2.Вещества с различающимися магнитными свойствами

Вообще говоря магнитная проницаемость зависит от частоты изменения намагничивающего поля, но при сравнительно низких частотах (небольшой быстроте изменения поля) ее можно (обычно) считать в этом смысле константой. Магнитная проницаемость вещества зависит от температуры, причем по-разному для разных типов магнетиков.

Существует 3 типа магнетиков. Это ферромагнетики (вещества, которые ниже определенной температуры  обладают самопроизвольной намагниченностью), парамагнетики (слабомагнитные вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля) и диамагнетики (вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля).

Ферромагнетики

1. Основные свойства и природа ферромагнетиков

Говоря о свойствах ферромагнетиков, следует отметить следующие моменты:

• Магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.

• При не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.

• Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса

Ферромагнетизм как явление объясняется магнитными свойствами электронов. Электрон эквивалентен круговому току или вращающемуся заряженному телу и поэтому обладает собственным магнитным полем. В большинстве кристаллов магнитные поля электронов взаимно компенсируются благодаря попарной антипараллельной ориентации магнитных полей электронов. Лишь в некоторых кристаллах, например в кристаллах железа, возникают условия для параллельной ориентации собственных магнитных полей электронов. В результате этого внутри кристалла ферромагнетика возникают намагниченные области протяженностью 10-2 - 10-4 см. Эти самопроизвольно намагниченные области называются доменами (рис. 1, а).

Рис. 1, А.

В отдельных доменах магнитные поля имеют различные направления и в большом кристалле взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит упорядочение ориентации магнитных полей отдельных доменов. С увеличением магнитной индукции   внешнего поля возрастает степень упорядоченности ориентации отдельных доменов — магнитная индукция   возрастает. При некотором значении индукции внешнего поля наступает полное упорядочение ориентации доменов (рис. 1, б), возрастание магнитной индукции прекращается. Это явление называется магнитным насыщением.

Рис. 1, Б.

2. Работы Гильберта и точка Кюри

До Гильберта никто о магнетизме Земли даже не подозревал. Именно он, английский физик, придворный врач Елизаветы I и Якова I , был первым, кто указал на наличие магнитного поля Земли. До него об этом явлении даже не подозревал, поэтому его по праву считают основоположником науки о магнетизме.

Помимо своей врачебной деятельности, Гильберт был хорошим кузнецом, да и рядом других ремесел он владел неплохо, все это позволило ему изучать явления магнетизма на совершенно новой экспериментальной базе. Так, например, он обнаружил, что при накаливании железа докрасна его магнитные свойства теряются. 

В 1600 У. Гильберт издал сочинение О магните, магнитных телах и большом магните – Земле (De magnete, magneticisque corporibus, et magno magnete tellure), в котором описал результаты своих 18-летних исследований магнитных и электрических явлений и выдвинул первые теории электричества и магнетизма. В частности, установил, что любой магнит имеет два полюса, при этом одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные притягиваются; обнаружил, что железные предметы под влиянием магнита приобретают магнитные свойства (индукция); показал увеличение силы магнита при тщательной обработке поверхности. Изучая магнитные свойства намагниченного железного шара, показал, что он действует на стрелку компаса так же, как Земля, и пришел к выводу, что последняя является гигантским магнитом. Предположил, что магнитные полюсы Земли совпадают с географическими.

Благодаря Гильберту наука об электричестве обогатилась новыми открытиями, точными наблюдениями, приборами. С помощью своего «версора» (первого электроскопа) Гильберт показал, что способностью притягивать мелкие предметы обладает не только натертый янтарь, но и алмаз, сапфир, хрусталь, стекло и другие вещества, которые он назвал «электрическими», впервые введя этот термин в науку. Гильберт открыл явление утечки электричества во влажной атмосфере, его уничтожение в пламени, экранирующее действие на электрические заряды бумаги, ткани или металлов, изолирующие свойства некоторых материалов.

Результаты обширных экспериментальных работ и теоретических изысканий он обобщил в шеститомном труде «О магните», первое издание которого вышло в 1600 г. Исключительное значение этого труда было высоко оценено многими выдающимися учеными, в том числе Галилео Галилеем и Майклом Фарадеем. 

Другим ученым, вложившим немалый вклад в развитие магнетизма уже тремя веками позднее, был Пьер Кюри – французский учёный-физик, один из первых исследователей радиоактивности, член Французской Академии наук, лауреат Нобелевской премии по физике за 1903 год. Его вкладом было открытие определенного температурного значения, в последствии названного его именем.

Точка Кюри, или температура Кюри, — температура фазового перехода II рода, связанного со скачкообразным изменением свойств симметрии вещества (например, магнитной — в ферромагнетиках, электрической — всегнетоэлектриках, кристаллохимической — в упорядоченных сплавах). При температуре T ниже точки Кюри Q ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью и определённой магнитно-кристаллической симметрией. В точке Кюри (T = Q) интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения его самопроизвольной намагниченности («магнитного порядка») и изменения симметрии, в результате ферромагнетик становится парамагнетиком. Аналогично уантиферромагнетиков при T = Q (в так называемой антиферромагнитной точке Кюри или точке Нееля) происходит разрушение характерной для них магнитной структуры (магнитных подрешёток), и антиферромагнетики становятся парамагнетиками.

В сегнетоэлектриках и антисегнетоэлектриках при T = Q тепловое движение атомов сводит к нулю самопроизвольную упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решётки. В упорядоченных сплавах в точке Кюри (её называют в случае сплавов также точкой Курнакова) степень дальнего порядка в расположении атомов (ионов) компонентов сплава становится равной нулю.

Таким образом, во всех случаях фазовых переходов II рода (типа точки Кюри) при T = Q в веществе происходит исчезновение того или иного вида атомного «порядка» (упорядоченной ориентации магнитных или электрических моментов, дальнего порядка в распределении атомов по узлам кристаллической решётки в сплавах и т. п.). Вблизи точки Кюри в веществе происходят специфические изменения многих физических свойств (например, теплоёмкости, магнитной восприимчивости и др.), достигающие максимума при T = Q, что обычно и используется для точного определения температуры фазового перехода.

Точка Кюри –значение табличное, каждый химический элемент, а также составное вещество обладает своей фазовой температурой второго перехода. Например, у железа (Fe) это 1388 Кельвин, у никеля (Ni) –627, а у мышьяка (MnAs) – 318.