6.2.10. Парамагнетизм

Парамагнетиками называют вещества, у которых атомы, молекулы или ионы обладают магнитным моментом, не равным нулю.

К парамагнетикам относятся, например, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы и их сплавы, кислород, и др.

В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, из-за теплового движения спиновые магнитные моменты атомов ориентированы хаотично (J = 0).

При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты атомов ориентируются вдоль поля и образцы в виде стержней устанавливаются вдоль силовых линий магнитного поля.

По классической теории Ланжевена вектор намагничивания

, (8.27)

где > 0.

Парамагнитная восприимчивость зависит от температуры и подчиняется закону Кюри - Вейсса: ,

где Т_с – температура (точка) Кюри.

Парамагнитная восприимчивость веществ имеет значения от 10^5 до 10^3. Природу парамагнетизма объяснила квантовая механика, согласно которой магнитный момент атома в магнитном поле принимает дискретные значения, т. е. квантуется.

6.2.11. Ферромагнетизм

Рис. 8.10

Ферромагнетиками называют вещества, которые обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью при отсутствии внешнего магнитного поля в областях, называемых доменами. К ним относят, например, железо, кобальт, никель и их сплавы. Характерной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость век-тора индукции магнитного поля и вектора намагничивания от напряженности магнитного поля (рис. 8.10, а, б).

Из-за нелинейной зависимости В(Н) для ферромагнетиков магнитная проницаемость имеет сложную зависимость (Н) (рис. 8.11, а). Максимальное значение магнитной проницаемости может достигать больших значений, например, для чистого железа  = 5000. Для ферромагнетиков характерно также явление магнитного гистерезиса (рис. 8.11, б). Если не намагниченный ферромагнетик поместить в магнитное поле, и увеличивая Н от нуля до значения, при котором наступает насыщение В_S, а затем уменьшать Н, то при Н = 0 ферромагнетик будет иметь остаточную индукцию В_r.

Рис. 8.11

Чтобы В_r = 0 нужно приложить некоторое поле Н_с (коэрцитивная сила) в обратном направлении.

При циклическом изменении поля от +Н до –Н и обратно возникает петля магнитного гистерезиса. Площадь петли гистерезиса характеризует потери на перемагничивание ферромагнетика, что приводит к выделению тепла. При непрерывном изменении магнитного поля наблюдается скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетика (эффект Баркгаузена).

При медленном намагничивании в измерительной катушке с исследуемым образцом возникают в цепи катушки импульсы тока, вызванные скачкообразным изменением намагниченности ферромагнитного образца.

Особенно ярко этот эффект проявляется в магнитомягких материалах на крутом участке кривой намагничивания и петли магнитного гистерезиса, где доменная структура образца изменяется в результате процессов смещения доменных границ. Наличие неоднородностей в ферромагнетике препятствует перестройке доменной структуры.

При увеличении магнитного поля, когда граница домена, смещаясь, встречает препятствие, она останавливается и остается неподвижной при дальнейшем увеличении магнитного поля.

При достижении некоторого критического поля граница преодолевает препятствие и скачком перемещается дольше, до очередного препятствия уже, но уже без увеличения поля.

Из-за множества подобных задержек кривая намагничивания ферромагнетика имеет ступенчатый вид (рис. 8.12).

Намагниченность образца может быть вызвано не только магнитным полем, но и другими внешними воздействиями, например, изменением механических напряжений и температуры, при которых происходит изменение доменной структуры образца.

Рис. 8.12

Используя эффект Баркгаузена можно определить объем доменов, который находится в пределах от 10^-6 до 10^-9 см³.

Этот эффект позволяет лучше понять динамику изменения доменной структуры и установить связь между числом скачков намагниченности и основными характеристиками петли магнитного гистерезиса (Н_С и др.).

При повышении температуры Т намагниченность ферромагнетика уменьшается. При температуре Т = Т_С, называемой точкой Кюри, намагниченность ферромагнетика обращается в нуль и он приобретает свойства парамагнетика.

Рис. 8.13

Физическую природу ферромагнетизма удалось объяснить только с помощью квантовой механики. В ферромагнитных веществах возникают обменные силы, которые ориентируют магнитные моменты электронов параллельно друг другу.

В результате возникают области самопроизвольного намагничивания – домены, размеры которых могут быть от 1 до 10 мкм.

В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения (рис. 8.13).

Но направления векторов намагничивания, для разных доменов при

Рис. 8.14

отсутствии внешнего магнитного поля различны и суммарный магнитный момент образца равен нулю.

При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле домены, в которых векторы намагничивания ориентированы по полю (или составляют острый угол с вектором Н), растут за счет соседних доменов, у которых векторы намагничивания ориентированы против поля (или составляют тупой угол с вектором Н, рис. 8.14).

В слабых полях такой рост доменов имеет обратимый характер.

В более сильных магнитных полях происходит одновременная переориентация магнитных моментов в пределах всего домена.

Это приводит к необратимым процессам (из-за наличия различных дефектов кристаллической решетки образца) и является причиной магнитного гистерезиса и существования остаточной намагниченности.