Магнитные свойства вещества

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Содержание.

Диа- и парамагнетики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Ферромагнетики. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

Магнитные моменты  электронов и атомов. . . . . . . . . . . . . . . . . .

Список использованной литературы. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     Диа- и парамагнетики.

      Еще Фарадей установил, что  все вещества, будучи помещенными  во внешнее магнитное поле, намагничиваются.  По степени намагничивания их  делят на две группы - слабые  и сильные магнетики. К слабым  магнетикам относятся диамагнетики  и парамагнетики.

     Диамагнетики - это вещества, у которых магнитные  моменты ядер и электронов  в атомах скомпенсированы и  полный магнитный момент каждого  атома равен нулю. Под действием  внешнего магнитного поля у  атомов диамагнетиков индуцируется  магнитный момент  который пропорционален величине внешнего поля и противоположен по направлению вектору Таким образом, диамагнетик во внешнем поле намагничивается, но его магнитная восприимчивость отрицательна, а магнитная проницаемость меньше единицы. По порядку величины магнитная восприимчивость диамагнитных газов лежит в области |10-9÷10-8|, а у жидких и твердых диамагнетиков |10-6÷10-5|. На диамагнетик со стороны внешнего магнитного поля действует сила, которая выталкивает диамагнетик в область более слабого поля.

      Рассмотрим поведение висмутового  стержня во внешнем неоднородном  магнитном поле.

     а)

     

     в)

                                                   рис 1.1

     Возьмем стержень из диамагнитного вещества и подвесим его между полюсами электромагнита, как показано (рис. 1.2 а). Кружки в стержне - это атомы  диамагнетика с нулевым магнитным  моментом. Подадим питание на катушки  электромагнита. Между наконечниками  возникнет неоднородное магнитное  поле , и диамагнетик намагнитится. Индуцированные магнитные моменты атомов (они показаны стрелками) будут ориентированы против магнитного поля (рис. 1.1б). Но на суммарный магнитный момент диамагнетика во внешнем неоднородном поле действует сила: где

     Несимметричности  внешнего поля, ориентации и формы  диамагнетика приведут к тому, что  силы и будут отличаться друг от друга численно и не будут лежать на одной прямой. Вследствие этого диамагнетик начнет поворачиваться вокруг оси подвеса и перемещаться в поле Движение стержня будет продолжаться до тех пор, пока силы и не уравновесят друг друга (рис. 1.1в).

     Отметим лишний раз, что при любом положении  диамагнетика индуцированные магнитные  моменты  его атомов всегда ориентированы против .

     Парамагнетики - это вещества, атомы которых  имеют ненулевые магнитные моменты  Но в обычном состоянии эти магнитные моменты ориентированы хаотично и полный магнитный момент парамагнитного тела равен нулю, т.е. парамагнетик не намагничен. При помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты его атомов ориентируются по полю, т.е. , и парамагнетик намагничивается. Магнитная восприимчивость парамагнетика , а магнитная проницаемость μn>1. По порядку величины восприимчивость парамагнитных газов лежит в области (10-7÷10-6), а у жидких и твердых парамагнетиков (10-6÷10-4). Со стороны внешнего магнитного поля на парамагнетик действует сила, которая втягивает парамагнетик в область более сильного поля.

     Рассмотрим  поведение парамагнитного стержня, подвешенного на нити в неоднородном внешнем магнитном поле

     а)

      

     б)

     в)

                                                         рис. 1.2                                

     Возьмем стержень из парамагнетика и подвесим его между полюсами электромагнита, как показано на рисунке 1.2 а. Кружки со стрелочками внутри стержня - это  атомы парамагнетика с хаотически ориентированными магнитными моментами  . При подаче питания на катушки электромагнита между его наконечниками возникает неоднородное магнитное поле . Под действием поля магнитные моменты атомов ориентируются так, что и парамагнетик намагничивается (рис. 1.2 б), но на суммарный магнитный момент парамагнетика со стороны внешнего магнитного поля действует сила

     Несимметричности  внешнего поля, ориентации подвеса  и формы тела приведут к тому, что силы и будут отличаться друг от друга численно и по направлению. Вследствие этого парамагнетик начнет поворачиваться вокруг оси подвеса и перемещаться в поле . Вращение стержня будет происходить до тех пор, пока силы и не будут находиться на одной прямой (рис. 1.2б). Но т.к. , то парамагнетик под действием большей из них силы притянется к наконечнику электромагнита.

     Диа- и парамагнетики называются слабыми  магнетиками, т.к. их магнитные восприимчивости  имеют значения |10-9÷10-4| , и при комнатных температурах упорядоченное направление после намагничивания парамагнетика достаточно легко разрушается тепловым хаотическим движением атомов, т.е. парамагнетик размагничивается. Другими словами, магнитная проницаемость μ у слабых магнетиков мало отличается от единицы. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Ферромагнетики.

     В отличие от диамагнетизма и парамагнетизма, которые являются свойствами отдельных  атомов или молекул вещества, ферромагнитные свойства вещества объясняются особенностями  его кристаллической структуры. Атомы железа, если взять их, например, в парообразном состоянии, сами по себе диамагнитны или лишь слабо парамагнитны. Ферромагнетизм есть свойство железа в твердом состоянии, т. е. свойство кристаллов железа.

