Магнитные свойства твердых тел

 

    МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И  НАУКИ РФ

    ПЕНЗЕНСКАЯ  ГОСУДАРСТВЕННАЯ 

    ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

 
 
 
 
 
 

    Кафедра физики

 
 
 
 
 
 

    Магнитные свойства твердых  тел

    (курсовая работа)

 
 
 
 
 

                                      Выполнила:

                                                                         Студентка группы  10 ЭП2

                                                                          Ядренцева Ольга

 
 

                                                                                Научный руководитель:

                                                                      профессор Чижухина Н.И.

 
 
 
 
 
 
 

    Пенза 2011

 
 

     СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………………………………….3

1 ХАРАКТЕРИСТИКИ МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА……………………5

1.1Характеристика  магнитного состояния вещества  на основании его внутреннего строения……………………………………………………………………………………….5

1.2 Характеристика  веществ по магнитной проницаемости  и магнитной 

восприимчивости…………………………………………………………………………….6

2ЭЛЕКТРОННАЯ ТЕОРИЯ ДИАМАГНЕТИЗМА………………………………………….8

2.1 Электронная  теория Лоренца…………………………………………………………….8

2.2 Крупнейшие  открытия ученых в области  диамагнетизма конце 19 века………………9

2.3 Описание электронной  теории диамагнетизма………………………………………….10 3ПАРАМАГНЕТИЗМ…………………………………………………………………………13

3.1 Понятие парамагнетизма………………………………………………………………….13 3.2 Парамагнетизм свободных атомов и ионов……………………………………………..13 3.3 Парамагнетизм твёрдых диэлектриков…………………………………………………..15

3.4 Ядерный парамагнетизм…………………………………………………………………..18.

4. ОСОБЕННОСТИ  ФЕРРОМАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА……………….20

4.1 Понятие ферромагнитного  состояния…………………………………………………….20

4.2 Особенности  ферромагнитного состояния вещества……………………………………21 4.3 Зависимость намагниченности насыщения от температуры………………………......21 5КВАНТОВАЯ ПРИРОДА ФЕРРОМАГНЕТИЗМА………………………………………24

5.1 Из истории  исследования ферромагнетики…………………………………………….24

5.2 Условия существования  ферромагнетизма……………………………………………..24

6 ДОМЕННАЯ СТРУКТУРА  ФЕРРОМАГНЕТИКОВ. КРИВАЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ. МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС………………………………………………………………26

6.1 Доменная структура ферромагнетиков……………………………………………26

6.2 Кривая намагничивания………………………………………………………………….30

6.3 Магнитный  гистерезис…………………………………………………………………..32

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………………34

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ………………………………………….35

 
 
 

     ВВЕДЕНИЕ

     Квантовая физика - современная наука, изучающая  состояние материальных объектов, которым  одновременно присущи и квантовые  и волновые свойства, которые являются и частицами и волнами одновременно.

     Объекты изучения квантовой механики – микрочастицы: электроны, протоны, нейтроны и их образования. Поэтому только квантовая физика уже сегодня способна объяснить  или объяснит в дальнейшем своем  развитии достаточно достоверно внутреннее состояние вещества: процессы, происходящие в полупроводниках, ферромагнетиках и др., а также в самих атомах и ядрах.

     Появляющиеся  в различных современных отраслях экономики новые материалы требуют  изучения их физических свойств, поэтому весьма актуальна тематика, связанная с изучением магнитных свойств твердых тел, нашедших важное практическое значение в народном хозяйстве.

     Степень изученности и освещенности темы магнитных свойств  твердых тел бизнеса в мировой науке очень велика, что объясняется их ролью в новых технологических процессах. В настоящее время эта тема, несомненно, популярна и у российских физиков. Результатом этого явилось большое количество печатных трудов научного и публицистического толка касательно данной проблемы. Однако изучения процессов в ферромагнетиках продолжают существовать и требуют своего дальнейшего анализа и проработки.

     Цель  данной курсовой работы состоит в  изучении и анализе состояния  и развития в физике твердого тела  магнитных свойств  твердых тел.

Данная  цель была достигнута путем последовательного решения ряда задач, таких как:

-    изучение и анализ характеристики магнитного состояния вещества;

-  рассмотрение теорий диамагнетизма и парамагнетизма;

-  освещение особенностей ферромагнитного состояния вещества и квантовой природы ферромагнетизма.

- объектом изучения в рамках данной проблемы являются   твердые тела, а предметом – магнитные свойства данных тел.

     В качестве используемой методологии  изучения данного явления примем системный анализ и синтез.

     Данная  курсовая работа содержит введение, шесть разделов основной части, заключение с выводами о проделанной работе, а также список используемых литературных источников. В первом разделе дается характеристика магнитного состояния веществ. Второй и третий разделы раскрывают суть электронной теории диамагнетизма и парамагнетизма. Четвертый раздел освещает особенности ферромагнитного состояния вещества. Пятый раздел показывает квантовую природу ферромагнетизма. В шестом разделе рассмотрены вопросы доменной структуры ферромагнетиков, описана кривая намагничивания, раскрыто понятие магнитного гистерезиса.

