Ферромагнетизм

Особый класс магнетиков образуют вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. По своему наиболее распространенному представлению (железу) их называют ферромагнетиками. Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры. Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.

6) Магнитные домины

Домен это область ферромагнетика с однородной намагниченностью.

Обычный кусок железа разбит на огромное число доменов. В каждом домене направление намагниченности своё.

Намагниченность в доменах не ориентируется по растущему магнитному полю. Когда поле нарастает, то начинают двигаться границы между доменами. В этих границах идет плавный переход от одного направления намагниченности в одном домене к другому направлению намагниченности в другом домене. Поэтому границу доменов очень легко двигать очень маленьким магнитным полем. А вот чтобы переориентировать намагниченность в самом домене, это нужны очень сильные магнитные поля.

Поэтому при включении магнитного поля не домены переориентируются, а смещаются доменные границы. Они смещаются так, что более выгодно намагниченные домены как бы "пожирают" менее выгодно намагниченные домены. Так происходит реальный процесс намагничивания куска железа в магнитном поле.

При насыщении остается один домен, который "пожрал" всех, кто намагничен не так, как он, и который слился с теми доменами, которые намагничены так же как он и которые тоже "жрали" невыгодно намагниченные домены рядом с собой.

Природные магниты в минералах возникают тогда, когда ферромагнитный минерал остывая проходит температуру Кюри в магнитном поле Земли или в магнитном поле других намагниченных минералов, которые залегают поблизости. В этом случае при температуре Кюри происходит такая разбивка минерала на домены, где по объему преобладают домены с более выгодным направлением намагниченности по отношению к направлению того поля, которое было в тот момент поблизости.

вопрос 64. Теплообменные аппараты. Устройство кожухотрубчатых теплообменников.

Теплообменными аппаратами или теплообменниками наказываются устройства, предназначенные для передачи тепла от одного теплоносителя к другому.

Кожухотрубные теплообменники: применяются для теплообмена и термохимических процессов между различными жидкостями, парами и газами – как без изменения, так и с изменением их агрегатного состояния. Кожухотрубные теплообменники могут применяться в качестве конденсаторов, подогревателей и испарителей. В настоящее время конструкция теплообменника в результате специальных разработок с учетом опыта эксплуатации стала намного более совершенной.

Кожухотрубные теплообменники состоят из пучков труб, укрепленных в трубных досках, кожухов, крышек, камер, патрубков и опор. Трубное и межтрубное пространства в этих аппаратах разобщены, причем каждое из них может быть разделено перегородками на несколько ходов.

вопрос 65. Уравнения Максвелла (трехмерная и четырехмерная форма записи) и их физический смысл.

Система уравнений Максвелла включает в себя четыре основных уравнения

, (3.1)

, (3.2)

, (3.3)

. (3.4)

Эта система дополняется тремя материальными уравнениями, определяющими связь между физическими величинами, входящими в уравнения Максвелла:

(3.5)

Вспомним физический смысл этих математических фраз.

В первом уравнении (3.1) утверждается, чтоэлектростатическое поле может быть создано только электрическими зарядами. В этом уравнении — вектор электрического смещения, ρ — объемная плотность электрического заряда.

Поток вектора электрического смещения через любую замкнутую поверхность равен заряду, заключенному внутри этой поверхности.

Как свидетельствует эксперимент, поток вектора магнитной индукции через замкнутую поверхность всегда равен нулю (3.2)

Сопоставление уравнений (3.2) и (3.1) позволяет сделать вывод о том, что магнитные заряды в природе отсутствуют.

Огромный интерес и важность представляют уравнения (3.3) и (3.4). Здесь рассматриваются циркуляции векторов напряженности электрического ( ) и магнитного ( ) полей по замкнутому контуру.

В уравнении (3.3) утверждается, что переменное магнитное поле ( ) является источником вихревого электрического поля ( ). Это не что иное, как математическая запись явления электромагнитной индукции Фарадея.

В уравнении (3.4) устанавливается связь магнитного поля и переменного электрического. Согласно этому уравнению магнитное поле может быть создано не только током проводимости ( ), но и переменным электрическим полем .

В этих уравнениях:

— вектор электрического смещения,

H — напряженность магнитного поля,

E — напряженность электрического поля,

j — плотность тока проводимости,

μ — магнитная проницаемость среды,

ε — диэлектрическая проницаемость среды.

