Лекция 3. ТЕРМОДИНАМИКА МАГНЕТИКОВ

Общие сведения

Как уже было сказано в лекции 2, магнитное взаимодействие характеризуется магнитной индукцией B, которая является координатой состояния, и напряжённостью магнитного поля Н, рассматриваемой как потенциал взаимодействия, т. е.

х = В, P = Н.

Напряжённость магнитного поля Н характеризует магнитное поле в вакууме, а магнитная индукция В – магнитное поле в среде. Поскольку магнитное поле в среде можно представить как сумму внешнего поля (поля в вакууме) и индуцированного (наведённого) поля, то для магнитной индукции можно записать выражение (в системе СИ)

B = H +J ,

µ0

где J – намагниченность среды, которая характеризует магнитное поле,

создаваемое самой средой; µ0 = 4π10−7 АВ мс – магнитная постоянная.

Намагниченность пропорциональна внешнему полю, т. е.

J = χH ,

где коэффициент пропорциональности χ называется магнитной воспри-

имчивостью среды. Тогда

B = H +χ H =(1+χ) H , µ0

39

и между магнитной индукцией В и напряжённостью Н устанавливается взаимосвязь

В=µ0 µН,

где μ – магнитная проницаемость среды, равная

µ =1+χ.

Величина магнитной восприимчивости χ может быть и положительной, и отрицательной. Если магнитная восприимчивость среды отлична от нуля χ ≠ 0 , то такая среда называется магнетиком.

Если она отрицательна, т. е. χ < 0, то это означает, что направление вектора намагниченности J противоположно направлению вектора внешнего магнитного поля Н, и тогда среда ослабляет внешнее магнитное поле B < H. Вещества с отрицательной магнитной восприимчивостью называются диамагнетиками. Диамагнетиками являются такие вещества, как углерод, ртуть, золото, медь, цинк, фосфор, сурьма, висмут, азот, хлор, водород, все инертные газы, а также многие химические соединения (почти все органические), углекислый газ, аммиак, вода, нефть, дерево, мрамор, стекло. Большинство диамагнетиков характеризуется тем, что их магнитная восприимчивость χ очень мала и почти не зависит от темпера-

Если магнитная восприимчивость положительна, т. е. χ > 0, то это означает, что направление вектора намагниченности J совпадает с направлением вектора внешнего магнитного поля Н, и тогда среда усиливает внешнее магнитное поле B > H. Вещества с положительной магнитной восприимчивостью называются парамагнетиками. Для ряда парамагнетиков магнитная восприимчивость χ не зависит от напряжённости внешнего поля Н. К таким парамагнетикам относятся молекулярный кислород, платина, редкоземельные элементы, соли элементов группы железа, щелочные металлы.

40

Для большинства парамагнетиков магнитная восприимчивость сильно изменяется с температурой. Эта температурная зависимость при не слишком низких температурах хорошо описывается законом Кюри

χ = АТ ,

где А – константа, различная для различных веществ.

Закон Кюри строго выполняется для ограниченной группы парамагнетиков (платина, палладий, редкоземельные элементы и их соли). Большинство парамагнетиков подчиняется закону Кюри – Вейса

χ = ТС+∆,

где С и – константы, зависящие от типа вещества, причём может принимать положительные и отрицательные значения.

Существует особый класс парамагнетиков – ферромагнетики, у которых магнитная восприимчивость сильно изменяется с изменением внешнего магнитного поля Н. Примерами ферромагнетиков являются железо, никель, кобальт. Основным отличием ферромагнетиков от других парамагнетиков являются существенно большие значения магнитной восприимчивости χ ферромагнетиков, а значит, и намагниченности J, по сравнению со значениями обычных парамагнетиков.

В отличие от диамагнетиков и обычных парамагнетиков зависимость намагниченности от напряжённости внешнего поля J = f (H) имеет нели-

нейный характер. Намагниченность ферромагнетика возрастает с увеличением Н, достигая при некотором значении НS величины насыщения JS

(рис. 1).

Ферромагнетики характеризуются остаточной намагниченностью, которая состоит в сохранении намагниченности J при снятии внешнего поля Н = 0. Эта остаточная намагниченность может существовать у ферромагнетиков при температурах, не превышающих температуру точки Кюри θ,

41

которая для железа равна 770 °С, кобальта 1150 °С, никеля 360 °С. С приближением к точке Кюри остаточная намагниченность убывает и при её достижении становится равной нулю. При температуре выше температуры точки Кюри ферромагнетик начинает вести себя как обычный парамагнетик.

Рис. 1. Зависимость намагниченности ферромагнетика от напряжённости внешнего поля

Характер зависимостей от напряжённости внешнего поля намагниченности J, магнитной индукции В, магнитной восприимчивости χ, а также зависимость χ от температуры для разных магнетиков представлены в таблице:

Зависимости характеристик разных типов магнетиков от напряженности внешнего поля Н и температуры Т

42