11. Магнитные материалы
Многообразие видов магнитных материалов, их свойств и методов получения, возможностей их применения для создания новых элементов и устройств магнитной электроники требует от разработчиков электронной техники хорошего знания основ физики магнетизма, особенностей магнитного взаимодействия в твердом теле, технологии получения материалов с различными свойствами, потребностей современной техники и тенденций ее развития.
Одним из важнейших направлений функциональной электроники является магнитная электроника, в которой рассматриваются устройства обработки информации, основанные на магнитных взаимодействиях. [37-43].
В настоящее время квантовая механика позволила сформировать достаточно стройную теоретическую концепцию, объединяющую различные магнитные явления в веществе, обусловленные магнетизмом как отдельных элементарных частиц и атомов, так и коллективизированной системы атомов в твердых телах. Научные и технические применения магнетизма в наши дни столь разнообразны, что делают физику магнитных явлений одним из важнейших направлений естествознания.
Магнитные свойства обнаруживаются во всем окружающем мире ‒ от элементарных частиц до космических просторов, заполненных магнитными полями.
В наиболее общем виде магнетизм можно определить как особую форму взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами. Передача магнитного взаимодействия осуществляется магнитным полем, являющимся важнейшей характеристикой электромагнитной формы существования материи. Несмотря на то что магнитное и электрическое поля являются неразрывными частями единого электромагнитного поля, между ними нет полной симметрии. Источниками электрического поля являются электрические заряды, которыми обладают большинство элементарных частиц, источником же магнитного поля, как уже сказано, является движущийся электрический заряд, т.е. электрический ток. Магнитных зарядов аналогично электрическим зарядам в природе до сих пор не наблюдали.
В атомных масштабах для электронов и нуклонов существуют два вида микроскопических токов: орбитальные, обусловленные движением центров тяжести этих частиц, и спиновые, связанные с внутренними степенями свободы их движения. В атомных ядрах и атомах проявляется результирующий орбитальный и спиновый магнитный эффект [40, 41].
Количественной характеристикой
магнетизма частицы является так
называемый магнитный момент
.
Для замкнутого элементарного контура,
по которому протекает электрический
ток I,
величина вектора магнитного момента
определяется произведением
силы тока I
на площадь контура S:
.
В прошлые годы считалось,
что источником магнитного поля твердого
тела являются особые магнитные заряды
двух знаков. Затем установили, что
изолировать эти магнитные заряды
невозможно, и источником магнетизма
начали считать магнитный диполь ‒
систему двух равных по величине и
обратных по знаку связанных между собой
магнитных зарядов mn
или полюсов. Количественной
характеристикой магнитного диполя был
вектор его магнитного момента ‒
где
‒ вектор длины диполя.
Когда в 1821 г. X. Эрстед открыл магнитное поле электрического тока, А. Ампер высказал гипотезу, что элементарные магнитные диполи являются молекулярными круговыми токами и для полного количественного совпадения необходимо выполнение следующего равенства:
где I
‒сила кругового тока; S‒площадь,
охватываемая током;
‒ единичный вектор
нормали к этой площадке.
Направление вектора момента определяется правилом буравчика, правилом правого винта, если за направление тока принимается направление движения положительных зарядов.
В связи с тем, что элементарные частицы вещества ‒ электроны, протоны и нейтроны ‒ обладают магнитными моментами, любые их комбинации ‒ атомные ядра, электронные оболочки атомов, сами атомы и макроскопические тела ‒ могут быть источниками магнетизма. Другими словами, магнетизм вещества носит универсальный характер: магнитные свойства присущи всем веществам, т. е. все они являются магнетиками.
При изложении физических основ магнетизма мы рассмотрим вначале атомный магнетизм, т. е. магнитные свойства изолированных элементарных частиц и атомов, а затем магнетизм вещества, т. е. магнитные свойства взаимодействующих между собой атомов, образующих твердое тело.
В свою очередь, атомные орбитальные и спиновые магнитные моменты могут изменяться под влиянием внешнего магнитного поля, в результате чего в твердом теле возникает собственное магнитное поле. Эта способность вещества взаимодействовать с внешним магнитным полем, намагничиваться, характеризуется магнитным моментом твердого тела.
Мерой же магнитного поля
служит его напряженность Н,
которую принято определять
через силу электрического тока
,
протекающего в элементе линейного
проводника
на расстоянии r
от точки О, где измеряется
напряженность поля dH.
В соответствии с законом Био-Савара-Лапласа,
,
где α
‒ угол между током
и
,
тогда, в частности, в
центре кругового тока
радиуса R
напряженность магнитного
поля в системе СИ будет
Полагая
,
a
,
имеем единицу напряженности магнитного
поля в системе СИ, т. е. напряженность
поля будет равняться единице, если по
кольцу радиусом один метр протекает
ток силой два ампера. Эту единицу называют
ампер на метр [А/м]. Она равняется 4π∙10‒3
эрстед [Э] ‒ единице напряженности
магнитного поля в системе СГС [40, 41].