнего поля, могут быть парамагнетиками и ферромагнетиками.

Природа диамагнетизма. Как уже говорилось выше, у диамагнетиков в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов равны нулю, соответственно равен нулю и магнитный момент всего тела. Если же диамагнетик поместить во внешнее магнитное поле, то в момент включения этого поля или при помещении диамагнетика в область, где поле уже есть, в атомах или молекулах возникают индуцированные токи (по закону электромагнитной индукции). Эти токи не исчезают и после исчезновения Э.Д.С. индукции, т.к. в атомах нет сопротивления движению электронов. Согласно правилу Ленца, направление индукционных токов таково, что созданное ими поле направлено против внешнего. При исчезновении внешнего поля исчезают индукционные токи и диамагнетик оказывается размагниченным.

Магнитная восприимчивость диамагнетика не зависит ни от температуры, ни от напряженности внешнего поля Н.

Из сказанного выше ясно, что диамагнетизм присущ всем без исключения телам, но у пара- и ферромагнетиков он маскируется другими, более сложными и сильными эффектами, на фоне которых слабый диамагнитный эффект не заметен.