     В работе использованы научные положения  из трудов Я.Г. Дорфмана, Г.С. Кринчика, Н.И. Чижухиной и др.

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1ХАРАКТЕРИСТИКИ  МАГНИТНОГО СОСТОЯНИЯ ВЕЩЕСТВА

   1.1Характеристика магнитного состояния вещества на основании его внутреннего строения.

 

      Магнитное состояние вещества может быть объяснено  только на основании его внутреннего  строения: строения атомов и молекул  и их взаимодействия друг с другом. Вещества, заполнение которыми пространства между взаимодействующими токами вызывает изменение магнитных сил взаимодействия этих токов, являются магнитными. В свою очередь, помещение таких веществ в магнитное поле изменяет состояние самого вещества, т.е. магнитное вещество испытывает действие внешнего магнитного поля. Все вещества природы являются магнитными. Действительно, все вещества состоят из атомов и молекул, которые, в свою очередь, состоят из элементарных заряженных частиц (электронов, протонов), находящихся в постоянном движении. А, как известно, на движущиеся электрические заряды в магнитном поле действует сила Лоренца. В частности, на электрон, движущийся в атоме вокруг ядра, также действует сила Лоренца. Следовательно, магнитное поле действует на все без исключения атомы, молекулы и вещества, т.е. все вещества магнитны. Немагнитных веществ в природе не существует. Однако вещества в зависимости от их строения по-разному реагируют на внешнее магнитное поле, намагничиваясь в различной степени. Что позволяет делить их на слабомагнитные и сильномагнитные.

      Поведение веществ в магнитном поле определяется их внутренним строением: магнитными  моментами атомов и молекул, а  также их взаимодействием друг с  другом.

      Магнитное состояние вещества в целом определяет сумма магнитных моментов. Главной характеристикой магнитного состояния вещества является вектор намагничивания. Вектор намагничивания есть геометрическая сумма магнитных моментов атомов или молекул единицы объема вещества.

      Единицей  намагничивания является 1А/м. Вектор намагничивания зависит природа вещества и вектора напряженности внешнего магнитного поля.

      Магнитная восприимчивость численно равна  вектору намагничивания при напряженности  внешнего поля, равной единице, и характеризует  способность к намагничиванию единицы объема вещества. Магнитная восприимчивость- величина безразмерная. Магнитное состояние веществ принято характеризовать также векторами напряженности и индукции магнитного поля. Магнитное поле в веществе определяется внешним магнитным полем и внутренним макроскопическим полем.

(формула  1)

      Внешнее поле создается, например, проводниками с током и определяется по закону Био-Савара-Лапласа. Внутреннее макроскопическое поле представляет собой суммарное поле создаваемое частицами вещества (атомами и молекулами) под действием внешнего поля и соответствует вектору намагничивания.

(формула  2)

      Истинное (микроскопическое) поле частиц в веществе сильно изменяется в пределах межмолекулярных  расстояний. Напряженность поля в  веществе изменяется по сравнению с  напряженностью внешнего поля на величину вектора намагничивания.

      Микроскопически наблюдаемой величиной при характеристике магнитного состояния вещества является вектор индукции магнитного поля.

(формула  3)

      Он  зависит от напряженности внешнего магнитного поля и типа вещества.

      Магнитная проницаемость показывает, во сколько  раз меняется вектор индукции магнитного поля в веществе по сравнению с  вектором индукции внешнего магнитного поля.

 

1.2 Характеристика веществ по магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости.

 

      По  величине магнитной проницаемости или магнитной восприимчивости вещества делят на три группы:

1). диамагнетики, имеющие отрицательную величину  магнитной восприимчивости или  магнитной проницаемости;

2). парамагнетики,  имеющие положительную величину  магнитной восприимчивости или магнитной проницаемости;

3). Ферромагнетики, имеющие большую величину магнитной  восприимчивости или магнитной проницаемости.

      Диа- и парамагнетики характеризуются  малыми величинами магнитной восприимчивости  и образуют класс слабомагнитных веществ. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков в среднем в миллион раз превышает магнитную восприимчивость диа- и парамагнетиков, поэтому ферромагнетики – сильные вещества. Пара- и ферромагнетики характеризуются положительной величиной магнитной восприимчивости, и это позволяет объединить их в один класс – класс парамагнетиков.

      Описание  магнитных свойств такого рода по величинам магнитных проницаемости  и восприимчивости чисто формально. Магнитные свойства тел обусловлены  магнитными свойствами составляющих их частиц и в конечном счете состоянием и движением электрических зарядов в атомах, молекулах, кристаллах. Это и определяет природу диа-, пара- и ферромагнетизма.