Цель работы: ознакомиться с магнитными свойствами вещества и классификацией магнетиков, изучить явление магнитного гистерезиса, построить кривую намагничивания и петлю гистерезиса для заданного образца.

Краткая теория.

Магнитные свойства вещества.

Все вещества обладают теми или иными магнитными свойствами, причем в различной степени, и в связи с этим называются магнетиками. Магнитные свойства вещества обусловлены, прежде всего, орбитальным движением электронов, входящих в состав атомов, а также определенным «внутренним» состоянием каждого электрона, приводящим к появлению у него собственного момента импульса, называемого спином.

Орбитальное движение электрона в атоме можно рассматривать как некий элементарный ток. Плоский контур с током обладает магнитным моментом p_m=ISn, гдеI– сила тока в контуре,S- площадь контура, аn– вектор единичной положительной нормали к контуру (ее направление связано с направлением тока в контуре правилом правого винта).

Поскольку магнитные моменты атомных ядер намного меньше магнитных моментов электронов, то магнитные моменты атомов практически равны векторной сумме магнитных моментов входящих в их состав электронов. В свою очередь магнитные моменты молекул складываются из магнитных моментов входящих в их состав атомов. В результате этого в отсутствие внешнего поля собственные магнитные моменты молекул у одних веществ могут быть равны нулю (магнитные моменты частиц, входящих в состав молекулы, компенсируют друг друга), а могут отличаться от нуля.

На электрон, вращающийся по окружности в магнитном поле с индукцией В, действует момент силы М =p_mВsinα, гдеα- угол между векторамиp_m и B. Это приводит к тому, что вектор момента импульса электрона вращается вокруг направления вектора индукции B внешнего поля (это явление называется прецессией электрона), в результате чего у атомов и молекул вещества возникает дополнительный прецессионный магнитный момент, направленный против внешнего поля. Это называется диамагнитным эффектом. Электронную прецессию можно рассматривать как круговые токи. Это индуцированное движение электрического заряда вызывает магнитное поле, которое, по правилу Ленца, будет направлено так, чтобы уменьшить воздействие со стороны внешнего поля.

Диамагнетизм свойствен всем веществам, кроме атомарного водорода, так как у всех остальных веществ имеются спаренные электроны и заполненные электронные оболочки.

Все эти причины приводят к тому, что вещества обладают определенными магнитными свойствами и могут вступать в различные взаимодействия. В зависимости от величины магнитного момента и характера магнитного взаимодействия атомов, вещества по их магнитным свойствам делятся на группы – диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

Намагниченность и магнитная индукция

Магнитное взаимодействие пространственно разделенных тел осуществляется магнитным полем с напряженностью H.

Намагниченность J это вектор, численно равный суммарному магнитному моменту единицы объема вещества:

J= Σp_m/V.

Намагниченность возрастает с увеличением напряженности магнитного поля:

J=H,

где – магнитная восприимчивость.

Магнитное поле создает магнитную индукцию B. В вакууме магнитная индукция связана с напряженностью магнитного поля черезмагнитную проницаемость вакуума (магнитную постоянную)₀= 410^7Гн/м:

B=₀H.

Магнитная индукция, создаваемая в присутствии вещества, складывается из векторов напряженности внешнего магнитного поля и намагниченности вещества:

B=₀(H+J) =₀H,

где относительная магнитная проницаемость.

Относительная магнитная проницаемость mпоказывает во сколько раз магнитная индукция в рассматриваемой точке поля в данном веществе больше, чем в вакууме.

Таким образом, напряженность Hхарактеризует внешнее магнитное поле, а индукцияB– внутреннее магнитное поле в веществе. Если внешнее магнитное поле изменяется, тоmхарактеризует скорость изменения магнитного поля в веществеm_d = (dB/dH)-дифференциальная магнитная проницаемость.

Из связи между магнитной индукцией Bи намагниченностьюJследует, чтоc=m-1.

Для изотропных веществ cиm-скаляры. Для анизотропных веществ направления векторовBиHмогут не совпадать. В этом случаеmиcявляются функциями напряженности поля.

