9.5. Магнитные свойства вещества

Рассмотрим магнитные свойства вещества и магниты. Известно, что некоторые вещества способны притягиваться или притягивать, т.е. проявлять магнитные свойства или намагничиваться. Установленный факт, что всякое вещество способно проявлять такие магнитные свойства, т.е. намагничиваться. Однако степень намагниченности у разных веществ различна. Разберем их детальнее.

Магнетики — это вещества, способные намагничиваться под действием внешнего магнитного поля. Суммарная индукция магнитного поля внутри такого магнетика равна

      (9.11)

где B — собственное магнитное поле магнетика, B' — внешнее магнитное поле.

Модель намагниченности вещества предложил Андре-Мари Ампер, который предположил, что электроны, движущиеся вокруг ядра в атоме, можно рассматривать как витки с током, или элементарные токи.

Элементарные токи Ампера. Известно, что круговой виток с током создает магнитное поле определенного направления. Следовательно, согласно Амперу, элементарные токи должны создавать микроскопические области с определенным направлением магнитного поля. Эти области ориентированы хаотично и в целом не создают магнитного поля. Но если заставить их ориентироваться определенным образом, то можно тем самым намагнитить вещество, т.е. добиться преимущественной ориентации элементарных токов Ампера. Последнее сделать весьма легко — достаточно поместить магнетик во внешнее магнитное поле и элементарные токи развернутся в направлении поля. Орбитальный магнитный момент электрона при его движении в атоме

где n = 1, 2, 3, 4,… — номер орбиты, ħ — приведенная постоянная Планка.

Тогда вектор намагниченности магнетика выражается формулой

Из выражения (9.11) следует, что магнитное поле внутри магнетика отличается по величине (и, возможно, по направлению) от внешнего магнитного поля. Это различие характеризуется величиной под названием магнитная проницаемость.

Магнитная проницаемость вещества

где B0 — индукция магнитного поля внутри магнетика, B — индукция внешнего магнитного поля. Таким образом, магнитная проницаемость вещества является величиной безразмерной, а ее физический смысл состоит в том, что магнитная проницаемость показывает, во сколько раз поле внутри магнетика отличается от внешнего магнитного поля (согласно формуле (9.11)).

Однако также часто для характеристики свойств магнетика используют такое понятие, как магнитная восприимчивость.

Магнитная восприимчивость вещества

Очевидно, что магнитная восприимчивость — также безразмерная величина. Однако зачем понадобилась физическая величина, отличная от проницаемости ровно на единицу, станет ясно чуть дальше.

По своим свойствам магнетики можно разделить на два типа.

  • Парамагнетики — намагничиваются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля. Магнитная восприимчивость положительна, χ > 0 и имеет значения в пределах χ ~ (10–5 ÷ 10–3). Примерами парамагнетиков являются щелочные металлы, Fe, Pt, Al, O2, NO, MnO и др.
  • Диамагнетики — намагничиваются против внешнего поля. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна, χ < 0 и имеет значения в пределах χ ~ (10–6 ÷ 10–5). Примерами диамагнетиков являются инертные газы, молекулы водорода, азота, висмута, цинка, меди, золота, серебра, кремния, воды и др.

Теперь ясен смысл введения магнитной восприимчивости χ параллельно с магнитной проницаемостью μ. Значение магнитной восприимчивости (положительное или отрицательное) сразу говорит нам о принадлежности магнетика к типу диа- или парамагнетиков. Если внимательно посмотреть на абсолютные значения магнитной восприимчивости, то становится понятным, что и в случае диамагнетизма, и в случае парамагнетизма магнитная проницаемость μ близка к единице, следовательно, парамагнетики, равно как и диамагнетики, не могут обладать существенной серьезной намагниченностью.

Однако такой намагниченностью обладают ферромагнетики.

Ферромагнетики (ферриты) — это парамагнетики, обладающие сильными магнитными свойствами. Для них Точнее, χ ~ 105. К ферромагнетикам относятся: железо, никель, кобальт, ферросплавы, редкоземельные металлы и др. Магнитная восприимчивость ферромагнетиков не является константной и зависит от напряженности магнитного поля: χ = χ(H), рис. 9.17.

Рис. 9.17. Магнитная восприимчивость ферромагнетика

Вследствие этой зависимости ферромагнетики обладают магнитным гистерезисом. С этим понятием мы уже сталкивались при изучении диэлектриков. Петля магнитного гистерезиса изображена на рисунке 9.18.

Рис. 9.18. Магнитный гистерезис

Ферромагнетик помещается во внешнее магнитное поле B, вследствие чего приобретает намагниченность (см. рис. 9.18, участок 0 → 1). Этот процесс — нелинейный. При значительном увеличении величины внешнего магнитного поля намагниченность магнетика достигает максимума и перестает расти (см. рис. 9.18, точка 1). Если затем отключить внешнее магнитное поле (участок 1 → 2), то магнетик не вернется в исходное состояние, а сохранит остаточную намагниченность (точка 2).

Чтобы избавиться от остаточной намагниченности, необходимо поместить магнетик в магнитное поле противоположного направления, имеющее определенное значение (точка 3). Величина этого поля называется коэрцитивной силой, т.е. это такое значение внешнего магнитного поля, которое нужно приложить, чтобы снять остаточную намагниченность. Далее процесс намагничивания магнетика повторяется так (см. рис. 9.18). Никаким способом нельзя вернуть ферромагнетик в исходное состояние (точку 0).

Свойство гистерезиса проявляется лишь в определенном интервале температур. При температурах выше некоторой T > TKu, называемой точкой Кюри, ферромагнетик теряет свои свойства и становится обычным парамагнетиком.

Пример

Для железа точка Кюри TKu = 1043 K, для кобальта TKu = 1403 K, для никеля TKu = 631 K.


Ферромагнетики с узкой петлей гистерезиса легко перемагничиваются (мягкие магнитные материалы). Ферромагнетики с широкой петлей гистерезиса долго сохраняют остаточную намагниченность (жесткие магнитные материалы); из них делают постоянные магниты.

Важно запомнить

  1. Суммарная индукция магнитного поля внутри такого магнетика:
  2. Орбитальный магнитный момент:
  3. Вектор намагниченности:
  4. Магнитная проницаемость:
  5. Магнитная восприимчивость:
Последнее изменение: четверг, 15 Сентябрь 2016, 19:19