Лабораторная работа n 229 изучение свойств ферромагнетиков
Теория
Всякое тело является МАГНЕТИКОМ, т.е. под действием магнитного поля оно приобретает магнитный момент (намагничивается). Магнитные свойства тел обусловлены магнитными свойствами элементарных частиц, входящих в состав атомов и молекул.
Согласно представлениям классической физики электроны в атомах движутся по замкнутым орбитам, что эквивалентно протекающим по круговым виткам микротокам силой :
I = ( 1)
где е - заряд электрона, V - его линейная скорость,r -радиус орбиты. Виток с током, а, следовательно, и вращающийся вокруг ядра электрон характеризуется магнитным моментом Рm
Он называется ОРБИТАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ и равен:
Рm = IS = = (2)
Кроме того, у электронов и ядер установлено наличие СПИНОВЫХ МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ Рms , являющихся такими же неотъемлемыми свойствами их, как заряд и масса.
Магнитный момент атома или молекулы равен геометрической сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов
Рm,ат =Рmi (3)
(Магнитный момент ядра много меньше магнитного момента электрона и им пренебрегают). Геометрическая сумма магнитных моментов отдельных атомов или молекул определяет магнитный момент образца
Рm,v = Рm, ат,i
Магнитный момент единицы объема образца называется ВЕКТОРОМ НАМАЧЕННОСТИ I
I = Рi =х Н0
где х - безразмерная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности между вектором намагниченности образца и напряженностью намагниченного поля, которая называется МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ ВЕЩЕСТВА. В образце при этом возникает добавочное поле напряженностью:
H/ = I
и напряженность результирующего поля оказывается равной
H= Н0 + H/
Введем вторую характеристику магнитного поля - вектор магнитной индукции В, связанный с Н соотношением B=0 Н, гдео- магнитная постоянная. Использование формул (6), (7), (8) позволяет записать:
В=0(1+x) H0 ,
или В= 0 Н0
Безразмерная величина = 1 + х является МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ вещества. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в среде отлична от магнитной индуктивности в вакууме В0 .
=
Все вещества по своим магнитным свойствам делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. В ДИАМАГНЕТИКАХ магнитные моменты атомов равны нулю в отсутствие поля. При внесении этих тел в магнитное поле в каждом атоме индуцируется магнитный моментРm , направленный в сторону противоположную вектору
напряженности Н0 магнитного поля. Для этих тел х < О и < 1. К ним относятся атомы и ионы с заполненными оболочками: ионы F-, CI-, Na+ , атомы благородных газов, атомы и ионы, которые сверх заполненной оболочки содержат еще два S-электрона с антипараллельными спинами, такие как Zn, Be, Са. К диамагнетикам относятся все органические вещества Диамагнетизм -универсальное свойство, характерное для -любого тела.
В случае пара- ферромагнетиков оно забивается более сильным и пара - или ферромагнитными эффектами. ПАРАМАГНИТНЫМИ называют вещества, магнитные моменты атомов которых отличны от нуля. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты расположены хаотически и I = О, тело не намагничено. При внесении образца в магнитное поле на магнитные моменты отдельных атомов со стороны поля действует сила, стремящаяся установить их по направлению поля, тепловое же движение, напротив, дезориентирует их. В результате устанавливается преимущественная ориентация
магнитных моментов вдоль поля Но тем большая, чем больше Н0 и чем меньше температура тела. Для этих тел X > 0 и характеризуется значениями, например, 0,4- 10-6 для калия и 3200 10-6для хлористого железа; пар. > 1.
К парамагнитным относятся вещества, атомы или ионы которых имеют один электрон сверх заполненной оболочки (например, атомы щелочных металлов), атомы переходных элементов, ионы редкоземельных элементов с незаполненными электронными оболочками и т.д. Парамагнитными свойствами обладают и свободные радикалы.
ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ТЕЛА образуют третий, особый класс магнетиков. Свое название они получили от наименования основного представителя этого класса веществ - железа. К ферромагнетикам относятся кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, эрбий, ряд сплавов и химических соединений. В отличие от диа - и парамагнетиков для ферромагнетиков >>1. (см. таблицу I), т.е. они сильно намагничиваются. Кроме того, ферромагнетики обладают рядом отличительных свойств:
мах
Рис.
2.
0 Н
1. Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от напряженности внешнего магнитного поля (см. рис.2 и таблицу I) . С увеличением напряженностисначала возрастает, а затем, достигнув максимального значениямах, падает, стремясь при больших Н к единице.
2. Намагниченность I ферромагнетиков зависит от Н сложным образом, тогда как в случае слабомагнитных веществ (диа - и парамагнетиков) I изменяется с напряженностью поля линейно. Из рис. 3 видно, что в слабых полях I резко возрастает с увеличением Н, затем рост I замедляется и, начиная с некоторого значения Н, намагниченность остается постоянной, равной Is , это явление носит название МАГНИТНОГО НАСЫЩЕНИЯ. Так как В=0 (Н0 + I), то в ферромагнетиках
является нелинейной и зависимость В от Н (рис.4): в слабых полях В возрастает резко, а в сильных, где I=Is изменяется по линейному закону. Кривая зависимости В от H называется ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧЕНИЯ
О Рис.3 Н
3. Важной особенностью ферромагнетиков является так называемый МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС: намагниченность, следовательно, и магнитная индукция зависят не только от напряженности магнитного поля в данный момент, но и от того, какая напряженность была раньше.
Если намагнитить ферромагнитный образец до насыщения (точка 1, рис.5), а
Проведя затем процесс в обратную сторону, можно
получить замкнутую кривую, которая называется