mozok.click » Фізика » Магнітні властивості речовини
Інформація про новину
  • Переглядів: 176
  • Автор: admin
  • Дата: 12-02-2018, 19:36
12-02-2018, 19:36

Магнітні властивості речовини

Категорія: Фізика

Діа-, пара- і феромагнетики. Ще Ампер для пояснення магнітних властивостей речовини висунув гіпотезу про молекулярні струми, але до створення планетарної моделі атома ця гіпотеза залишалась не обґрунтованою.

За сучасними поглядами на будову речовини кожен електрон в атомі має спіновий та обертальний магнітні моменти. Так, під час обертання одного електрона навколо ядра створюється струм, середнє значення якого можна записати формулою

період обертання електрона навколо ядра. З цим струмом пов’язаний орбітальний магнітний момент електрона

площа, охоплювана орбітою електрона.

Електрони мають і власне магнітне поле, що характеризується спіновим магнітним моментом. Термін «спін* (англ. spin - веретено) виник у той час, коли вважалось, що власний магнітний момент електрона зумовлений його обертанням навколо власної осі. Нині закони руху електрона в атомі встановлені квантовою теорією, і спін електрона є квантово-механічною його властивістю, що не має аналогії у класичній фізиці. У класичній фізиці момент імпульсу виникає внаслідок обертання масивного тіла скінченних розмірів. Спін властивий навіть частинкам, які на сьогодні вважаються точковими, і не пов’язаний із жодним обертанням мас всередині такої частинки. Електрони розташовуються так, що їх спін напрямлений вздовж ліній магнітного поля і може збігатися з напрямком вектора В або бути йому протилежним.

Отже, атом (чи молекула) будь-якої речовини - це складна мікроскопічна (елементарна) магнітна система. Результуючий магнітний момент атома дорівнює векторній сумі спінових та орбітальних магнітних моментів окремих електронів. Оскільки власні магнітні моменти протонів та ядра значно менші за магнітні моменти електронів, то вважають, що магнітні властивості атома визначаються магнітними властивостями його електронної оболонки.

Залежно від кількості електронів у атомі та їх взаємного розміщення на електронних оболонках навколо ядра може статися так, що сумарний магнітний момент атома дорівнюватиме нулю.

Речовини, атоми яких не мають власного магнітного момента, тобто в яких спінові та орбітальні магнітні моменти електронів взаємно скомпенсовані, називаються діамагнетиками

До них належать речовини, атоми яких мають повністю забудовані електронні оболонки: інертні гази, азот, водень, кремній, вісмут, цинк, мідь, срібло, а також багато органічних і неорганічних сполук (вода, ацетон, гліцерин, нафталін тощо). Всередині діамагнетика, внесеного в зовнішнє магнітне поле, відбувається так званий діамагнітний ефект, що полягає у виникненні у атомів речовини індукованого (наведеного) магнітного момента, який завжди напрямлений проти вектора індукції магнітного поля, тому відносна магнітна проникність діамагнетиків менша за одиницю



Речовини, що складаються з атомів та молекул, які мають відмінний від нуля власний магнітний момент, називаються парамагнетиками.

Цей термін вперше ввів у 1845 р. Фарадей, який поділив речовини на діамагнітні і парамагнітні, а перше пояснення парамагнетизму розробив на основі класичної електронної теорії французький фізик Поль Ланжевен (1872-1946). До парамагнетиків належать речовини, атоми яких мають неза-будовану внутрішню оболонку (алюміній, кальцій) або непарне число електронів (натрій, азот), деякі метали (платина, вольфрам), кисень тощо. За відсутності зовнішнього магнітного поля відмінні від нуля магнітні моменти атомів парамагнітної речовини під дією теплового руху розміщуються статистично рівномірно за всіма напрямками. У результаті сумарний макроскопічний магнітний момент тіла дорівнює нулю і воно виявляється ненамагніченим.

Після внесення парамагнітної речовини у зовнішнє магнітне поле в ній, поряд із слабким діамагнітним ефектом, відбувається переважна орієнтація елементарних магнітних моментів атомів у напрямку цього поля. Тому парамагнетики намагнічуються вздовж зовнішнього поля і, отже, підсилюють його, їх магнітна проникність трохи більша за одиницю (ц > 1).