     В этом нас убеждает ряд фактов. Прежде всего на это указывает зависимость  магнитных свойств железа и других ферромагнитных материалов от обработки, изменяющей их кристаллическое строение (закалка, отжиг). Далее оказывается, что из парамагнитных и диамагнитных металлов можно изготовить сплавы, обладающие высокими ферромагнитными  свойствами. Таков, например, сплав  Гойслера, почти не уступающий по своим  магнитным свойствам железу, хотя он состоит из таких слабо магнитных  металлов, как медь (60%), марганец (25%) и алюминий (15%). С другой стороны, некоторые сплавы из ферромагнитных материалов, например сплав из 75% железа и 25% никеля, почти не магнитны. Наконец, самым веским подтверждением является то, что при достижении определенной температуры (точка Кюри) все ферромагнитные вещества теряют свои ферромагнитные свойства.

     Ферромагнитные  вещества отличаются от парамагнитных  не только весьма большим значением  магнитной проницаемости и ее зависимостью от напряженности поля, но и весьма своеобразной связью между  намагничиванием и напряженностью намагничивающего поля. Эта особенность  находит свое выражение в явлении  гистерезиса со всеми его следствиями: наличием остаточного намагничивания и коэрцитивной силы.

     В чем причина гистерезиса? Вид  кривых - различие между ходом нарастания намагничивания ферромагнетика при  увеличении поля Н и ходом его  размагничивания при уменьшении Н,- показывает, что при изменении  намагничивания ферромагнетика, т. е. при  увеличении или уменьшении напряженности  внешнего поля, ориентация и дезориентация  элементарных магнитов не сразу следует  за полем, а происходит с известным  отставанием. Подробное изучение процессов  намагничивания и размагничивания  железа и других ферромагнитных веществ  показало, что ферромагнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов или  молекул, которые сами по себе парамагнитны, а намагничиванием целых областей, называемых доменами,- небольших участков вещества, содержащих очень большое количество атомов.

     Взаимодействие  магнитных моментов отдельных атомов ферромагнетика приводит к созданию чрезвычайно сильных внутренних магнитных полей, действующих в  пределах каждой такой области и  выстраивающих, в пределах этой области, все атомные магнитики параллельно  друг другу, как показано на рис. 2.1. Таким образом, даже при отсутствии внешнего поля ферромагнитное вещество состоит из ряда отдельных областей, каждая из которых самопроизвольно намагничена до насыщения. Но направление намагничивания для разных областей различно, так что вследствие хаотичности распределения этих областей тело в целом оказывается в отсутствии внешнего поля ненамагииченным.

     Под влиянием внешнего поля происходит перестройка  и перегруппировка таких «областей  самопроизвольного намагничивания», в результате которой получают преимущество те области, намагничивание которых  параллельно внешнему полю, и вещество в целом оказывается намагниченным.

     Один  из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 2.1. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны друг к другу.

     При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе  ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная  параллельно внешнему полю, расширяется  за счет тех областей, в которых  направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях  возможны и повороты направления  ориентации всех атомов в пределах целой области.

     При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации  этих областей, т. е. размагничивание  тела. Ввиду больших по сравнению  с атомами размеров «областей  самопроизвольного намагничивания»  как процесс ориентации их, так  и обратный процесс дезориентации  происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или  дезориентации отдельных молекул  или атомов, имеющее место в  парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения внешнего поля, т. е. гистерезис ферромагнитных тел.

     Один  из примеров такой перестройки областей самопроизвольного намагничивания показан на рис. 2.1. Здесь схематически изображены две смежные области, направления намагничивания которых перпендикулярны друг к другу.

     При наложении поля Н часть атомов области В, в которой намагничивание перпендикулярно к полю, на границе  ее с областью А, в которой намагничивание параллельно полю, поворачивается, так что направление их магнитного момента становится параллельным полю. В результате область А, намагниченная  параллельно внешнему полю, расширяется  за счет тех областей, в которых  направление намагничивания образует большие углы с направлением поля, и возникает преимущественное намагничивание тела по направлению внешнего поля. В очень сильных внешних полях  возможны и повороты направления  ориентации всех атомов в пределах целой области.

     При снятии (уменьшении) внешнего поля происходит обратный процесс распада и дезориентации  этих областей, т. е. размагничивание  тела. Ввиду больших по сравнению  с атомами размеров «областей  самопроизвольного намагничивания»  как процесс ориентации их, так  и обратный процесс дезориентации  происходит с гораздо большими затруднениями, чем установление ориентации или  дезориентации отдельных молекул  или атомов, имеющее место в  парамагнитных и диамагнитных телах. Этим и объясняется отставание намагничивания и размагничивания от изменения  внешнего поля, т. е. гистерезис ферромагнитных тел.

     

     Рис. 2.1. Схема, иллюстрирующая ориентацию молекулярных магнитов в «областях самопроизвольного намагничивания» А и В.

     а) Внешнее магнитное поле отсутствует;

     б) под действием внешнего магнитного поля Н области А и В перестраиваются.

     В последнее время в связи с  микроминиатюризацией радиоэлектронной аппаратуры проявляется большой  интерес к изучению и использованию  для обработки информации специфических  доменных структур- полосовых, цилиндрических доменов (ЦМД) и ряда других. Долгое время микроминиатюризация магнитных  элементов и устройств значительно  отставала от микроминиатюризации  полупроводниковых устройств. Однако, в последние годы здесь достигнуты большие успехи. Они связаны с  возможностью использования единичного магнитного домена в качестве элементарного  носителя информации. Обычно таким  носителем информации является ЦМД. Он формируется при определенных условиях в монокристаллических  пластинках или пленках некоторых  ферритов.