Магнитное поле в веществе.

Магнитное поле в веществе существенным образом отличается от магнитного поля в вакууме. Опыт и теория показывают, что все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, то есть намагничиваются, и поэтому изменяют внешнее (первоначальное) поле. При этом оказывается, что одни вещества ослабляют внешнее поле, их называют диамагнитными веществами (диамагнетиками), другие вещества усиливают внешнее поле - это парамагнитные вещества (парамагнетики). Среди парамагнетиков резко выделяется группа, веществ, вызывающих очень большое усиление внешнего поля. Эти вещества называются ферромагнетиками.

Подавляющее большинство веществ относятся к диамагнетикам. Диамагнетиками являются такие элементы, как фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (висмут, ртуть, золото, серебро, медь, и др.), большинство химических соединений (в том числе вода и почти все органические соединения).

К парамагнетикам относятся некоторые газы (кислород, азот) и металлы (алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные металлы).

В довольно малочисленную группу ферромагнетиков входят железо, никель, кобальт, палладий, гадолиний и диспрозий, а также некоторые сплавы и окислы этих металлов и некоторые сплавы марганца и хрома. Выясним физические причины диа-, пара- и ферромагнетизма. В атомах и молекулах любого вещества имеются круговые токи, образованные движением электронов по орбитам вокруг ядер - орбитальные токи. Каждому орбитальному току соответствует определенный магнитный момент, называемый орбитальным магнитным моментом. Кроме того, электроны обладают собственным, или спиновым, магнитным моментом. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.

У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю, так как, имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты взаимно компенсируются (на рис.1,а атомы изображены точками).

Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов возникает (инду­цируется) магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему полю (рис.1, б); индуцированные магнитные моменты изображены стрелками; Н-напряженность внешнего магнитного поля. В результате диамагнитная среда на­магничивается и создает собственное магнитное поле, направленное противопо­ложно внешнему полю и поэтому ослабляет его. Индуцированные магнитные мо­менты атомов диамагнетика сохраняются до тех пор, пока существует внешнее поле. При ликвидации внешнего поля, индуцированные магнитные моменты ато­мов исчезают, и диамагнетик размагничивается.

У атома (молекулы) парамагнит­ных веществ орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты не компен­сируют друг друга. Поэтому атомы парамагнетика всегда обладают магнитным моментом, являясь как бы элементарными магнитами. Однако атомные магнит­ные моменты расположены беспорядочно и поэтому парамагнитная среда в це­лом не обнаруживает магнитных свойств (рис.1, в).

Внешнее поле поворачивает атомы парамагнетика так, что их магнитные момен­ты устанавливаются преимущественно в направлении поля, (рис.1, г); полной ори­ентации препятствует тепловое движение атомов. В результате парамагнетик на­магничивается и создает собственное магнитное поле, всегда совпадающее по на­правлению с внешним полем и потому усиливающее его. При ликвидации внеш­него поля тепловое движение сразу же разрушает ориентацию атомных магнит­ных моментов, парамагнетик размагничивается.

Магнитное поле в веществе характеризуется магнитной восприимчивостью χ и магнитной проницаемостью μ.

Для диамагнетиков и μ<1, для парамагнетиков и μ>1, для ферромагнетика χ>>0 и μ>>1.

У ферромагнетиков магнитная проницаемость не только очень велика, но и непосто­янна; она зависит от напряженности намагничивающего поля . С ростом магнитная проницаемость ферромагнетика μ сначала быстро возрастает, достигая максимума, а затем уменьшается, приближаясь (при очень сильных полях) к значению μ=1 (рис.2а). Поэтому для них магнитная индукция уже не будет пропорциональна напряженности намагничивающего поля; при сравни­тельно небольшой напряженности Н_m индукция достигает большого значения В_т (насыщения), после чего она изменяется уже медленно - пропорционально изменению Н (рис2,б), т.е. примерно так, как в парамагнитном веществе.

Зависимость магнитной проницаемости μ и индукции магнитного поля ферромагнетика от напряженности внешнего магнитного поля была исследована впервые А.Т. Столетовым. Если в ферромагнетике намагниченном, например, до состояния насыщения В_т начнет уменьшаться напряженность Н, то индукция В тоже будет уменьшаться; однако ее уменьшение происходит, не по линии 1-0, а по линии 1-2 (рис.3). При Н=0 ферромагнетик не размагничи­вается полностью: в нем сохраняется: остаточная намагниченность, характеризуемая магнитной индукцией В₀. Для полного размагничивания ферромагнетика, необходимо создать противоположное внешнее поле напряженностью Н= - Нк; эта напряженность называется коэрци­тивной силой ( от латинского coercitio - удерживание). При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик начинает перемагничиваться (линия 3-4) и при Н= - Н_m намагничивается до насыщения в противоположном направлении (В= - Вт).Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (линия 4-5-6) и вновь перемагни­тить до насыщения В_m (линия 6-1). Рассмотренное явление отставания изменений маг­нитной индукции от изменений напряженности намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом, а замкнутая кривая (1-2-4-5-6-1) - петлей гистерезиса (от греческого слова гистерезис-запаздывание). Площадь, ограни­ченная петлей гистерезиса, характеризует работу, затрачиваемую внешним полем на однократное перемагничивание ферромагнетика.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: при определенной (для каждого ферромагнетика) температуре T_к, называемой точкой Кю­ри, они теряют свои магнитные свойства (у железа T_к =1043К, у никеля T_к=633К, для пермаллоя T_к=823К). При температуре выше точки Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик. При этом он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяются также теплоемкость, электропроводность и другие физические пара­метры. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное не со­провождается выделением или поглощением теплоты, поэтому он является примером фазового перехода второго рода.

Рассмотренные особенности ферромагнетика обу­словлены тем, что в нем имеется множество сравнительно крупных самопроизвольно намагниченных до насыщения областей, называемых доменами. Линейные размеры до­менов достигают порядка 10^-2- 10^-4 см.

Домен объединяет многие миллиарды атомов, в пределах одного домена магнитные моменты всех атомов ориентированы одинаково. (Точнее говоря, одинаково ориентиро­ваны спиновые магнитные моменты электронов всех атомов). Однако ориентация самих доменов разнообразна (рис.4,а). Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля фер­ромагнетик в целом оказывается не намагниченным.

С появлением внешнего поля напряженностью домены, ориентированные своим маг­нитным моментом в направлении этого поля, начинают увеличиваться в объеме за счет соседних доменов, имеющих иные ориентации магнитного момента; ферромагнетик намагничивается (рис.4,б).

При достаточно сильном поле Н_m все домены целиком поворачиваются в направлении поля и ферромагнетик быстро намагничивается до насыщения (рис.4, в).

При ликвида­ции внешнего поля ферромагнетики полностью не размагничиваются, а сохраняют ос­таточную магнитную индукцию, так как тепловое движение не в состоянии быстро дез­ориентировать столь крупные совокупности атомов, какими являются домены. Этим объясняется магнитный гистерезис. Для размагничивания ферромагнетика необходимо приложить коэрцитивную силу. Размагничиванию способствуют также нагревание и встряхивание ферромагнетика. При температуре, равной точке Кюри, тепловое движе­ние оказывается способным дезориентировать атомы в самих доменах, вследствие чего ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная зависимость между индукцией и напряженностью . Поэтому магнитная проницаемость ферромагнетиков определяется только экспериментально.