Природа парамагнетизма

Атомы парамагнетика и в отсутствие поля имеют постоянный магнитный момент, но магнитные моменты отдельных атомов ориентированы в твердом теле хаотически, и результирующий магнитный момент парамагнетика равен нулю. При внесении парамагнетика во внешнее поле магнитные моменты атомов стремятся выстроиться вдоль внешнего поля, усиливая его. Хаотическое тепловое движение атомов препятствует правильной ориентации магнитных моментов атомов и чем выше температура, тем слабее намагничивается вещество. При выключении внешнего поля тепловое движение полностью разрушает ориентацию токов, и вещество размагничивается. Таким образом, магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре.

Природа ферромагнетизма

У атомов переходных металлов имеются незаполненные электронные оболочки, в которых спины электронов не полностью скомпенсированы. Если в кристаллической решетке из таких атомов выполняется условие, что d/a =1,5, где d - диаметр атома, а - диаметр незаполненной оболочки (такому условию удовлетворяют никель, кобальт, железо), то между не скомпенсированными спинами соседних атомов возникает особое взаимодействие (силы такого взаимодействия называются обменными). Если энергия этого взаимодействия больше энергии теплового движения частиц, то спиновые моменты внешних электронов соседних атомов выстраиваются параллельно. Только при температурах выше точки Кюри (для железа она равна 770^оС) под влиянием, о котором говорилось выше, в ферромагнетике появляются области самопроизвольного намагничивания, так называемые домены (рис.5).

Внутри домена спины электронов соседних атомов ориентированы одинаково и их поля складываются, усиливая друг друга. В результате домен оказывается намагничен до насыщения. Размеры домена обычно невелики (~ 10 ^-4 см ).

В ненамагниченном ферромагнетике домены ориентированы хаотически. При включении внешнего магнитного поля намагничивание ферромагнетика происходит путем увеличения объема доменов, ориентированных вдоль поля, а так же изменением ориентации отдельных доменов. Уже сравнительно небольшие поля могут вызвать ориентацию вдоль поля всех доменов. Весь образец превращается в один большой домен.

О риентация доменов, в отличие от поворота отдельных атомных моментов, происходит с трением, поэтому затруднена. При включении внешнего поля не все домены сразу оказываются сориентированными по полю. Полная ориентация достигается постепенно по мере роста поля. Этим объясняется характер кривой намагничивания (рис.1). При уменьшении поля разориентация доменов так же происходит постепенно, причем из-за существования трения значительная часть доменов остается намагниченной в прежнем направлении. Вследствие этого появляется гистерезис, и могут существовать постоянные магниты.

Описание экспериментальной установки

Установка (рис.6) представляет собой измерительный прибор магнитоэлектрической системы, в магнитной цепи которого имеется исследуемый ферромагнитный сердечник, помещенный в неподвижную катушку L. Электрическая схема установки содержит следующие элементы:

L - неподвижная катушка,

L₁ - подвижная катушка,

Я - ярмо из мягкого железа,

С₁, С₂ - исследуемый стержень,

К₀ - переключатель для изменения направления тока в неподвижной катушке,

Е₁, Е₂ - источники тока,

А₂ - миллиамперметр в цепи неподвижной катушки,

Ш - шкала прибора, показывающая магнитную индукцию в условных единицах,

R₁- потенциометр в цепи подвижной катушки,

А₁ - миллиамперметр цепи подвижной катушки.

При прохождении тока по неподвижной катушке L исследуемый ферромагнитный сердечник намагничивается. Магнитное поле этого сердечника с помощью ярма Я (рис.13) сосредотачивается на подвижной катушке. Если через эту катушку пропустить ток, то магнитное поле этой катушки взаимодействует с магнитным полем сердечника, вследствие чего катушка поворачивается. Поворот катушки регистрируется по шкале Ш. Таким образом подвижная катушка играет роль индикатора (измерителя) магнитной индукц ии сердечника.