Парамагнетизм и диамагнетизм

Парамагнитные свойства вещества объясняются наличием у атомов определенного магнитного момента. В отсутствии магнитного поля магнитные моменты атомов в парамагнетике вследствие теплового движения ориентированы совершенно беспорядочно. Поэтому магнитный момент тела, равный векторной сумме моментов отдельных атомов, близок к нулю, а, следовательно, тело не намагничено.

Во внешнем магнитном поле на каждый атом действует пара сил, стремящаяся установить магнитные моменты атомов параллельно полю. В результате этого внутри парамагнетика возникает упорядоченное расположение атомов и намагниченность оказывается параллельным направлению индукции , что характерно для парамагнетиков. Чем выше температура парамагнетика, тем сильнее тепловое движение атомов и, следовательно, тем слабее их ориентировка в данном поле, т.е. тем слабее намагничивание. Этим объясняется уменьшение магнитной восприимчивости парамагнетиков при нагревании.

Теория парамагнетизма была развита Ланжевеном. По нем, намагниченность парамагнетиков:

,

,

,

при имеет место насыщение. Магнитные моменты всех атомов выстроены по полю. При , и . Обычно , и . В слабом поле намагниченность изотропного магнетика пропорциональна магнитной индукции.

,

- закон Кюри, который получает в теории Ланжевена теоретическое обоснование, т.е. пропорциональна .

Объяснение диамагнетизма было дано впервые также Ланжевеном. Рассмотрим какую-либо электронную орбиту внутри атома и предположим, что в некоторый момент времени мы включили внешнее магнитное поле. Движение электрона изменится, а именно – возникнет ларморова прецессия, причем для случая движения электрона ( ) вектор угловой скорости прецессии будет направлен параллельно направлению поля . Но вращение отрицательной частицы против часовой стрелки есть ток, текущий по часовой стрелке. При этом северная сторона тока будет расположена снизу, а южная – сверху, т.е. возникающий вследствие прецессии дополнительный магнитный момент орбиты будет соответствовать диполю, у которого южный конец обращен к южному полюсу магнита, а северный конец – к северному полюсу (диамагнитный эффект). Т.о., существование диамагнетизма вполне объясняется ларморовой прецессией. Теория диамагнетизма Ланжевена объясняет диамагнетизм не только качественно, но приводит и к правильному порядку величины магнитной восприимчивости.

Для диамагнетиков , и , т.е. магнитная восприимчивость не зависит от температуры для диамагнетиков.

Ферромагнетизм

Помимо рассмотренных двух классов веществ – диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества - ферромагнетики – вещества, обладающие спонтанной намагничиваемостью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя – железа – относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. Столетовым, является довольно сложной. По мере возрастания намагниченность сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение , уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости от можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение прекращается и наступает магнитное насыщение.

Существенная способность ферромагнетиков – не только большие значения , но и зависимость от .

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость от (а следовательно, и от ) определяется предысторией намагничивания ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнить ферромагнетик до насыщения (точка 1), а затем начать уменьшать напряженность намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение описывается кривой 1-2, лежащей выше кривой 1-0. При отличается от нуля, т.е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничивание . С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение. Напряженность называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3-4), и при достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4-5-6) и вновь перемагнитить (кривая 6-1).

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность изменяется в соответствии с кривой 1-2-3-4-5-6-1, которая называется петлей гистерезиса. Гистерезис приводит к тому, что намагничение ферромагнетика не является однозначной функцией , т.е. одному и тому же значению соответствует несколько значений .

Различные ферромагнетики дают различные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысячных до 1-2 А/см) коэрцитивной силой называются мягкими, с большой коэрцитивной силой – жесткими.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящее в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Наконец, процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.