25. Вещество в магнитном поле

Магнетиком называют любое в-во в м. п. Сила взаимодействия между элементарными токами dF, определяемая з-м Ампера, зависит от того, в каком в-ве нах-ся взаимодействующие токи. Её силу можно представить так: dF = mdF₀.где dF₀  сила взаимодействия м/д этими токами в вакууме. Некоторые в-ва уменьшают силу взаимодействия токов по сравнению с вакуумом, другие – увеличивают.

Безразмерное число μ, показывающее во сколько раз сила взаимодействия между токами в в-ве больше силы взаимодействия в вакууме, называют магнитной проницаемостью вещества.

Магнитные с-ва тел обусловлены движением эл. зарядов в атомах и молекулах. Любой движущийся в оболочке атома электрон в магнитном отношении эквивалентен элементарному контуру с током, им. определённый магнитный момент, называемый орбитальным.

К роме того, каждый электрон имеет собственный магнитный момент, называемый спиновым. Спиновый момент в начале связывался с предполагаемым вращением электрона вокруг своей оси. Когда позднее выяснилось, что эта наглядная модель неприменима, спиновый момент стали просто полагать определённым качеством электрона, таким как масса и заряд. Магнитный момент атома слагается из орбитальных и спиновых магнитных моментов всех его электронов и магнитного момента ядра.

Полный магнитный момент единицы объёма в-ва называют вектором намагничения вещества и обозначают J, Он равен сумме магнитных моментов всех частиц в единице объёма. В несильных полях вектор намагничения пропорционален индукции магнитного поля, .

М агнитная постоянная μ₀ введена здесь для уравнивания размерностей так, чтобы коэффициент пропорциональности χ был безразмерным числом. Величину χ называют магнитной восприимчивостью в-ва. Между μ и χ линейная связь: μ=χ+1. Магнитная восприимчивость χ может быть как положительным, так и отрицательным числом. В зависимости от значений χ и μ все материалы делятся на три большие группы:  χ < 0, μ < 1 – диамагнетики;  χ > 0, μ > 1 – парамагнетики;  χ >> 0, μ >> 1 – ферромагнетики.

Диамагнетики – это в-ва, магнитный момент атомов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равен нулю.К диамагнетикам относятся все инертные газы, металлы Cu, Ag, Au, Pb, Hg, Zn, а также Sb, I (йод), C, Si, S, H₂O, N₂, Сo₂ и большинство органических соединений.

Парамагнетики – это в-ва, у которых μ > 1 и χ > 0. К ним относятся щелочные металлы, Ca, Mg, Cr, Mn, Sn, Pb, редкоземельные элементы и другие.

В отсутствие внешнего м. п. магнитный момент каждого отдельного атома парамагнетика не равен нулю, как в диамагнетиках. Но моменты атомов ориентированы хаотично, поэтому магнитный момент единицы объём (вектор намагничивания) парамагнетика в отсутствие внешнего поля также равен нулю.

Закон Кюри для парамагнетиков. С повышением температуры Т при неизменной индукции внешнего поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц. Поэтому магнитная восприимчивость парамагнетиков в простейшем случае убывает по закону Кюри. где С – постоянная Кюри, зависящая от природы вещества.

Закону Кюри подчиняются газы (О₂ , NO), пары щелочных металлов, разбавленные жидкие растворы парамагнитных солей редкоземельных элементов.

Кристаллические парамагнетики лучше следуют закону Кюри – Вейсса где С и Δ – константы вещества.

Природа парамагнетизма. Существование у атомов магнитных моментов, обуславливающих парамагнетизм веществ, связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный парамагнетизм), со спиновым моментом электронов (спиновый парамагнетизм), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный парамагнетизм). Магнитные моменты атомов и молекул создаются, в основном, спиновыми и орбитальными моментами их электронных оболочек. Они примерно в 1000 раз превосходят магнитные моменты атомных ядер.

Парамагнетизм металлов слагается из парамагнетизма электронов проводимости и парамагнетизма электронных оболочек атомов кристаллической решётки. Движение электронов проводимости в металлах практически не меняется при изменении температуры.Поэтому и парамагнетизм, обусловленный электронами проводимости, также не зависит от температуры. В 1906 г Поль Ланжевен построил классическую теорию парамагнетизма. Для в-ва парамагнетика, состоящего из практически невзаимодействующих атомов, магнитная восприимчивость в его теории определена формулой ,

где k – постоянная Больцмана, p_m – магнитный момент атома, N_A – число Авогадро, Т – температура.

Ферромагнетики – твёрдые кристаллические в-ва, обладающие по сравнению с парамагнетиками высокой способностью намагничивания. Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков может достигать десятков и сотен тысяч.

