3.18. Молекулярная теория магнетизма

Молекулярная теория магнетизма – это теория, объясняющая механизм намагничивания вещества на основе строения одной молекулы или атома данного вещества.

В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность диамагнитных и парамагнитных веществ равна нулю. Однако обусловлено это разными причинами. Движение каждого электрона вокруг ядра представляет собой элементарный электрический ток и создаёт определенный магнитный момент. Сумма магнитных моментов всех электронов в молекуле диамагнитного вещества равна нулю; можно было бы сказать также, что суммарный ток всех электронов в атоме диамагнетика равен нулю. Таким образом, отдельная молекула диамагнетика не является элементарным магнитиком. Поэтому в отсутствие внешнего поля оказывается ненамагниченным и весь диамагнетик в целом. Сумма магнитных моментов всех электронов в молекуле парамагнетика отлична от нуля, и каждая молекула парамагнетика представляет собой виток с током или маленький магнитик. Из-за беспорядочного теплового движения молекул ориентация магнитных моментов отдельных молекул также беспорядочна, поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля весь парамагнетик в целом оказывается ненамагниченным.

Итак, молекулу диамагнетика можно было бы представить как маленький виток, в котором суммарное движение электронов даёт в итоге нулевой ток. Если проводящий виток поместить в магнитное поле, линии которого перпендикулярны плоскости витка, то по закону электромагнитной индукции в нём индуцируется электрический ток. Этот ток по правилу Ленца течет таким образом, что собственное поле витка направлено против внешнего. Точно также и в молекулах диамагнетика в момент включения внешнего поля индуцируется некоторый ток, при этом внутреннее движение электронов в молекулах диамагнетика не меняется, но вся молекула целиком приобретает дополнительное вращательное движение вокруг вектора индукции внешнего магнитного поля, называемое Ларморовской прецессией. В момент включения внешнее магнитное поле быстро возрастает до своего некоторого постоянного значения, т.е. является переменным, и порождает вихревое электрическое поле. Ларморовская прецессия возникает именно в результате действия вихревого электрического поля, а затем просто поддерживается внешним магнитным полем. Вследствие этого каждая молекула приобретает магнитный момент, направленный по правилу Ленца против внешнего поля, вещество в целом становится намагниченным.

Поле намагниченных молекул диамагнетика направлено против внешнего, т.е. частично его компенсирует. Поэтому суммарное магнитное поле в диамагнетике меньше внешнего поля, а магнитная проницаемость. Следовательно,диамагнетизм вещества есть одно из проявлений закона электромагнитной индукции.

Диамагнетизм присущ вообще любым молекулам, но в парамагнетиках преобладает более сильное ориентационное намагничивание, напоминающее процесс ориентационной поляризации молекул диэлектрика. Каждая молекула парамагнетика заранее обладает магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле магнитные моменты ориентируются параллельно вектору магнитной индукции, и вещество намагничивается. Поле намагниченных молекул усиливает внешнее поле. Поэтому суммарное магнитное полев парамагнетике больше внешнего поля, а магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость парамагнетика очень мало превышает единицу, поскольку тепловое движение дезориентирует магнитные моменты молекул.

Перед тем, как перейти к объяснению природы ферромагнетизма, отметим, что магнитные моменты атомов и молекул создаются не только за счёт орбитального движения электронов вокруг ядер (орбитальные магнитные моменты), но и за счёт вращений электронов вокруг собственных осей. Такие вращения называются спиновыми вращениями электронов. Спиновые вращения тоже подобны некоторым токам и создают спиновые магнитные моменты. Планеты Солнечной системы тоже вращаются вокруг своих осей и имеют собственные магнитные поля. Удивительно, как черты громадной макроскопической системы повторяются в мельчайшей микроскопической системе – атоме! Однако излишние эмоции по поводу сходства макромира и микромира следует всё же отбросить. Природа микрообъектов двойственная. Они проявляют свойства как частиц, так и волн. Электрон в атоме нельзя рассматривать как частицу, движущуюся по определенной траектории – орбите. Вместо этого следует рассматривать «электронное облако». Электрон становится как бы «размазанным» по всему облаку.

Законы микромира изучаются в квантовой механике. Эти законы существенно отличаются от фундаментальных законов классической физики, например, таких, как второй закон Ньютона. Представляя явления микромира, человек пытается использовать понятия, к которым он привык в повседневной жизни. Обычно он представляет себе геометрические или механические образы, с помощью которых отражается в мозгу весь мир. Электрон никто никогда не видел и никто никогда, в принципе, не увидит. Поэтому мы пытаемся как-то представить его себе. При слове «электрон» мы представляем себе маленький, отрицательно заряженный шарик, движущийся и вращающийся вокруг своей оси. И это во многих случаях лучше, чем не представлять себе вообще ничего, и оставаться «безразличным к его судьбе». Но любые сравнения микромира с макромиром условны. Человечество ещё не успело выработать образы микрообъектов и понятий квантовой механики.

Ферромагнетизм невозможно объяснить, рассматривая отдельные атомы ферромагнетиков, которые сами по себе обладают парамагнитными свойствами. В ферромагнетиках существуют макроскопические (размером 10^-4– 10^-5м) области спонтанной намагниченности –домены. В пределах каждого доменаспиновыемагнитные моменты атомов ориентированы параллельно друг другу, и все вместе создают магнитное поле, во много раз превышающее поле одного атома. Параллельная ориентация спиновых магнитных моментов атомов в доменах обусловлена специальным короткодействующимобменнымвзаимодействием между электронами соседних атомов. Обменные силы стремятся установить спины (вращения) электронов соседних атомов параллельно друг другу. Существование обменных сил есть следствие законовквантовой механики, эти силы невозможно даже качественно объяснить с точки зрения классической физики. Поэтому детальное изложение вопроса, связанного с природой обменных сил, выходит за рамки данного пособия.

