Контрольные вопросы к § 15.

1. Что произойдет, если в магнитное поле, создаваемое свободными движущимися зарядами, попадет кусок вещества?

2. Чему равен вектор намагниченности?

3. Дайте определение вектору намагниченности?

4. Чему равна индукция магнитного поля в вакууме?

5. Чему равна магнитная проницаемость вещества?

6. В чем заключаются магнитомеханические явления?

7. Что лежит в основе опыта Эйнштейна и де Хааса?

8. Что произойдет с магнитными моментами молекул вещества под действием внешнего магнитного поля?

9. Чему будет равно результирующее поле в веществе по принципу суперпозиции?

10. С чем связана намагниченность большинства веществ?

11. Чему равна магнитная восприимчивость вещества?

12. К чему приводит процесс намагничивания магнетика?

13. К чему приводит вращение магнетика?

14. Перечислите оборудование в опыте Эйнштейна и де Хааса.

15. К чему приведет изменение направления намагниченности стержня в опыте Эйнштейна и де Хааса?

16. Опишите механическую модель опыта Эйнштейна и де Хааса.

17. Перечислите оборудование в опыте Барнетта.

18. Чем обусловлены магнитные свойства железа?

19. Совпал ли знак заряда носителей, создающих молекулярные токи, со знаком заряда электрона в опыте Эйнштейна и де Хааса?

20. В результате чего суммарный механический момент электронов станет отличным от нуля в опыте Эйнштейна и де Хааса?

§ 16. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура ферромагнетиков. Магнитный гистерезис. Работы Столетова. Точка Кюри. Магнитные материалы и их применение

1. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура магнетиков

2. Магнитный гистерезис. Работы Столетова. Точка Кюри

3. Магнитные материалы и их применение

16.1. Понятие о диа-, пара- и ферромагнетиках. Доменная структура магнетиков

Все магнитные материалы в зависимости от значения магнитной проницаемости делятся на три типа

1. Если (магнитное поле в магнетиках меньше, чем внешнее поле), вещество называется диамагнетиком.

2. Если (поле внутри вещества усиливается незначительно), вещество называется парамагнетиком.

3. Если (поле внутри вещества значительно усиливается по отношению к внешнему полю), вещество относится к ферромагнетикам:

Почему поле внутри вещества в одном случае усиливается, а в другом — ослабляется?

Вследствие вращения электрона вокруг ядра, ему можно приписать магнитный момент, который называется орбитальным. Поскольку в состав атома входит не один электрон, а некоторое количество, то суммарный орбитальный магнитный момент будет равен векторной сумме орбитальных моментов всех электронов атома.

Как известно, электрон обладает спином. Вследствие этого, каждый электрон обладает и спиновым магнитным моментом, который также необходимо приплюсовать к орбитальному магнитному моменту. Следовательно, полный магнитный момент атома (молекулы) вещества складывается из суммы всех орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов, а также магнитного момента ядра.

Возможны варианты, когда полный магнитный момент атома либо равен нулю, либо отличен от нуля.

Что происходит, когда атом вещества попадает во внешнее магнитное поле? Магнитные моменты электронов, входящих в состав атома, начинают взаимодействовать с внешним магнитным полем. Результатом этого взаимодействия становится прецессия (явление вращения оси) электронных орбит вокруг направления внешнего магнитного поля.

1. Если собственный магнитный момент был равен нулю, то в результате суперпозиции внешнего магнитного поля и наведенного магнитного поля, возникшего в результате прецессии электронных орбит и имеющего противоположное направление по отношению к внешнему полю, результирующее поле будет ослабевать, данное вещество является диамагнетиком.

2. Собственные магнитные моменты (орбитальные и спиновые) атомов, ионов или молекул ориентируются вдоль направления внешнего магнитного поля, в результате чего магнитная индукция в среде усиливается. В этом случае вещество относят к парамагнетикам.

