27.Магнітні властивості твердих тіл. Магнітні матеріали, діа-, пара- та феромагнетизм.

Протягом тисячоліть людина використовував магнітні властивості твердих тіл, не розуміючи фізичної природи цього явища. На початку XIX ст., В 1820 р., Ерстед виявляє магнітне поле навколо провідника зі струмом. Це був важливий момент не тільки магнетизму, а й всієї фізики. Через 11 років Фарадей "перетворює" магнетизм в електрику. Внутрішня єдність двох фізичних явищ було встановлено. З'являється перша наукова теорія магнітних властивостей - теорія "молекулярних" струмів Ампера. Теорія Дж. Максвелла показала,що струм провідності, конвекційний струм і струм зміщення володіють магнітним дією. Струм провідності пов'язаний з рухом електричних зарядів усередині провідника. Конвекційний струм породжується рухом заряджених тел. Струм зміщення виникає при всякому зміні в часі електричного поля, його специфічною особливістю є те, що він не обов'язково пов'язаний з рухом електричних зарядів, і може існувати у вакуумі. Мікроскопічна електронна теорія Г. Лоренца дозволила провести деякі кількісні теоретичні розрахунки з магнетизму. Великий внесок в експериментальне вивчення магнітних властивостей заліза вніс А. Столетов. Поряд з речовинами, що володіють такими ж магнітними властивостями, як залізо, кобальт, нікель і інші, виявляються речовини, магнітні властивості яких істотно відрізняються. Виявилося, що принципово всі речовини в тій чи іншій мірі магнітні. Їх розділили на три групи:

1) ферромагнетики - залізо, кобальт, нікель, гадоліній, тербій,

діспрозій, гольмій і ряд сплавів;

2) парамагнетики - платина, кисень, 2 3 4 Fe O, NiSO та ін;

3) Діамагнетик - мідь, вісмут, алмаз, германій, кремній, селен та ін

Залежно від чисельного значення μ всі речовини можна поділити на три

групи: Діамагнетик, парамагнетики і феромагнетики. Як вже зазначалося,

речовини, для яких μ<1, називаються діамагнетиками. До них відносяться висмут, мідь, ртуть, срібло, золото, хлор, інертні гази та ін.Стрижень з твердого діамагнетиків або ампула з рідким (газоподібним)діамагнетиком, поміщеними в однорідне магнітне поле, встановлюються перперпендикулярно лініям індукції поля. У неоднорідному магнітному полі надіамагнетик діє сила, яка прагне виштовхнути його за межі поля.

Відносна магнітна проникність діамагнетиків є величиноюпостійною і не залежить ні від індукції зовнішнього магнітного поля B₀

, Ні від условий зовнішнього середовища (наприклад, температури, тиску тощо). Тому

залежність індукції магнітного поля в діамагнетиків від зовнішнього магнітного поле є лінійної (рис. 24.1).

Діамагнетизм властивий всім без винятку речовинам, але виявляється вінтільки в тих речовинах, сумарний магнітний момент атомів яких дорівнює

нулю. Якщо така речовина внести в зовнішнє магнітне поле, то на власне

рух електронів в атомах накладається додатковий рух,викликане полем. У результаті цього в кожному з атомів діамагнетиківіндукується додатковий струм, магнітне поле якого відповідно з правилом Ленца спрямоване проти зовнішнього поля. Тому індукція результірующего магнітного поля в діамагнетиків B дорівнює різниці індукції зовнішнього поля B₀і внутрішнього поля B^’:

B=B_o-B^’

При виключенні зовнішнього магнітного поля індукційні «атомні струми»зникають, тобто діамагнетик розмагнічується.Речовини, відносна магнітна проникність яких

μ>1, називаються парамагнетиками. До них, зокрема, відносятся натрій, калій, магній, кальцій, марганець, платина,розчини деяких солей та ін

Зразок парамагнетика в однорідному зовнішньому магнітному полі встановлюється вздовж ліній індукції цього поля. В неоднорідному магнітному полі на парамагнетик діє сила, яка прагне втягнути його в область більш сильного поля. Відносна магнітна проникність парамагнетиків, як і діамагнетиків, не залежить від зовнішнього магнітного поля. Тому залежність індукції магнітного поля парамагнетика від зовнішнього магнітного поля також є лінійною (рис. 24.2).

Парамагнетиками є речовини, орбітальні магнітні моменти атомів яких відрізняються від нуля, а спінові магнітні моменти атомів дорівнюють нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля орбітальні магнітні моменти атомів парамагнетика орієнтуються в напрямку цього поля. Тому внутрішнє магнітне поле парамагнетика, обумовлене «атомними струмами», спрямовані в ту ж сторону, що і зовнішнє намагнічене полі. З цієї причини індукція магнітного поляв парамагнетикахB=B_o-B^’Оскільки тепловий рух атомів заважає орієнтації їх магнітних моментів у напрямку зовнішнього поля, то відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується зі збільшенням температури.

Феромагнетики. Ферромагнетики - це речовини з великим значенням відносної магнітної проникності: μ1. До них відноситься невелика група кристалічних

твердих тіл таких, як залізо, кобальт, нікель, деякі рідкоземельні елементи, а також ряд сплавів. Спеціально озданние сплави, для яких  становить десятки тисяч одиниць, називають ферритами. Властивості феромагнетиків визначаються наявністю в них при відсутності зовнішнього поля областей мимовільної (спонтанної) намагніченості - доменів.Якщо в пара-і діамагнетиках намагніченість змінюється зі збільшенням напруженості поля лінійно, то в феромагнетиках ця залежність більш складна (рис. 24.3).

Вже при напруженості поля порядку 100 А / м намагнічування досягає насищенія.Для феромагнетиків характерне явище гістерезису.

Якщо ненамагніченого феромагнетик помістити в зовнішнє магнітне поле, яке послідовно будемо збільшувати від нуля до Н_і, То залежність B=f(H) виразиться кривою ОА (рис. 24.4), яка називається первісною або основної кривої намагнічування.Якщо намагнічування довести до насичення (точка А,рис. 24.4), а після цього зменшувати напруженість магнітного поля, то зміна магнітної індукції B будевідбуватися по кривій АD, яка не збігається з АТ.

При H =0 магнітна індукція має значення ОD, яке називаєтся залишкової індукцією B _iH Для того щобіндукція B стала дорівнювати нулю, необхідно докласти полепротилежного напрямку напруженістю H_i. Це значення напруженості називається коерцитивності полем.При подальшому збільшенні напруженості поля до - Hì феромагнетик намагнітиться в протилежному напрямку до насичення (-Bì). Якщо напруженість поля знову зменшити до нуля, будемо спостерігати залишкову індукцію (-B_iH). При подальшому збільшенні H індукція знову досягнезначення Bì. Замкнута крива B=f(H) називається петлею гістерезису.