Классификация твердых тел по магнитным свойствам

Магнитные свойства твердого тела определяются наличием или отсутствием у частиц, образующих твердое тело, магнитных моментов. Все вещества в той или иной степени магнитны. Все существующие в природе вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на пять видов магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).

Магнитные свойства веществ определяются элементарными частицами, входящими в состав каждого атома. Такими одинаковыми для всех веществ частицами являются электроны, протоны и нейтроны. Исследования показали, что магнитные моменты протона и нейтрона почти на три порядка ниже наименьшего магнитного момента электрона, поэтому в первом приближении можно пренебречь магнитным моментом ядра, состоящего из протонов и нейтронов, и полагать, что магнитные свойства атома в целом определяются электронами.

Ток создается движением электрических зарядов, значит, и движущиеся по орбитам вокруг ядра в атоме электроны представляют собой кольцевые микротоки и они должны создавать вокруг себя магнитное поле. Каждый вращающийся вокруг ядра атома электрон является элементарным магнитиком. Для характеристики этого магнитика введено понятие магнитного момента. Магнитный момент электрона, движущегося по орбите, (орбитальный магнитный момент) перпендикулярен плоскости орбиты. Если тело, обладающее магнитным моментом, свободно, оно будет поворачиваться во внешнем магнитном поле до тех пор, пока его магнитный момент не совпадет с направлением напряженности этого поля. Сила, с которой внешнее магнитное поле стремится повернуть другое магнитное тело, зависит не только от напряженности внешнего поля, но и от размера и направления магнитного момента тела. Таким образом, магнитный момент является мерой взаимодействия магнита с внешним магнитным полем.

Кроме движения по орбите электрон вращается вокруг своей оси (грубо- подобно волчку). Это движение называют спином электрона. Вращающийся вокруг своей оси электрон также создает магнитное поле, магнитный момент которого направлен вдоль оси вращения. В отличие от орбитального магнитного момента этот момент называется спиновым. Спиновые магнитные моменты двух электронов, один из которых вращается по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки, направлены в противоположные стороны, или, как говорят, антипараллельны (рис.8.1).

 

 

Рисунок 8.1. Спиновые магнитные моменты (красные стрелки) двух электронов, вращающихся в противоположные стороны, антипараллельны.

 

Так как все атомы состоят из частиц, обладающих магнитными моментами, то немагнитных веществ вообще не существует в природе. Просто эти свойства проявляются у разных веществ по-разному. Магнитный момент - это вектор, он обладает не только длиной, но и направлением, поэтому необходимо производить векторное суммирование.

При внесении магнитного вещества в магнитное поле с напряженностью H (A/м; 1 A/м = 1,26 10^-2 Э) в веществе происходит магнитная поляризация, приводящая к росту его намагниченности M (средняя плотность магнитного момента, отнесенная к единице объема, A/м). В простейшем случае магнитный момент пропорционален напряженности магнитного поля

, (8.1)

где χ – магнитная восприимчивость, которую можно выражать на один моль χ_M, на единицу объема вещества χ_V либо на единицу его массы χ_m.

При действии магнитного поля на вещество полный магнитный поток в нем определяется суммированием намагниченности и внешнего приложенного поля H. Эта сумма называется магнитной индукцией B
(Тл = 1 Вб/м²) и равна:

B = μ₀(M + H),(8.2)

где μ0 – магнитная постоянная (4π10^-7 Дж А² м^-1). Ее еще называют магнитной постоянной вакуума.

Отношение величин Bи Hназывается относительной магнитной проницаемостью μ. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция поля в данной среде больше или меньше, чем в вакууме (в вакууме μ = 1),

Таким образом, из (8.1) и (8.2) имеем

(8.3)

Из (8.3) видно, что между относительной магнитной проницаемостью μ и магнитной восприимчивостью χ существует простая взаимосвязь: μ = 1 +χ.

Магнитная восприимчивость вещества χ характеризует способность данного вещества намагничиваться полем напряженности Н.

Величины χ и μ являются скалярными, в отличие от В и Н.

Магнитная восприимчивость χ для различных веществ может принимать значения как больше, так и меньше нуля. Руководствуясь этим свойством, вещества можно разделить на пара-, диа- и ферромагнетики:

- если магнитная восприимчивость принимает малое положительное значение (χ > 0; μ >1), то такие вещества называют парамагнетиками;

- если малая (~10^-5) и отрицательна (χ < 0; μ < 1), то такие вещества называют диамагнетиками;

- если положительное (χ>>0; μ >>1) и очень большое число (~10²-10³), то такие вещества называют ферромагнетиками.