Зразки, виготовлені з пара- чи діамагнетика, по-різному себе поводять, будучи внесені у магнітне поле. В однорідному магнітному полі видовжений зразок з діамагнітної речовини розміщується перпендикулярно до силових ліній поля, парамагнітний зразок - уздовж них. У неоднорідному магнітному полі діамагнетик виштовхується в напрямку зменшення індукції магнітного поля, парамагнетик - втягується (мал. 129).

Механізм намагнічування парамагнетиків дуже схожий на механізм поляризації полярних діелектриків. Діамагнетизм не має аналога серед електричних властивостей речовини.

Крім названих типів магнетиків існують й такі, що здатні дуже сильно намагнічуватись у магнітному полі (наприклад залізо, сталь, чавун, нікель, кобальт, гадоліній). Вони утворюють окрему групу сильномагнітних речовин, які від латинської назви заліза називають феромагнетиками. Магнітна проникність феромагнітних речовин дуже велика, 102-105. Отже, феромагнетики підсилюють зовнішнє поле в сотні і тисячі разів. Ефект «втягування» ліній індукції зовнішнього поля у феромагнетиків дуже сильний.

Досліджуючи природу феромагнетизму, французький фізик П’єр Вейсс (1865-1933) у 1907 р. висунув гіпотезу про існування в них внутрішньої взаємодії, що приводить до самодовільного (спонтанного) намагнічування окремих ділянок феромагнетики за відсутності зовнішнього магнітного поля. Вивчення будови феромагнетиків за допомогою мікроскопа показало, що дійсно, феромагнетик складається з множини самодовільно (спонтанно) намагнічених областей розмірами близько 0,001 - 0,1 мм, які називають доменами (або областями Вейсса). Фактично це області, що охоплюють сотні атомних шарів, в яких напрям намагнічування змінюється монотонно.


Якщо відсутнє зовнішнє магнітне поле (В0 = 0), то домени феромагнетики розміщені хаотично (мал. 130, а). Тому він не виявляє макроскопічної намагніченості. Коли феромагнетик вміщують у зовнішнє магнітне поле, його домени перемагнічуються так, щоб їхні магнітні моменти мали напрям ліній індукції зовнішнього поля (мал. 130, б) (орієнтуються у напрямку поля). При цьому змінюються межі доменів, і домени, орієнтація яких відповідала зовнішньому магнітному полю, збільшують свої розміри за рахунок доменів з іншою орієнтацією (мал. 130, в).

Після вимикання зовнішнього магнітного поля єдиним фактором, який впливає на орієнтацію доменів, залишається тепловий рух, який руйнує орієнтацію доменів. За низьких температур інтенсивність теплового руху виявляється недостатньою для повного руйнування орієнтації доменів і феромагнетик зберігає певне залишкове намагнічування.

В експериментах із залізом П. Кюрі встановив, що у процесі нагрівання залізо при певній температурі втрачає властивості феромагнетика і переходить у парамагнітний стан. Подальші дослідження показали, що для кожного феромагнетика є своя визначена температура (температура Кюрі), за якої феромагнітні властивості зникають. Для заліза, наприклад, ця температура становить 770 °С, для кобальту - 1130 °С, для нікелю - 360 °С.

Отже, уявлення про доменну структуру феромагнетиків дає можливість пояснити особливості процесу їх намагнічування. Однак залишається не з’ясованим питання, чому існують домени, які сили змушують атоми в доменах шикуватися так, щоб їх власні магнітні поля були строго орієнтовані. Відповідь на це питання була дана у 1928 р. російським фізиком Я.І. Френ-келем та німецьким фізиком В. Гейзенбергом. Вони показали, що сильну орієнтацію магнітних полів атомів зумовлюють так звані сили обмінної взаємодії. Природа цих сил пояснюється лише квантовою теорією атома.

Магнітний гістерезис. Характерною особливістю феромагнетиків є складна залежність індукції внутрішнього поля намагніченого феромагнетика В від індукції зовнішнього поля намагнічуючих струмів В0. До того ж намагнічування феромагнетика залежить не лише від індукції намагнічуючого поля, а й від того, намагнічувався даний феромагнетик раніше чи ні.

Кількісне дослідження залежності B = f(B0) проводять, як правило, за допомогою залізного кільця, на яке намотана обмотка, якою пропускають електричний струм (мал. 131). Зразок такої форми називають тороїдом.