Ф ерромагнетизм существует только у в-в с парамагнитными атомами, магнитные моменты которых не равны нулю. В объёме ферромагнетика самопроизвольно образуются микроскопические области – домены, в пределах которых магнитные моменты атомов сонаправлены. Это квантовый эффект. При температурах ниже некоторого предела (точки Кюри) эти домены существуют независимо от наличия внешнего магнитного поля. Поскольку магнитные моменты доменов ориентированы хаотично, то усреднённое по макрообъёму поле в ненамагниченных ферромагнетиках равно нулю. При внесении ферромагнетика во внешнее поле моменты доменов стремятся повернуться по полю. В результате м. п. внутри ферромагнетика усиливается. Размеры доменов на три порядка больше размера атомов. Поэтому тепловое движение нарушает ориентацию доменов по полю слабее, чем ориентацию отдельных атомов парамагнетика. Однако при достижении определённой для каждого материала температуры намагниченность доменов скачком исчезает, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Эта предельно высокая температура называется точкой Кюри. В точке Кюри происходит фазовый переход 2-го рода. При этом одновременно скачкообразно изменяются удельная электропроводность и теплоёмкость вещества.

Среди химических элементов ферромагнетиков не много. Наиболее заметно ферромагнетизм выражен у железа, кобальта, никеля. Максимальное значение магнитной проницаемости μ max составляет у них сотни и тысячи единиц

Магнитный гистерезис. Первым подробно изучал намагничивание мягкого железа в Столетов. Результаты, к которым он пришёл, в следующем.

Перед началом измерений исследуемый ферромагнетик нужно прокаливать (нагревать выше т. Кюри), благодаря чему исчезает его остаточная намагниченность. Вначале постепенно увеличивался, а затем уменьшался до нуля намагничивающий ток i₁ . При каждом токе баллистическим гальванометром измерялась индукция В. После этого переключателем Пк направление тока i₁ менялось, и измерения индукции В повторялись уже при токе i₁ другого направления.

З ависимость B(i₁) называется петлёй гистерезиса.Чтобы графики, полученные для разных образцов с разной геометрией, можно было сравнивать между собой, по горизонтальной оси откладывают не тока i₁ , а пропорциональный току параметр H = n₁ i₁ / 2  R. Это следует из формулы .

Если бы магнитная проницаемость  вещества тороида оставалась постоянной, то начальная кривая намагничивания ОА была бы прямой линией.

Найденная Столетовым зависимость (Н) 2й график: вначале  быстро растёт до _max , затем начинает уменьшаться и при больших намагнич токах стремится к 1. Ферромагнетик переходит в состояние насыщения, на петле гистерезиса оно начинается с точки А(верх графика). Далее рост индукции В идёт исключительно за счёт увеличения тока намагничивания i₁.

При уменьшении тока i₁ индукция В убывает по кривой АС. При i₁ = 0 B  0. Железный сердечник сохраняет остаточную намагниченность В_ост , которая позволяет делать из железа постоянные магниты. Чтобы устранить намагниченность сердечника, нужно пропускать ток i₁ обратного направления и такой величины, чтобы параметр Н соответствовал точке D.

      При дальнейшем нарастании обратного тока i₁ в точке Е(низ графика)также достигается состояние насыщения, и далее процесс идёт аналогично. Значения параметра H, соответствующего точкам D и G, при котором снимается остаточная намагниченность, называется коэрцитивной силой. Если образец доходит до состояния насыщения (точки А и Е), то получается максимальная петля гистерезиса. Если насыщение не достигается, Петля называется частной. Она всегда находится внутри максимальной петли.

Суть явления гистерезиса в том, что на величину магнитной индукции В влияет предыстория состояния ферромагнетика. Благодаря этому одному и тому же значению намагничивающего тока i₁ в области начальной кривой соответствуют 3 разных значения В Материалы с малой площадью петли называются магнитно–мягкими. Они сравнительно мало нагреваются и применяются в цепях переменных токов. Материалы с большой площадью петли наз-ся магнитно–жёсткими. Из них делают постоянные магниты.

Магнитные материалы. Чистые ферромагнитные элементы практически не используются. Применяют обычно сплавы и керамики. Из сплавов наиболее применимы электротехнические стали и сплавы на основе железа с добавками. А из керамик – ферриты–кристаллические твёрдые растворы оксида железа Fe₂O₃ c одним или несколькими оксидами Li, Zn, Ni, Cd, Pb и других металлов.

Индукция поля в ферритах ниже, чем в сплавах и не превышает 0,4 Тл. Но электрическое сопротивление ферритов очень велико и на 3-10 порядков превышает сопротивление сплавов. Поэтому в ферритах практически нет вихревых индукционных токов. Это позволяет использовать ферриты в высокочастотных цепях в качестве сердечников трансформаторов, в импульсных устройствах и т.д.