вопрос 66. Открытие электрона, радиоактивность.

Чтобы связать атомную гипотезу с электрическими явлениями, Берцелиус и Фарадей предположили, что имеются два типа атомов, с положительными и отрицательными зарядами. Из этого следовало существование наименьшего электрического заряда. Стоуни (Stoney) предложил термин «электрон» (1874) и дал неплохую оценку его заряда. Были и другие гипотезы, например, У. Праут считал, что раз атомные веса элементов кратны атомному весу водорода, то существует один первичный атом — водорода, а все прочие состоят из сцеплённых первичных атомов. Крукс предположил, что существует нулевой первоэлемент — протил, составляющий и водород, и прочие элементы, а Вильям Томсон считал атом стабильным вихрем в эфире.

Ещё ранее, в 1858 году, были открыты катодные лучи. После долгих дискуссий учёные пришли к выводу, что это и есть поток электронов. В 1897 году Дж. Дж. Томсон измерил отношение заряд/масса для катодных лучей и доказал, что оно не зависит от материала катода и других условий опыта. Предположив, что заряд электрона совпадает с (уже известным) зарядом иона водорода, Томсон получил оценку массы электрона. Ко всеобщему удивлению, она оказалась во много раз меньше массы атома водорода. Гипотезу Берцелиуса-Фарадея пришлось отвергнуть. Томсон показал также, что частицы, излучаемые при фотоэффекте, имеют такое же отношение заряд/масса и, очевидно, тоже электроны. Экспериментально определить заряд и массу электрона удалось в 1910 году Роберту Милликену в ходе остроумного опыта Милликена. В 1878 году Гендрик Лоренц обобщил теорию Максвелла для подвижных сред, содержащих ионы. Электронная теория Лоренца хорошо объясняла диамагнетизм, процессы в электролите, движение электронов в металле, а также открытый в 1896 году эффект Зеемана — расщепление спектральных линий в магнитном поле. Решающие открытия были совершены в 1895-м (рентгеновские лучи) и 1896-м годах (радиоактивность урана). Правда, волновая природа X-лучей была окончательно доказана только в 1925 году (Лауэ, дифракция в кристаллах), но предполагалась многими и ранее. А вот радиоактивность поставила физиков в тупик и подверглась активному исследованию.

Вскоре были открыты радий, торий и др. активные элементы, а также неоднородность излучения (альфа- и бета-лучи открыл Резерфорд в 1899-м, а гамма-лучи — Вилар в 1900-м). Природа бета-лучей стала ясна сразу, когда Беккерель измерил их отношение заряд/масса — оно совпало с таковым для электрона. Природу альфа-частиц разгадал Резерфорд только в 1909 году.1901: Вальтер Кауфман обнаружил (предсказанное Хевисайдом и Дж. Дж. Томсоном) возрастание массы электрона с ростом его скорости.1902: Резерфорд и Содди делают вывод, что «радиоактивность есть атомное явление, сопровождаемое химическими изменениями». В 1903 году они открыли экспоненциальный закон распада радиоактивного атома, оценили внутриатомную энергию как неизмеримо превышающую любую химическую, и выдвинули гипотезу, что именно она является источником энергии Солнца.В этом же году Уильям Рамзай и Содди обнаружили первые трансмутации элементов (радона в гелий), а Дж. Дж. Томсон дал первое обоснование периодической системе элементов с позиций электронной теории.

вопрос 67. Антиферромагнетизм и ферримагнетизм. Магнитный резонанс. Магнитные материалы

Антиферромагнетизм. Ферримагнетизм

В 1933 году Ландау теоретически предсказал существование в природе таких веществ, в которых обменное взаимодействие вызывает антипараллельное упорядочение спинов, в отличие от ферромагнетиков, где такое упорядочение параллельно. Это тоже должны быть вещества, которые содержат атомы (ионы) с нескомпенсированными спинами электронов на недостроенных электронных оболочках, они также должны иметь доменную структуру, внутри каждого домена тоже должна наблюдаться строгая упорядоченная ориентация спинов. Однако характер этой упорядоченности противоположен тому, который свойствен ферромагнетикам. При отрицательном знаке обменного интеграла выгодной является антипараллельная ориентация спинов соседних узлов решетки кристалла. В этом случае расположение спинов может быть также упорядоченным, но спонтанная намагниченность не возникает, т. к. спины соседних узлов компенсируют друг друга (рис. 7.20).