Нехай залізне осердя тороїдальної котушки раніше не намагнічувалось і струму в котушці немає. Почнемо поступово збільшувати силу струму. Індукція зовнішнього поля В0 буде зростати пропорційно силі струму. Індукція внутрішнього поля також починає зростати, але не лінійно, а так, як показано на мал. 132. Спочатку (точка а) домени невпорядковані. По мірі зростання В0 орієнтація доменів впорядковується, і в точці b практично всі домени зорієнтовані по полю. Намагнічення осердя, як кажуть, досягає насичення. Точка Ь на графіку відповідає приблизно 70 % повного насичення, оскільки останні домени впорядковуються досить важко.

Будемо зменшувати В0, зменшуючи силу струму в обмотці. Коли струм зменшується до нуля (точка с), домени ще зберігають деяку впорядкованість, і осердя зберігає залишкове намагнічення. У такий спосіб виготовляють постійні магніти. Змінимо напрям струму в обмотці, і знову будемо його монотонно збільшувати. Магнітне поле (- В0), напрямлене протилежно до залишкового намагнічування осердя, почне переорієнтовувати домени, і в точці d внутрішнє поле зникає, В = 0. Подальше зростання сили струму приводить до нової повної орієнтації доменів (точка е). Зверніть увагу на те, що крива розмагнічування (bd) спадає повільніше, ніж зростала ab у процесі намагнічування феромагнетика. Описане явище називається магнітним гістерезисом (від грецького «гістерезис* - «запізнення*).

Якщо знову зменшувати струм до нуля, а потім збільшувати його у протилежному напрямку, то індукція В буде змінюватись згідно з кривою efqb, допоки знову не досягне насичення в точці Ь. Утворена при цьому замкнена крива дістала назву петлі гістерезису.

У такому циклі велика кількість енергії переходить у тепло (через внутрішнє тертя під час переорієнтації доменів); можна довести, що втрати тепла пропорційні площі петлі гістерезису.

Феромагнетики з великою площею петлі гістерезису називають жорсткими, а з малою площею - м’якими.

Застосування магнітних матеріалів. Магнітом’які феромагнітні матеріали (хімічно чисте залізо, електротехнічна сталь та ін.), які майже втрачають намагніченість після видалення із зовнішнього поля, використовують в тих електротехнічних пристроях, в яких відбувається безперервне перемагнічування осердь, магнітопроводів та інших частин трансформаторів, генераторів змінного струму, електродвигунів. Магнітожорсткі матеріали (вуглецева сталь, хромиста сталь і спеціальні сплави) використовують здебільшого для виготовлення постійних магнітів.

Великого застосування набули в сучасній радіотехніці ферити - феромагнітні матеріали, які погано проводять електричний струм. До них належать речовини, що є хімічними сполуками оксиду заліза з оксидами інших металів. Ферити використовують для виготовлення осердь котушок індуктивності, внутрішніх антен малогабаритних приймачів тощо.

Завдяки явищу гістерезису, яке полягає у властивості магніту зберігати ♦ пам’ять» про минуле, став можливим запис звуку в магнітофонах і довільної інформації у довготривалій пам’яті комп’ютера.

Для звукозапису в магнітофонах і відеозапису у відеомагнітофонах використовують магнітні стрічки, що являють собою гнучку основу з поліхлорвінілу чи інших речовин, на яку нанесено робочий шар у вигляді магнітного лаку, що складається з дуже дрібних голчастих частинок заліза чи іншого феромагнетики і зв’язувальних речовин. Звук записується на стрічці за допомогою електромагніту. Магнітне поле електромагніту змінюється в такт зі звуковими коливаннями. Під час відтворення звуку спостерігається зворотний процес. Намагнічена стрічка збуджує в магнітній головці електричні сигнали, які після підсилення надходять у динамік магнітофона.

Магнітострикція - відкрите Дж. Джоулем у 1842 р. явище зміни розмірів і форми тіла внаслідок його намагнічування. У феромагнетиків магнітострикція спричинює відносне видовження

у діамагнетиків і парамагнетиків вона мала,

На явищі магнітострикції ґрунтується дія випромінювачів ультразвуку. Якщо феромагнетик помістити в змінне магнітне поле, в ньому виникатимуть механічні коливання, частота яких залежить від частоти змінного поля.

Магнітострикцію використовують також у радіотехнічних пристроях для стабілізації частоти, в роботі магнітострикційних перетворювачів, датчиків і реле.

Дайте відповіді на запитання

1. Які речовини називають діамагнетиками? парамагнетиками? феромагнетиками?

2. Що таке домен? Як поводять себе домени під час намагнічування феромагнетика?

3. Які основні властивості мають феромагнетики?

4. Наведіть приклади практичного використання феромагнетиків у техніці.






^