Електронна теорія магнетиків
6.1 Класифікація магнетиків
Магнетизм - це універсальна властивість усіх тіл, яка виявляється у процесі їхньої взаємодії із зовнішнім магнітним полем. Така універсальність зумовлена тим, що довільне середовище містить рухомі заряди, а рухома частинка з електричним зарядом створює власне магнітне поле. Магнітне поле такої частинки обов'язково взаємодіятиме із зовнішнім магнітним полем.
Відомо, що ізольовані магнітні полюси в природі не виявлені, вони завжди існують парами, один з яких називають позитивним, а інший - негативним. Таку пару полюсів називають диполем. Мікроскопічна (атомна) теорія показує, що магнітний дипольний момент, який виникає у матеріалах, зумовлюється такими рухами заряджених частинок в атомах:
-
орбітальним рухом електронів навколо ядер;
-
спіном електронів, тобто обертанням електронів навколо власної осі;
-
спіном ядер, який зумовлений існуванням спінів у протонів та нейтронів.
Якщо
помістити речовину у магнітне поле
напруженістю
,
то
вона намагнічуватиметься,
тобто в речовині виникатиме результуючий
магнітний момент,
який складається з елементарних магнітних
моментів окремих
заряджених частинок
.
Мірою намагнічення речовини є
намагніченість
,
що дорівнює магнітному моменту
одиниці
об'єму речовини
.
У невеликих полях між намагніченістю та магнітним полем лінійна залежність:
,
(6.1)
де
- об'ємна
магнітна сприйнятливість речовини.
Крім
об'ємної сприйнятливості, іноді
використовують молярну сприйнятливість
або
-
питому
сприйнятливість. Ці величини
пов'язані між собою такими співвідношеннями:
,
,
де
,
-
відповідно
густина та молярна маса речовини.
Очевидно,
що всередині намагніченої речовини
створюється власне
внутрішнє поле,
тому
для опису магнітного поля у речовині
вводять ще один вектор -
магнітну індукцію
:
,
(6.2)
де
називають
магнітною
проникністю середовища;
- магнітна
стала.
Магнетики - клас речовин, які можуть породжувати магнітне поле або видозмінювати зовнішнє магнітне поле.
Усі
речовини в природі відносять до
слабомагнітних
або сильномагнітних магнетиків.
Традиційна класифікація магнітних
речовин
ґрунтується на поділі їх за величиною
та знаком магнітної сприйнятливості
.
Ізотропні
речовини, для яких
<0
(напрями
та
є антипаралельними), називають
діамагнетиками.
Для
всіх інших речовин
(напрями
та
є паралельними) , при
цьому матеріали, для яких сприйнятливість
коливається в межах 10-4
-10-6,
називають парамагнетиками.
Якщо
>>1,
то реалізується
випадок феромагнітних
матеріалів.
Слабомагнітними
магнетиками
є пара-
і діамагнетики. Основною
різницею між ними є те, що атоми
парамагнетиків на відміну
від діамагнетиків мають власні магнітні
моменти, які
орієнтуються
вздовж
силових ліній зовнішнього магнітного
поля,
тобто парамагнетик намагнічується. За
відсутності цього поля
магнітні моменти у зв'язку з коливальним
рухом розорієнтовані
і вектор намагніченості
.
Властивості намагнічування мають і
діамагнетики, але особливість
цього процесу в них полягає у тому, що
під дією сили Лоренца виникає індукований,
магнітний момент, який завжди спрямований
проти зовнішнього магнітного поля (із
цієї причини
на діамагнетики діє виштовхувальна
сила з
боку
зовнішнього магнітного поля). Оскільки
у пара- і діамагнетиків відносно мала
намагніченість
(
),
а
магнітна сприйнятливість має величину
порядку 10-4
-10-6,
то їх віднесли до слабомагнітних
речовин.
Отже, поведінка таких речовин неоднакова в неоднорідному зовнішньому полі: діамагнетик буде виштовхуватись із поля, а парамагнетик - втягуватися в область найбільшої напруженості.
Суттєва взаємодія між магнітними моментами зумовлює такі ефекти:
- феромагнетизм, який реалізується тоді, коли всі атомні магнітні моменти розміщуються паралельно;
-
антиферомагнетизм спостерігається в кристалах, в яких пари рівних атомних магнітних моментів розміщуються антипаралельно;
-
феримагнетизм реалізується тоді, коли значення магнітних моментів, які є антипаралельними, не рівні між собою, внаслідок чого немає повної компенсації антипаралельних магнітних моментів сусідніх атомів
Відповідно речовини з такими типами розміщення магнітних моментів називають феромагнетиками, аитиферомагнетиками та феримагнетиками і відносять до класу сильномагнітних речовин.
Наведена схема класифікації магнітних речовин не є універсальною, оскільки не враховує всі можливі взаємодії у матеріалах. Так, зокрема, існують речовини, які важко однозначно віднести до одного з перелічених типів магнетиків. Відомі монокристали, які є парамагнітними вздовж однієї осі та діамагнітними відносно іншої. Деякі кристали намагнічуються вздовж однієї осі як феромагнетики, а стосовно іншої - як слабомагнітні речовини (парамагнетики, феримагнетики). Крім того, антиферомагнітні кристали за поведінкою в магнітному полі відносять до слабомагнітних речовин, тоді як за природою виникнення феримагнетики близькі до феромагнетиків.
У фізиці твердого тіла, яка використовує симетричні аспекти, застосовують також класифікацію магнетиків, в основу якої покладено наявність (або відсутність) упорядкування магнітних моментів атомів. Згідно з цим критерієм усі кристали поділяють на дві групи: впорядковані магнетики (феромагнетики, феримагнетики, антиферомагнетики) та невпорядковані магнетики (діамагнетики, парамагнетики).