Рис. 7.20. Магнитная структура окисла марганца MnO

(показаны только ионы марганца )

Оказалось, что такие вещества действительно существуют, и экспериментально их существование было доказано в 1938 году Биззетом, Сквайром и Тзе. Антиферромагнетиками являются оксид марганца (MnO), сульфид марганца (MnS), хромит никеля (NiCr), оксид хрома ( ), оксид ванадия ( ) и еще довольно большое число других соединений

Например, магнитная структура MnO рассматривается как сложная структура, состоящая из двух подрешеток, намагниченных противоположно друг другу (рис. 7.20). Как ионы марганца, так и ионы кислорода образуют гранецентрированную кубическую решетку. Эти две решетки скомбинированы таким образом, что ионы металла имеют в качестве ближайших соседей только ионы кислорода, и наоборот (структурный тип NaCl). Магнитная структура ионов такова, что спины ионов, расположенных в плоскостях (111) гранецентрированной кубической решетки марганца, параллельны, а спины ионов смежных слоев антипараллельны. Очевидно, что моменты ионов в обоих направлениях компенсируются, и тело в целом не обладает спонтанной намагниченностью.

Магнитная структура антиферромагнетиков также подвержена влиянию тепловых колебаний атомов. При абсолютном нуле магнитные моменты подрешеток компенсируют друг друга, и результирующий магнитный момент равен нулю. При повышении температуры антипараллельное расположение спинов постепенно разрушается, и намагниченность антиферромагнетиков повышается. Максимального значения она достигает при температуреНееля (рис. 7.21), при достижении которой упорядоченное расположение спинов полностью нарушается и антиферромагнетик становится парамагнетиком. С дальнейшим повышением температуры намагниченность уменьшается, как и в случае парамагнетика, т. е. подчиняется закону Кюри–Вейсса.

Рис. 7.21. Зависимость магнитной восприимчивости антиферромагнетика MnO от температуры

Зависимость магнитной восприимчивости антиферромагнетика от температуры описывается законом

.

(7.43)

Следует заметить, что обменное взаимодействие между спинами ионов антиферромагнетика косвенно. В нем принимают участие электроны магнитно нейтральных ионов, расположенных между «магнитными ионами».

В антиферромагнетиках магнитные моменты подрешеток одинаковы по величине и противоположны по направлению, поэтому (при абсолютном нуле) они компенсируют друг друга. Но возможны случаи, когда величина магнитного момента подрешеток неодинакова, например вследствие неодинакового количества атомов в подрешетках или же их разной природы. В этом случае появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток и возникает спонтанная намагниченность всего кристалла. Такие материалы называют ферритами, а само явление – ферримагнетизмом.

Внешне поведение феррита сходно с ферромагнетиком, но в силу различия природы намагничивания температурная зависимость спонтанной намагниченности ферритов может быть совершенно иной. Намагниченность ферритов может убывать с повышением температуры не монотонно, а проходить через нуль еще до достижения точки Кюри.

Ферриты представляют собой твердые растворы, состоящие из окиси железа ( ) и окислов одного или нескольких металлов. В состав ферритов могут входить окислы лития (Li), цинка (Zn), никеля (Ni), кадмия (Cd), свинца (Pb), меди (Cu), магния (Mg), марганца (Mn) и других металлов. Наиболее распространенный феррит – магнетит . В нем отрицательные ионы кислорода образуют кубическую гранецентрированную решетку, в которой на каждую молекулу приходится один двухвалентный и два трехвалентных иона железа. Двухвалентные ионы железа могут быть замещены ионами других двухвалентных металлов (Mg, Ni, Co, Mn, Cu и т. д.).

Одна из подрешеток образуется половиной трехвалентных ионов железа, другая – второй половиной трехвалентных ионов и двухвалентными ионами железа или замещающего его металла. Магнитные моменты подрешеток направлены антипараллельно (рис. 7.22). Поэтому магнитный момент трехвалентных ионов компенсируется, а двухвалентных – нет, за счет них и происходит спонтанное намагничивание.

Рис. 7.22. Расположение спиновых магнитных моментов в феррите

Особенность ферритов – сочетание очень хороших магнитных свойств, малая коэрцитивная сила, высокое значение магнитного насыщения и очень высокое электрическое сопротивление. Поэтому ферриты незаменимы в сверхвысокочастотной технике, где обычные ферромагнитные материалы, обладающие низким сопротивлением, применяться не могут из-за очень высоких потерь на образование вихревых токов Фуко.

