3.2. Природа магнетизма

I

Явления магнетизма основаны на существовании магнитных моментов в атомах. В таких элементах, как железо, кобальт, никель, магнитные моменты возникают в основном в результате спина электронов, т.е. их вращательного движения вокруг собственной оси. В редкоземельных элементах магнитные свойства обусловлены вращением электронов вокруг атомных ядер.

Рассмотрим для примера модель электронных оболочек атома железа, самого распространенного на Земле элемента таблицы Менделеева, имеющего сильно выраженные магнитные свойства. Атом железа содержит 26 протонов, значит, вокруг ядра вращаются 26 электронов. Согласно принципу Паули в системе электронов не может быть более одного электрона в каждом кванто­вом состоянии, что для сложного атома приводит к образованию электронных оболочек, заполняемых строго определенным числом электронов. Схематично расположение электронов на электронных оболочках атома железа показано на рис. 14. На внутренних оболочках 1s, 2s, 2р, 3s, 3р количество электронов с положительными и отрицательными спинами равны и их магнитные моменты уравновешены.

Рис. 14

Внешняя оболочка 4s не заполнена, поэтому два электрона, располагаю­щихся на ней, легко покидают атом и обеспечивают электронную проводи­мость железа. На этой оболочке, кстати сказать, спины двух электронов также уравновешены. На оболочке 3d располагаются 5 электронов с положительны­ми спинами и один с отрицательным. В результате спинового взаимодействия все оси вращения электронов параллельны между собой. Поэтому за счет на­личия на оболочке 3d неравного количества электронов с разными спинами атом железа представляет собой постоянный магнит. Магнитное поле перпен­дикулярно плоскости рисунка и направлено сверху вниз.

Под воздействием сил так называемого обменного взаимодействия ато­мы, являющиеся микроскопическими магнитами, объединяются в группы -домены. Размеры доменов тоже небольшие, но они соизмеримы с размерами

отдельных фракций порошковых материалов, используемых для нанесения на магнитный носитель. Например, домены ГАММА-окиси железа включают в себя по­рядка 10¹⁸ атомов. В пределах домена атомы ориентированы, поэтому домен -постоянный магнит. В большой массе метала либо на магнитной пленке, где хаотически расположены огромные количества доменов, внешне намагничен­ность не проявляется, по крайней мере, до тех пор, пока на магнитный мате­риал не воздействовали магнитным полем.

3.3. Магнитные свойства материалов

Магнитные свойства материала проявляются при помещении его в маг­нитное поле. Например, для вакуума или воздуха связь между напряженно­стью магнитного поля Н и магнитной индукцией В определяется соотношением: В_Н где _= 410^-7 Гн/м - магнитная постоянная.

В материалах, способных намагничиваться, индукция складывается из индукции в вакууме и индукции, возникшей в результате магнитной поляри­зации доменов:

(3.1)

где М- намагниченность:

(3.2)

Здесь М₀ - предшествующая остаточная намагниченность; X - магнитная восприимчивость вещества. Если предшествующей намагниченности нет, то

. (3.3)

Величина =1+ называется относительной магнитной проницаемостью материала. Она безразмерна. Для воздуха или вакуума  = 0 и  = 1.

Все остальные вещества в зависимости от величины магнитной воспри­имчивости (а значит, и относительной магнитной проницаемости) делятся:

• на ферромагнитные вещества. У этих веществ  » 1 и  » 1, намаг­ниченность и индукция могут достигать больших значений. Именно эти веще­ства (железо, сталь, никель и др.) используются при изготовлении сердечни­ков трансформаторов, магнитных головок и наносятся в составе эмульсий на несущую основу магнитных лент и дисков;

• парамагнитные вещества. Они имеют значение X от 10^-3 до 10^-5, т.е. магнитная проницаемость МЮ почти не отличается от единицы;

• диамагнитные вещества. У этих веществ X отрицательная, но очень незначительна (-10^-5...-10^-7), т.е. имеется намагниченность, противоположная знаку приложенного поля, но настолько ничтожная, что практически значения не имеет. К таким веществам относятся медь, латунь и почти все металлы.

В дальнейшем будем говорить только о ферромагнитных веществах. Их отличительной особенностью является то, что магнитная восприимчивость

24

25

 - величина не постоянная; она зависит от напряженности магнитного поля, порождая тем самым нелинейный характер зависимости (3.3). Другой отличи­тельной особенностью ферромагнитных веществ является их способность со­хранять некоторую остаточную намагниченность после снятия магнитного поля Я. Именно эта особенность и позволяет этим веществам «запоминать» и хранить информацию.