Классификация магнетиков

Диамагнетики

Собственные магнитные моменты атомов (молекул) диамагнетика в отсутствие внешнего поля равны нулю. Под действием внешнего магнитного поля электроны в заполненных электронных оболочках начинают описывать окружности вокруг направления поля - прецессировать.При этом у атомов появляются индуцированные магнитные моменты (диамагнитный эффект), которые существуют до тех пор, пока существует внешнее поле.

Так как индуцированные магнитные моменты направлены против внешнего поля, диамагнетики характеризуются малой отрицательной намагниченностью (они намагничиваются противоположно внешнему полю). К диамагнетикам относятся, например, благородные газы, некоторые металлы (Cu,Be,Zn,Pbи др.), полупроводники (Si,Ge), диэлектрики (полимеры, стекло), органические вещества.

Парамагнетики

Атомы (молекулы) парамагнетика в отсутствие внешнего поля обладают собственными магнитными моментами, отличными от нуля. При отсутствии внешнего поля намагниченность парамагнетика равна нулю вследствие хаотической ориентации собственных магнитных моментов частиц. В магнитном поле магнитные моменты частиц стремятся выстроиться по направлению поля, усиливая его, поэтому намагниченность парамагнетика положительна (они намагничиваются в направлении внешнего поля), и невелика. Этот порядок нарушается хаотическим тепловым движением. Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температурыТ: чем нижеТ, тем выше.

В слабых полях и при высоких температурах эта зависимость выражается законом Кюри– Вейсса:=C/ (T–), где– поправка Вейсса, связанная с появлением ферромагнетизма или антиферромагнетизма.

К парамагнетикам относятся многие металлы (щелочные металлы, алюминий и др.), газы (O_{2 ,} N₂и др.)

В металлах дополнительный вклад в парамагнетизм обусловлен электронами проводимости.

Ферромагнетики

Ферромагнетизм обнаруживают кристаллы только девяти химических элементов: 3d-металлы (Fe, Ni, Co) и 4f-металлы (Gd, Dy, Tb, Ho, Er, Tm). Однако имеется огромное число ферромагнитных сплавов и химических соединений.

Для ферромагнетиков характерно наличие спонтанной намагниченности. Это означает, что магнитные моменты атомов в определенных областях, называемых доменами, ориентированы упорядоченно (параллельно друг другу) в отсутствие внешнего поля. Такая ориентация связана с квантовыми эффектами и объясняется теорией обменного взаимодействия. Ферромагнетизм связан с упорядочением прежде всего спиновых магнитных моментов электронов.

Ферромагнетики способны намагничиваться очень сильно, их магнитная проницаемость достигает очень больших значений и ее величина зависит от напряженности внешнего поля. При выключении внешнего поля ферромагнетик сохраняет намагниченность. Эти свойства ферромагнетиков имеют место в интервале температур от 0 К до некоторой критической T_C–температуры Кюри.При температуре Кюри происходит фазовый переход 2-го рода: превращение ферромагнетикпарамагнетик. Это связано с тем, что при высоких температурах энергия хаотического теплового движения становится очень велика, что приводит к распаду доменов.

При T>T_Cзависимость магнитной восприимчивости от температуры описывается законом Кюри–Вейсса, где поправка Вейсса равнаT_C.

Антиферромагнетики

В некоторых случаях обменное взаимодействие приводит к тому, что собственные магнитные моменты электронов самопроизвольно ориентируются антипараллельно друг другу. Такая ориентация охватывает попарно соседние атомы. Это явление называется антиферромагнетизмом, оно было впервые предсказано Л.Д.Ландау еще в 1933г.. Для антиферромагнетиков характерна очень маленькая магнитная восприимчивость и они ведут себя как очень слабые парамагнетики. Для них также существует температура T_N, называемая антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля, при которой антипараллельная ориентация спинов исчезает. При температуре Нееля происходит фазовый переход 2-го рода: превращение антиферромагнетикпарамагнетик.

К антиферромагнетикам относятся, например, хром, марганец и др.

Ферриты.

Ферритами называют ферромагнитные полупроводники. В отличие от металлических ферромагнетиков они обладают большим электрическим сопротивлением, что позволяет использовать их, например, для изготовления сердечников трансформаторов, не опасаясь вредного воздействия токов Фуко.