1. Диамагнетики

Диамагнетики во внешнем поле намагничиваются противоположно полю:

.

Для них магнитная восприимчивость, магнитная проницаемость. Магнитная индукция в диамагнетиках меньше, чем в вакууме; густота линий индукции меньше (рис.16.4). Диамагнетики – слабомагнитные вещества, так как значениемало:, а.

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю: . Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярные водород и азот, висмут, цинк, медь, золото,…

Диамагнетизм объясняется либо откликом на внешнее магнитное поле электронных оболочек атомов, либо откликом обобществлённых электронов проводимости (металлы). Эффект диамагнетизма есть не что иное, как электромагнитная индукция на уровне электронных (по Амперу, «молекулярных») токов, присущих всем веществам.

Диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Газы, входящие в состав продуктов сгорания, диамагнитны, поэтому пламя свечи отклоняется в неоднородном магнитном поле в сторону слабого поля (рис.16.5).

Диамагнитный эффект имеет место для всех веществ: и для пара-, и для ферромагнетиков. Но в пара- и ферромагнетиках диамагнитный эффект маскируется другими более сильными эффектами.

2. Парамагнетики

Парамагнетики – тоже слабомагнитные, но знак магнитной восприимчивости для них положителен:. Они намагничиваются параллельно внешнему полю:

,

.

Индукция магнитного поля в парамагнетике больше, чем в вакууме. Магнитная проницаемость для них, как и для диамагнетиков, тоже мало отличается от единицы вследствие малости магнитной восприимчивости:;.

К парамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов (молекул, ионов) которых отличны от нуля: . Это – многие металлы (Al, Li, Na, K), некоторые газы (О₂, NO). В отсутствие внешнего поля ориентация магнитных моментов атомов хаотична (рис.16.6, а), и вещество в целом не имеет магнитного момента (не намагничено). Во внешнем магнитном поле магнитные моменты атомов ориентируются по полю (рис.16.6, б), так как на них действует вращающий момент силы (16.2). Устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю, вещество приобретает магнитный момент, то есть намагничивается, причём намагниченность параллельна внешнему полю. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле.

Полной ориентации магнитных моментов мешает тепловое движение, поэтому с повышением температуры магнитная восприимчивость уменьшается, намагниченность тоже уменьшается:

.

3. Ферромагнетики

Ферромагнетики, в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков, являются сильномагнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле:

.

Такими свойствами обладают кристаллы переходных металлов (железо, кобальт, никель), некоторые редкоземельные элементы, ряд сплавов, а также некоторые металлические стёкла.

Ферромагнетики в отсутствие внешнего поля могут обладать спонтанной (самопроизвольной) намагниченностью, зависящей от внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры.

Ферромагнетики намагничиваются параллельно внешнему полю: ;; они втягиваются в магнитное поле (железные гвозди притягиваются к магниту).

Перечислим свойства ферромагнетиков:

1. Зависимость намагниченности от напряжённости поля нелинейна: (рис.16.7). На том же рисунке для сравнения приведены зависимостиJ(H) для пара- и диамагнетиков.

2. Для ферромагнетиков характерно насыщение намагниченности: начиная с некоторого значения напряжённости H_нас. внешнего поля, намагниченность, достигнув насыщения, перестаёт расти (рис.16.7 и 16.8).

3. Магнитная восприимчивость зависит от предыстории. Если уменьшать напряжённость внешнего поля, то кривая АВ зависимости J(H) пойдёт выше, чем основная кривая намагничивания ОА (рис.16.8), а когда напряжённость внешнего поля будет равна нулю, ферромагнетик останется намагниченным (J_ОСТ.), ферромагнетик стал постоянным магнитом. Для того чтобы убрать остаточную намагниченность, нужно подать внешнее поле, направленное противоположно намагниченности (точка С).

4. Для ферромагнетиков характерен гистерезис. При дальнейших изменениях внешнего поля можно получить снова насыщение намагниченности, но уже противоположного знака (точка D, рис.16.8), а затем замкнуть кривую намагниченности до точки А. Это – максимальный цикл. Если намагниченность не доводить до насыщения, периодически меняя направление и величину внешнего поля, можно получить частные циклы (рис. 16.9, кривые 2 и 3). Подобный график называется «петля гистерезиса». Само слово «гистерезис» значит «запаздывание»: изменения намагниченности J (или индукции В) запаздывают по сравнению с изменениями внешнего поля.