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты и поля различных доменов могут быть направлены хаотически. В этом случае ферромагнетик ненамагничен. При включении внешнего магнитного поля атомы доменов, магнитные моменты которых направлены против поля, стремятся присоединиться к доменам, магнитные моменты которых направлены по полю. Таким образом, размеры первых доменов уменьшаются, а последних – увеличиваются. Кроме того, в сильных внешних полях отдельные домены могут поворачиваться целиком так, чтобы их магнитный момент был направлен вдоль внешнего поля. В результате описанных процессов магнитное поле внутри ферромагнетика значительно увеличивается.

При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остаётся намагниченным. Тепловое движение не способно полностью дезориентировать целые домены и, тем более, разрушить их. Размагничивание идёт очень медленно. В результате процесс намагничивания и размагничивания ферромагнетиков отстаёт от изменений внешнего поля. Намагниченность ферромагнитного вещества под действием одного и того же внешнего магнитного поля зависит не только от величины этого поля, но и от начальной намагниченности вещества. Зависимость намагниченности под действием внешнего поля от предыстории ферромагнетика называется магнитным гистерезисом.

Поместим ненамагниченный ферромагнетик во внешнее магнитное поле, постепенно увеличивая его напряженность . Это можно сделать, например, поместив в катушку ферромагнитный сердечник и постепенно увеличивая силу тока, текущего по виткам катушки (напомним, что величиназависит исключительно от тока проводимости или тока свободных электронов). Вследствие гистерезиса зависимость намагниченностиотбудет нелинейной (рис. 3.28, участокОА). По-прежнему можно писать уравнение (3.47)или, но нужно считать, что магнитная восприимчивостьи магнитная проницаемостьдля ферромагнетиков не являются постоянными величинами, а зависят от напряженности внешнего поля. В сильных полях вдоль поля выстраиваются все до­ме­ны, и намагниченность до­сти­гает насыщения, т.е. становится постоянной, не зависимой от величины(участокАВ). Мак­симальная намагниченностьназываетсянамагни­чен­ностью насыщения.

При уменьшении тока в катушке или уменьшении на­пря­женности магнитного поля намагниченность начинает умень­шаться. Однако, при пол­ном выключении внешнего маг­нитного поля в веществе на­блю­дается остаточная намагниченность . Далее, если включить поле, противоположное по направлению (изменить направление тока), намагниченность будет уменьшаться и при некотором значении напряженности обратного поляобразец полностью размагнитится. Величинанапряженность магнитного поля, размагничивающего образец, называетсякоэрцитивной силой. Ферромагнетики с большой коэрцитивной силой размагничиваются только в очень сильных полях, поэтому их используют для изготовления постоянных магнитов.

Увеличивая силу обратного тока, можно намагнитить образец в противоположную сторону до насыщения. Вся зависимость в прямом и обратном направлении называетсяпетлёй гистерезиса. Если точкаАсоответствует насыщению намагниченности образца, то петля называется предельной. Если при намагничивании образца по кривойОАостановится в точкеС, а затем уменьшать напряженность поля, то размагничивание пойдёт по меньшей петле. В частности, при полном выключении поля намагниченность образцабудет меньше, чем . В этом смысл магнитного гистерезиса: при одном и том же значении напряженности магнитного поля намагниченность образца может быть разной. Она, помимо величины, зависит от предыстории ферромагнетика.

Кривые намагничивания на рис. 3.28 показывают, что для того, чтобы размагнитить ферромагнетик, недостаточно просто выключить внешнее поле – образец при этом останется намагниченным. Недостаточно и приложить обратное поле – образец размагнититься, но при попытке вынуть его из поля он намагнититься вновь (это всё равно, что выключить поле). Для размагничивания образца его помещают в катушку с переменным током. Образец при этом циклически перемагничивается. Плавно уменьшают амплитуду тока, переходя к более узким петлям гистерезиса. В результате при исчезновении тока достигается точка О, где намагниченность равна нулю.

Кроме того, размагнитить ферромагнетик можно, если достаточно сильно его нагреть. Это явление впервые было обнаружено и изучено французским физиком П. Кюри. Температура, при которой происходит размагничивание ферромагнетика и превращение его в парамагнетик, называется температурой Кюри. Причиной разрушения доменов является интенсивное тепловое движение атомов. Например, для железа температура Кюри 770⁰С, для никеля – 360⁰С, для кобальта – 1130⁰С, для гадолиния – 16⁰С.

При циклическом пере­магничивании ферромагнитный образец разогревается. Часть работы затраченной на развороты доменов неизбежно переходит в тепло, поскольку намагниченность отстаёт от изменений внешнего поля. В п. 3.11 говорилось о том, что сердечники могут разогреваться из-за токов Фуко. Однако более сильное нагревание обусловлено именно гистерезисом, а не токами Фуко. Например, при прочих равных условиях, железный сердечник нагревается значительно быстрее медного. Интенсивное нагревание ферромагнетиков и явление насыщения намагниченности делает непригодными катушки с сердечниками для получения сверхсильных магнитных полей.