Общие сведения.

Все вещества обладают магнитными свойствами, т.е. являются магентиками. Магнитные свойства веществ определяется величиной и ориентацией магнитных моментов молекул, ионов или атомов. Магнитный момент плоского контура площадью , по которому течет ток , определяется по формуле

, (1)

где - единичная нормаль, направление которой определяется по правилу правого винта. В магнитном поле с индукцией на замкнутый контур с током действует момент сил:

(2)

который стремиться повернуть вектор так, чтобы направления и совпадали. Контур с током создает также собственное магнитное поле с индукцией , совпадающая по направлению с магнитным моментом контура. В устойчивом состоянии контура, когда , вектор индукции в любой точке плоскости внутри контура всегда больше вектора индукции внешнего магнитного поля. Увеличение индукции внутри контура с током в магнитном поле качественно объясняет увеличение индукции в ферромагнетике, помещенное во внешнее магнитное поле.

Намагничивания вещества объясняется наличием у составляющих его атомов, молекул, ионов микроскопических магнитных моментов6 электронного орбитального , электронного собственного (спинового) , ядерного . Электронным орбитальным магнитным моментом обладает электрон, движущийся вокруг ядра атома (рис.1). Такой электрон подобен плоской круговой рамке с током , имеющий магнитный момент , где е- заряд электрона, v- частота вращения, r- радиус круговой орбиты. Направление магнитного момента противоположно направлению магнитного момента количества движения (рис.2) . и связаны соотношением , где - масса электрона.

Рис.1 Рис.2

Спиновый магнитный момент (см. рис.1) является неотъемлемым свойством электрона. Единицей магнитного момента является магнетон Бора:

где -постоянная Планка.

Ядерный магнитный момент либо равен нулю, либо три- четыре порядка меньше и его влиянием можно пренебречь. При отсутствии поля приближенно можно считать, что магнитный момент атома:

(3)

где - число электронов в атоме.

Магнитный момент молекулы , где - число атомов в молекуле. Во внешнем магнитном поле на электрон атома, как на замкнутый контур с током , действует момент силы М (см.рис.2) . Под действием этого момента сил электрон, подобно механическому волчку, будет совершать процессию, при которой векторы и описывают с постоянной угловой скоростью конус вокруг направления поля. Это дополнительное движение электрона приводит к проявлению у него магнитного момента процессии , направленного против магнитного поля . Это явление носит название диамагнитного эффекта. При наличие внешнего магнитного поля магнитный момент атома:

(4)

Намагниченность равна магнитному моменту единицы объема магнетики:

(5)

где - малый объем магнетики; - сумма магнитных моментов всех молекул в объеме . Намагниченность связана с напряженностью магнитного поля:

(6)

где - коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивастью вещества. Магнитные свойства вещества характеризуются также магнитной проницаемостью , связаны соотношением:

(7)

В зависимости от знака и величины магнитной восприимчивости все вещества делятся на 3 группы:

1. Диамагнетики – вещества (например инертные газы), у которых при отсутствии внешнего магнитного поля орбитальные и спиновые моменты атомов или молекул скомпенсированы. Во внешнем магнитном поле в результате прецессии появляются индуцированные магнитные моменты , направленные против поля , а магнитная восприимчивость отрицательна .

2. Парамагнетики – вещества, у которых при отсутствии внешнего поля или , а в следствии хоатической ориентации магнитных моментов или . Во внешнем магнитном поле под действием вращающего момента сил магнитные моменты вещества стремяться повернуться в направлении поля, в результате чего .

3. Ферромагнетики – это кристаллические вещества, у которых магнитные моменты отдельных ионов . У ферритов элементарную ячейку кристалла образуют ионы различного типа, у ферромагнетиков – одного типа. Как показали опыты Эйнштейна и де Газа , а также опыты Н.Ф.Иоффе и П.Л.Капицы, магнитный момент иона ферромагнетика обусловлен упорядоченной ориентацией спиновых магнитных моментов.

Часть ферромагнетика, в которой все магнитные моменты при отсутствии внешнего магнитного поля устанавливаются в одном направлении за счет обменного взаимодействия, называется домоном (рис.3). Домон обладает магнитным моментом . Размеры домонов составляют . При отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент ферромагнетика

.

Между домонами А и В имеются переходные слои С (рис.3б) шириной . Внутри пороходного слоя магнитные спиновые моменты ионов поворачиваются до тех пор, пока не примут нужного направления. Во внешнем магнитном поле переходные слои разрушаются.

 

Рис.3

Магнитные моменты отдельных домонов поворачиваются в направлении магнитного поля (рис.3,в).

Зависимость намагниченности магнетиков от напряженности внешнего магнитного поля изображена на рис 4.Нелинейная область 1 отражает процесс ориентации домонов в ферромагнетиках в направлении внешнего поля при возрастании напряженности . В сильных полях (область2) наступает магнитное насыщение, и намагниченность практически не зависит от напряженности поля . Кривая носит название основной кривой намагничивания. Для пара – диамагнетиков зависимость линейная.

 

Рис.4 Рис.5

У ферроагнетиков и феритоов имеет место магнитный гистерезис, в котором проявляется зависимость намагниченности от предшествующего состояния. При циклических изменениях величины и направления напряженности внешнего поля эта зависимость характеризуется кривой, называемой петлей гистерезиса. (рис.5, кривые 1, 2, 3). Если ферромагнетик был первоначально размагничен (В=0, Н=0), то его намагничивание происходит по основной кривой намагничивания ОА. В точке А напряженность и индукция соответствуют состоянию магнитного насыщения. Его размагничивание происходит по кривой . При Н=0 намагниченность ферромагнетика не исчезает . Это состояние называется остаточным магнетизмом. Напряженность , при которой исчезает остаточная намагниченность , принято называть коэрцитивной силой. Если при циклическом намагничивании , то мы получаем максимальную петлю гистерозиса 1. Кривые 2 и 3 это частные циклы, когда .

Рис.6

Максимумы В и Н частных циклов лежат на основной кривой намагничивания ОА. Условно принято считать ферромагнетики жесткими, если , ферромагнетики считаются мягкими. Магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от напряженности магнитного поля Н (рис.6). Магнитная проницаемость достигает максимума , когда напряженность Н внешнего поля становится равной напряженности Н, при которой домены максимально ориентируются по направлению поля (см.рис.3 в) и при этом достигается магнитное насыщение образца. В табл. 1 приведены характеристики некоторых ферромагнетиков и ферритов.

 

Таблица 1.