Широкое применение в качестве ячеек памяти получили ферриты, имеющие прямоугольную петлю гистерезиса (рис. 7.18, в). Постоянные магниты, изготовленные из феррита, успешно соперничают с электромагнитами.

Сейчас чаще стали использовать ферромагнитные материалы для устройств накопления и хранения информации. Одно из таких устройств, без которых не мог бы работать ни один современный компьютер, − жесткий магнитный диск, или винчестер (рис. 7.23).

Основная часть винчестера − магнитные диски, которые представляют собой пластины из алюминия, стекла или керамики с нанесенным на них слоем высококачественного ферромагнетика. Состав магнитного покрытия достаточно сложен, оно, как правило, наносится путем напыления или вакуумного осаждения. Первые диски имели покрытие из оксида железа, сегодня в качестве материалов для магнитного покрытия используются как материалы на основе железа и его окислов, так и пленки других магнитных металлов. Покрытия на основе окислов железа и бариевых ферритов являются достаточно мягкими, поэтому их применение в новых разработках почти прекратилось. Металлические пленочные покрытия обеспечивают более высокую плотность записи и прочность поверхности диска. После нанесения покрытия диски подвергаются специальной обработке для обеспечения высококачественной поверхности. Обработанные диски собирают в один пакет (обычно в пакете содержится от 2 до 12 дисков) и закрепляют на оси, устанавливаемой в привод. Запись и считывание информации с дисков производится с помощью магнитных головок (рис. 7.24), способных позиционироваться над рабочей поверхностью диска с очень большой точностью.

Рис. 7.24. Схематическая иллюстрация устройства для записи и чтения информации на магнитном диске с ферромагнетиком γ-Fe₂O₃ в винчестере

Отдельные участки магнитного покрытия могут быть намагничены одним из двух возможных способов, которые обозначают ноль и единицу (т. е. 1 байт). Такая намагниченная область представляет собой магнитный домен. Если задать намагниченность домена, информация будет записана. Плотность записи информации определяют размеры самого домена. Чтобы записать один бит информации, головка винчестера создает определенным образом направленное магнитное поле, которое ориентирует все элементарные магнитные моменты домена преимущественно в одном направлении. Эта ориентация сохраняется в течение длительного времени после того, как головка прекратила свое воздействие на ферромагнетик.

2.Я́дерный магни́тный резона́нс (ЯМР) — резонансное поглощение или излучение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, на частоте ν (называемой частотой ЯМР), обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер.

Явление ядерного магнитного резонанса было открыто в 1938 году Исидором Раби в молекулярных пучках, за что он был удостоен Нобелевской премии 1944 года. В 1946 году Феликс Блох и Эдвард Миллз Парселл получили ядерный магнитный резонанс в жидкостях и твердых телах (нобелевская премия 1952 года).

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС резонансное (избирательное) поглощение радиочастотного излучения некоторыми атомными частицами, помещенными в постоянное магнитное поле. Большинство элементарных частиц, подобно волчкам, вращаются вокруг собственной оси. Если частица обладает электрическим зарядом, то при ее вращении возникает магнитное поле, т.е. она ведет себя подобно крошечному магниту. При взаимодействии этого магнитика с внешним магнитным полем происходят явления, позволяющие получить информацию о ядрах, атомах или молекулах, в состав которых входит данная элементарная частица. Метод магнитного резонанса представляет собой универсальный инструмент исследований, применяемый в столь различных областях науки, как биология, химия, геология и физика. Различают магнитные резонансы двух основных видов: электронный парамагнитный резонанс и ядерный магнитный резонанс.

3.Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д. В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о еще более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля — см. ниже.

К магнитным материалам с точки зрения техники относят вещества, обладающие определенными магнитными свойствами и используемые в современной технологии. Магнитными материалами могут быть различные сплавы, химические соединения, жидкости.

В основном магнитные материалы относятся к группе ферромагнетиков и делятся на две большие группы — Магнитотвёрдые материалы и Магнитомягкие материалы. В то же время в связи с успехом в науках изучающих магнетизм и с развитием большой исследовательской работы в области изучения магнитных материалов, появились новые большие группы магнитных материалов: магнитострикционные материалы, магнитооптические материалы, термомагнитные материалы.