3. В ферромагнетиках происходит значительное увеличение магнитного поля, что объясняется следующими причинами. В ферромагнетиках магнитные моменты соседних атомов могут взаимодействовать друг с другом, в результате чего их магнитные моменты оказываются сонаправленными. Этот процесс захватывает множество атомов в некоторой области ферромагнетика, для которой устанавливается общий вектор магнитного момента.

Область ферромагнетика с общим направлением магнитного момента называется домен (Рис. 144.а). Отдельные домены разделены доменными границами, которые представляют собой зону, внутри которой вектор магнитного момента меняет своё направление.

Размеры домена в различных ферромагнетиках различны, они колеблются от долей микрона до сотен микрон.

(а)

(б)

(в)

Рис. 144 а, б, в.

В первую очередь вдоль магнитного поля выстраиваются магнитные моменты тех доменов, которые имеют более удобное направление для выстраивания вдоль линий магнитного поля: это те домены, магнитные моменты которых составляют относительно небольшие углы с направлением внешнего магнитного поля (Рис. 144.б). Затем в этот процесс вовлекаются уже и те домены, магнитные моменты которых составляют сравнительно большие углы с направлением внешнего магнитного поля. Доменные границы перестают существовать, когда кусок вещества достигает максимальной намагниченности – возникает монодоменная структура (Рис. 144.в).

Опыт 16.1. Диамагнетики и парамагнетики.

Цель работы: продемонстрировать поведение диамагнетиков и парамагнетиков в магнитом поле.

Оборудование:

1. Образцы диа-, парамагнетиков

2. Электромагнит

3. Источник тока

4. Ключ

Рис.145.

Ход работы.

1. Все вещества во внешнем магнитном поле намагничиваются. При этом магнитное поле внутри образца изменяется, и образец определенным образом ориентируется во внешнем поле. В данном опыте висмутовый стержень подвешивается на нити между полюсами электромагнита. В результате магнитное поле внутри диамагнетика ослабляется, и он выталкивается из области сильного магнитного поля, при этом стержень ориентируется вдоль силовых линий поля.

2. Электромагнит через ключ соединяется с источником постоянного тока. При замыкании ключа в зазоре между полюсами магнита возникает сильное неоднородное магнитное поле. Висмутовый стержень выталкивается из области сильного поля. Внутри парамагнетика, помещенного во внешнее магнитное поле, индукция магнитного поля увеличивается, и образец ориентируется вдоль силовых линий внешнего магнитного поля, втягиваясь в область сильного поля.

3. Подвешенная на нити между полюсами электромагнита пластинка хрома при замыкании ключа ориентируется вдоль силовых линий поля и втягивается в область более сильного поля.

Вывод: диа- и парамагнетики, помещенные в магнитное поле, намагничиваются. Вектор намагниченности собственного магнитного поля внутри диамагнетика направлен против вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля, а внутри парамагнетика направление вектора намагниченности собственного поля совпадает с вектором магнитной индукции внешнего магнитного поля.

Опыт 16.2. Диа- и парамагнетики в неоднородном поле.

Цель работы: исследовать поведение диа- и парамагнетика в неоднородном поле.

Оборудование:

1. Магнит с полюсным наконечником

2. Шарик из висмута

3. Шарик из хлористого железа

Ход работы.

1. Подвесим шарик из висмута и шарик из хлористого железа на тонкой нити. По мере удаления от полюсного наконечника напряженность поля падает. При включении поля шарик из висмута (диамагнетик) отталкивается от наконечника, при выключении- притягивается.

2. Аналогично проведем опыт с шариком из хлористого железа (парамагнетик). При включении поля – притягивается, при выключении – отталкивается.

Вывод: магнитный момент диамагнетика, помещенного в неоднородное магнитное поле, направлен против поля, следовательно, диамагнетик выталкивается из той области пространства, где напряженность поля больше, в ту область пространства, где напряженность поля меньше. Парамагнетик ведет себя прямо противоположным образом.