12

Розділ 3. Магнітні властивості (6 год.)

3.1. Основні магнітні величини. Класифікація елементів за їх магнітними властивостями

3.2. Діамагнетики

3.3. Парамагнетики

3.4. Феромагнетики, антиферомагнетики

3.5. Магнітні матеріали

3.1. Основні магнітні величини. Класифікація елементів за їх магнітними властивостями

Намагнічений стержень має два полюси: північний і південний. Виникнення двох полюсів називається магнітною поляризацією.

Уявимо собі, що на одному кінці намагніченого стержня зосереджений весь північний магнетизм, а на іншому - південний. Позначаючи магнітний заряд у кожному полюсі даного магніту т і відстань між ними l, отримуємо добуток

Р = ml, (3.1)

що називається магнітним моментом магніту. Позначаючи поперечний переріз намагніченого стержня через S, а поверхневу густину магнітного заряду через , одержимо і магнітний момент

(3.2)

Магнітний момент, віднесений до одиниці об'єму, називається намагніченістю і позначається літерою I. З формули

(3.3)

випливає, що намагніченість дорівнює поверхневій густині магнітного заряду на кінцях стержня. Величина I вимірюється в А/м. Із (3.3) можна отримати магнітний момент на 1 г речовини

(3.4)

де d — густина металу; - магнітна стала, яка дорівнює проникності вакууму, 10^-7 Гн/м, розмірність - Тлм³/кг.

Між напруженістю магнітного поля Н, у якому тіло намагнічується, і його намагніченістю існує залежність

(3.5)

Величини I та Н пов’язані коефіцієнтом , який називається магнітною сприйнятливістю

Треба пам’ятати, що в системі СІ І та Н вимірюють в А/м або в А/см, індукцію В – в Тл, відносна сприйнятливість та проникність - безрозмірні. Щоб виразити І в А/м, треба в СГС помножити на 0,063. Об’ємна сприйнятливість в системі СІ в разів більша від значення, вираженого в одиницях системи СГС.

Між сприйнятливостями одного моля (м³моль^-1), одного кілограма (м³кг^-1) та одного кубічного метра , існує такий зв’язок:

та (3.6)

де - густина; V - атомний об’єм; А - атомна маса.

Металеві елементи за їх магнетизмом можна розбити на два великих класи: 1) магнітно невпорядковані і 2) магнітно впорядковані. Перший клас поширюється на діамагнітні і парамагнітні метали, другий - на феромагнітні і антиферомагнітні.

Магнітна сприйнятливість металів першого класу дуже мала (порядку 10^-5 – 10^-6) і є величиною постійною в звичайних умовах, вона не залежить від величини прикладеного поля Н. Для парамагнітних металів є величиною додатною, а для діамагнітних – від’ємною. Це відповідає тому, що намагніченість парамагнітних металів співпадає по своєму напрямку з полем, а для діамагнітних - намагніченість направлена назустріч полю.

Елементарні магнітні моменти металів першого класу хаотично розподілені в просторі (рис. 3.1, а), у металах другого класу моменти розташовані впорядковано (рис. 3.1, б і в). Зазначені типи впорядкування мають місце не тільки серед чистих металів, але й серед їхніх сплавів. Бувають і більш складні типи магнітного впорядкування, зокрема серед рідкісноземельних металів, які тут не розглядаються. В іонних сполуках у ряді випадків має місце феримагнетизм (рис. 3.1, г), тобто незкомпенсований антиферомагнетизм. У найпростіших випадках антиферомагнетизм і феримагнетизм є магнетизмом двох підграток. У кожній з підграток магнітні моменти атомів паралельні і створюють сумарний момент підгратки. Сумарні моменти підграток антипаралельні і якщо вони рівні, то утворюється антиферомагнетизм. Якщо один більше іншого, то утворюється феримагнетизм.

Рис. 3.1.

Схема впорядкування атомних моментів

Здавна відома природна сполука (магнетит) Fe₃O₄ або Fе₂О₃FeO - це феримагнетик. Вона має структуру оберненої шпінелі. В ній іони кисню, які є суттєво крупнішими від іонів заліза, утворюють гранецентровану гратку. Вона містить тетраедричні (А) і октаедричні (В) пори, оточені іонами кисню. У сполуці Fe₃O₄ тривалентні іони Fe³⁺, яких у два рази більше, ніж двовалентних іонів Fe²⁺, розподілені порівну між порами А та В. Магнітні моменти іонів Fe³⁺, що знаходяться в порах А та В, антипаралельні і компенсують один одного, тобто їхній загальний момент дорівнює нулю.

Двовалентні іони Fe²⁺ розташовані в порах В, і тільки ці іони створюють сумарний магнітний момент зсполуки Fe₃O₄. Оскільки один іон Fe²⁺ на молекулу дає чотири магнетони Бора, то, виходячи з розрахунків, випливає, що на один атом заліза в цій сполуці припадає середній момент або 1,33 , що є близьким до експериментального значення - 1,36 .

У не дуже сильних полях магнітна поведінка антиферомагнетиків близька до поведінки парамагнетиків, а феримагнетики за своєю поведінкою близькі до феромагнетиків.

Що стосується феромагнітних металів, то вони намагнічуються дуже сильно при внесенні їх у магнітне поле порівняно невеликої напруженості і мають високу магнітну сприйнятливість.

Можна вважати, що магнітні властивості металів і їхніх сплавів обумовлені магнітним моментом електрона. Магнітний момент ядра майже в 2000 разів менший выд магнітного моменту електрона. Незважаючи на те, що планетарна модель атома Бора є застарілою, ряд фізичних, зокрема магнітних явищ, добре описується цією моделлю, тобто моделлю з використанням уявлення про обертання електрона по орбіті і навколо своєї осі. Магнітні моменти, що відповідають таким обертанням, називаються відповідно орбітальним та спіновим.

У цій моделі приймається, що обертання електрона навколо власної осі створює механічний момент кількості руху (спін) р, паралельний цій осі:

, (3.7)

де h = 6,62510^-34 Джс (стала Планка).

Два знаки у виразі (3.7) вказують на те, що спін може мати тільки дві орієнтації відносно зовнішнього магнітного поля. Спіну електрона відповідає магнітний момент - так званий магнетон Бора :

ДжТ^-1, (3.8)

де е і т - заряд і маса електрона в стані спокою.

Виражений у Вбм магнетон Бора виявляється рівним

Магнетон Бора приймається за атомну одиницю магнітного моменту.

З формул (3.7 і 3.8) випливає, що відношення механічного і магнітного моменту спина дорівнює

(3.9)