7.1. Магнетизм веществ

Макроскопическое описание магнитных свойств веществ проводится в рамках теории электромагнитного поля (уравнения Максвелла). Компоненты его определяются векторами напряженности и магнитной индукции в веществе. Различие и связано с наличием в веществе источников магнитного поля (движущихся электрических зарядов). В системе СИ связь между и записывается

, (7.2)

где - магнитная постоянная, - вектор намагниченности, определяющийся как среднее значение магнитного момента единицы объема вещества.

= 1,257 10^-6

Из физики известно, что магнитное поле можно количественно характеризовать величиной силы действующей на пробный магнит.

Откуда следует:

.

Если учитывать конечность размера тела, а точнее некую площадь им занимаемую в поперечном к направлении, то можно ввести еще один параметр - магнитный поток (Ф).

,

где - нормальная составляющая магнитной индукции. S - площадь поперечного сечения поля. [Ф] = В с = Вб (Вебер.). 1Вб=10⁸ Мкс (Максвелл).

Если вещество в магнитном поле несколько усиливает индукцию с В_о до некоторой В, а значит и магнитный поток также увеличивается с до , то это приращение индукции называют намагниченностью (J), т.е.

. (7.3)

Во всех веществах, кроме ферромагнетиков, намагниченность пропорциональна напряженности поля. Коэффициент пропорциональности между ними служит магнитная восприимчивость ( )

. (7.4)

Вводится еще один параметр вещества - относительная магнитная проницаемость .

(7.5)

которая показывает во сколько раз увеличивается или уменьшается магнитная индукция в веществе. Тогда

, (7.6)

где - абсолютная магнитная проницаемость вещества. Выражение (7.6) окончательно запишем:

(7.7)

и наконец, с учетом (7.3), (7.4) можно записать выражение для магнитной восприимчивости

. (7.8)

Результирующее поле имеет индукцию , где - индукция собственного поля. Откуда запишем

(7.9)

поэтому

(7.10)

из (7.6) и (7.10) получим связь между и .

. (7.11)

Вещества с >>1 и >0 - называются ферромагнетиками (кобальт, железо)

с >1 и >0 - называются парамагнетиками (алюминий, платина)

с <1 и <0 - называются диамагнетиками (медь, серебро, висмут)

Для этих веществ можно получить экспериментально зависимости J(Н), как на рис. 7.3.

а

б

Рис. 7. 3 Изменение намагниченности веществ от внешнего поля

а) 1 – диамагнетик; 2 – парамагнетик; б) ферромагнетик

7.1.1. Ферромагнетизм

Ферромагнетизм - магнитоупорядоченное состояние вещества, при котором все магнитные моменты атомов носителей магнетизма в веществе параллельны и он обладает самопроизвольной намагниченностью. С повышением же температуры усиливается тепловое движение атомов, "расшатывается" магнитный порядок и намагниченность их исчезает. Эту температуру, при которой осуществляется фазовый переход 2 рода ферромагнетик парамагнетик называют температурой Кюри . В магнитном поле при Т< ферромагнетик претерпевает интересные изменения:

изменяются их размеры и форма (магнитострикция);

внешние механические напряжения приводят к изменениям в намагниченности и петли гистерезиса.

При адиабатическом намагничивании и размагничивании ферромагнетики изменяют свою температуру (магнитокаллориметрический эффект).

Закономерности намагничивания ферромагнетиков были впервые исследованы А. Г. Столетовым. На рис.7.3 показана зависимость намагниченности J от напряженности поля. Она достигает почти предельного значения при некотором поле и это состояние соответствует техническому насыщению ферромагнетика. Отметим, что с увеличением Н рост намагниченности происходит скачкообразно (см. рис. 7.3б) и этот отрезок на кривой J(Н) состоит из ступенек. Скачкообразный характер процесса намагничивания в поле назван эффектом Баркгаузена.

Полный цикл перемагничивания ферромагнетика показан на рис.7.4.

Рис. 7.4. Полный цикл перемагничивания ферромагнетика

Видно, что величина В в своем увеличении отстает от роста Н. Такое явление называется магнитным гистерезисом, а индукция - остаточной индукцией или остаточным магнетизмом.

Для ее уничтожения требуется приложить размагничивающее поле , которое называют коэрцитивной (удерживающей) силой.

Всю замкнутую петлю, описывающую цикл перемагничивания называют петлей гистерезиса. Площадь петли пропорциональна работе перемагничивания единицы объема ферромагнетика и она полностью рассеивается в виде тепла. В зависимости от формы и площади петли материалы делятся на "мягкие" и "жесткие". Чем уже петля, тем жесче ферромагнетик и у лучших "жестких" ферро-магнетиков потери в 10 раз меньше, чем у мягкого железа. Высокоэффективные материалы характеризуются высокими и , так для сплава магнико ~ 5 10 А/м; = 1,35 Тл.

Выше было отмечено, что при нагревании ферромагнитных тел их магнитные свойства ухудшаются и при некоторой температуре они утрачивают свои свойства ферромагнетика. Выше ферромагнетики становятся парамагнетиками с их характерной линейной зависимостью от Т (см. рис.7.5). Эта зависимость описывается законом Кюри-Beйcca

, (7.12)

где С - постоянная Кюри, - температура Кюри.

Рис. 7. 5 Ферромагнитная точка Кюри

При низких температурах свойства ферромагнетиков описываются квантовомеханической теорией спиновых волн, согласно которой самопроизвольная намагниченность должна убывать с ростом температуры по закону Блоха.

, (7.13)

где - намагниченность насыщения при 0 К. По закону ~Т^3/2 должна возрастать магнитная теплоемкость. Этот закон выполняется только в диэлектрических ферромагнетиках. Наличие коллективизированных электронов приводит к дополнительным членам в законе Блоха. Меняется ориентация спиновых магнитных моментов от направления в одном домене к направлению в другом. От + до - , как на рис.7. 6.

Рис. 7.6. Схема стенок Блоха

,

где А - обменный параметр; - константа магнитной анизотропии.

В отсутствии внешнего поля ферромагнетик разбит на домены (области однородной намагниченности, т.е. слои с взаимно противоположными направлениями намагниченности, как показано на рис.7.7

(б)

(а)

Рис. 7. 7 Теоретически предсказанная картина деления ферромагнетика на домены (а), фотография доменной структуры кристаллита кремнистого железа (б)

Образование доменов - результат конкуренции двух типов взаимодействия: обменного и магнитного (диполь- дипольного взаимодействия магнитных моментов). Первое - близкодействующее, оно стремится установить магнитные моменты параллельно и ответственно за однородную намагниченность в домене. Второе - дальнодействующее, ориентирует антипараллельные векторы намагниченности соседних доменов.

Кривые намагничивания и петли гистерезиса определяются изменениями объема доменов различной ориентации

за счет смещения границ доменов, а также за счет вращения векторов доменов. Магнитную восприимчивость их можно приближенно представить

 = _смещ. + _вращ.