5. При нагревании выше некоторой температуры T_C – температуры (точки) Кюри – ферромагнетик теряет свои свойства и превращается в парамагнетик. У каждого магнетика точка Кюри T_C – своя; например, для железа это 1043 К.

Природа ферромагнетизма

В отличие от диа- и парамагнетизма, явление ферромагнетизма не может быть смоделировано в рамках классической физики; природа его – исключительно квантовая.

Ферромагнетизм обусловлен упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов электронов.В атомах Fe, Ni и Co имеются не заполненные до конца внутренние электронные оболочки. Между такими атомами возникает особое взаимодействие – обменное. Оно связано с принципом неразличимости тождественных частиц: если два соседних атома обменяются электронами, то, в принципе, состояние не должно измениться (точнее, не меняется модуль волновой функции, которая в квантовой механике описывает состояние системы). Так что можно сказать, что обменные силы обусловлены волновыми свойствами электронов. В результате обменного взаимодействия возникают силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу (рис.16.10,а). Это приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания в кристалле ферромагнетика – доменов (рис.16.11). Домены – небольшие участки ферромагнетика, содержащие очень большое число атомов, в которых взаимодействие магнитных моментов отдельных атомов приводит к выстраиванию в пределах домена всех атомных моментов параллельно друг другу. Даже в отсутствие внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагниченности для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствие внешнего поля ненамагниченным.

Спонтанное намагничивание сразу всего ферромагнетика оказывается энергетически невыгодным. Размеры домена порядка l~10^-8÷10^-6 м. Между доменами есть тонкий переходный слой толщиной порядка d~10^-9÷10^-8 м, в котором ориентация моментов меняется постепенно (рис.16.12).

Для антиферромагнетиков энергия обменного взаимодействия отрицательна, и спиновые магнитные моменты соседних атомов ориентируются противоположно друг другу (рис.16.10, б); для них характерно отсутствие намагниченности.

Рассмотрим процесс намагничивания ферромагнетика. Во внешнем поле происходит рост доменов, ориентированных по полю (рис.16.13), а также скачкообразное изменение направления намагниченности доменов по полю – намагниченность растёт (областьI на рис.16.7), пока все домены не сориентируются по полю, и намагниченность образца достигнет насыщения (область II).

Если ферромагнетик был первоначально размагничен (В=0, Н=0), то его намагничивание происходит по основной кривой намагничивания ОА (рис.16.9). В точке А напряженность Н_нас и индукция В_нас соответствует состоянию магнитного насыщения. Размагничивание ферромагнетика происходит по кривой 1: A→B_ОСТ→(–H_C)→A. Если внешнее поле убрать (Н=0), намагниченности доменов остаются ориентированными – это остаточная индукция: В=B_ОСТ.

Размагнитить ферромагнетик можно, приложив поле противоположного направления. Напряжённость внешнего поля H_С, при которой исчезает остаточная индукция B_ОСТ, называется коэрцитивной силой, или коэрцитивным полем (см.рис.16.9). Если при циклическом намагничивании H_max≥H_c, то получается максимальная петля гистерезиса 1. Кривые 2 и 3 – это частные циклы, когда H_max<H_c. Максимумы В и Н частных циклов лежат на основной кривой намагничивания ОА.

Ферромагнетики, у которых коэрцитивное полеH_С не больше 100 А/м, считаются магнитомягкими, их легко размагнитить, и петля гистерезиса у них узкая. Магнитомягкие ферромагнетики подходят для изготовления сердечников для электромагнитов, так как потери на перемагничивание меньше. Если коэрцитивная сила H_С>100 А/м, ферромагнетик – магнитожёсткий; петля гистерезиса для него широкая, и такие ферромагнетики подходят для изготовления постоянных магнитов, так как у них большая остаточная намагниченность.

Зависимость магнитной проницаемости от напряжённости поля можно получить графически. Из (16.13) следует, что для любой точки графика зависимости магнитная проницаемость пропорциональна тангенсу угла (рис.16.14, а):

.

Максимальное значение соответствует точке А касания на графике (рис.16.14,б):.

Строго говоря, для ферромагнетиков формулу (16.13) использовать нельзя, а магнитную проницаемость лучше определять не по абсолютным значениям В и Н, а по их приращениям:

.

При нагревании ферромагнетика его магнитная проницаемость увеличивается, так как облегчаются процессы смещения доменных границ.При температуре, равной или выше точки Кюри Т_С в результате теплового движения ионов, находящихся в узлах кристаллической решетки, домены разрушаются, и материал переходит в парамагнитное состояние (рис. 16.15).