7. Магнитомеханические явления

Если из магнетита изготовить легкий сердечник и закрепить его на кварцевых растяжках (рис.7), а затем пропустить по катушке ток, то можно ожидать, что сердечник повернется на некоторый угол.

0б этом будет свидетельствовать дви­жение зайчика по шкале. (Луч от ис­точника S отражается от зеркала 3 и попадает на шкалу Ш). Дей­ствительно, внешнее магнитное поле приведет к "выстраивании" орбиталь­ных магнитных моментов вдоль поля, а значит и к "выстраиванию" орбитальных механических моментов против поля, поскольку их направления противоположны. Таким образом, суммарный орбитальный механический момент электронов, находящихся в магнетике, станет от­личный от нуля, а следовательно станет отличным от нуля и момент импульса системы стержень + электроны. Поскольку ориентация орби­тальных моментов обусловлена соударениями с соседними атомами, т.е. осуществляется под действием внутренних сил, действующих в системе согласно закону сохранения момента импульса суммарный момент импульса системы должен остаться неизменным, то сердечник должен приобрести момент импульса , т.е. придти во вращение в противоположном направлении, что и наблюдалось на опыте. Имеет место и обратный аффект. При быстром вращении сердечник намагни­чивается.

Эксперименты, подобные вышеизложенному, позволяют определять значение гиромагнитного отношения ___, для материала сердечника. Для парамагнетиков была получена ожидаемая величина. Оказалось, что . Когда же сердечник был изготовлен из железа, то гиромагнитное отношение ___ оказалось в два раза большим, т.е. . Полученный результат можно объяснить, если предположить, что электрон, кроме орбитальных магнитного и механического моментов, обладает собственным механичес­ким моментом (спином) и связанным с ним собственным магнитным моментом , с ориентацией которого связаны маг­нитные свойства ферромагнетиков. Спин и спиновый магнитный момент являются неотъемлемыми свойствами электрона подобно массе и заря­ду. Современная физика определяет величину спина выражением , где h - постоянная Планка. Соответственно спиновой магнитный момент электрона . Величи­ну - he /4m называю магнетоном Бора.

8. Объяснение ферромагнетизма

Итак, опыт показывает, что намагничивание ферромагнетиков обус­ловлено ориентацией собственных (спиновых) магнитных моментов, электронов. Основной особенностью ферромагнетиков является су­ществование в них спонтанно (самопроизвольно) намагниченных до насыщения небольших, но макроскопических объемов, линейные разме­ры которых не превышают 10^-6 м. Эти объемы называют доменами. При­чиной спонтанной ориентации спиновых магнитных моментов являются обменные взаимодействия электронных оболочек соседних атомов в кристалле, объяснение которым дает квантовая физика, форма доме­нов у различных ферромагнетиков различна. Магнитные моменты раз­личных доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентирова­ны в пространстве так, что суммарный магнитный момент кристалла равен нулю.

Намагничивание ферромагнетика можно схематически представить следующим образом (рис.8). При включении магнитного поля, направ­ление которого на рис.8 показано стрелкой, энергетически выгодными оказываются домены, магнитные моменты ко­торых составляют острый угол с направлением внешнего ноля. Их энергия меньше. Размеры этих доменов начинают увеличиваться за счет энергетически невыгодных доменов (рис.86). Идет про­цесс смещения границ. При малых значениях Н процесс обратим. При дальнейшем увеличения напряженности магнитного поля процесс стано­вится необратимым. Затем наступает момент, когда энергетически невыгодные домены исче­зает вовсе (рис.8в). Дальнейшее увеличение Н приводит к появлении намагничивания вра­щения, т.е. направление магнитного момента домена начинает изменяться (рис.8г). Причем магнитные моменты всех электронов домена по­ворачиваются одновременно без нарушения па­раллельности. И наконец (рис.8д) магнитные моменты всех доменов устанавливаются по полю. Наступает магнитное насыщение. Магнетик имеет наибольший, возможный при данной температуре, магнитный момент.

Увеличение температуры ведет к уменьшению намагниченности фер­ромагнетика. При температуре, навиваемой точкой Кюри, ферромагне­тик теряет свои ферромагнитные свойства, (домены разрушаются) и в дальнейшем ведет себя подобно парамагнетикам. Понижение темпера­туры ниже точки Кюри ведет к восстановлению ферромагнитных свойств (возникновению доменов).

Гистерезис обусловлен существованием доменов. Смещение границ и поворот вектора намагниченности идут с некоторым запаздыванием по отношению к изменению напряженности намагничивающего поля. Кро­ме того, может оказаться, что в момент включения внешнего поля энергетически выгодных доменов нет, и они должны еще появиться.

Существование остаточной индукции при включении внешнего по­ля свидетельствует о том, что в этом случае у части доменов сох­раняется преимущественная ориентация магнитных моментов в направ­лении поля.