Диамагнетики

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Диамагнетики

Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

Что такое диамагнетики

Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

Определение 1

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.

Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики бывают следующих видов:

  • классические;
  • аномальные;
  • сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Рисунок 1

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.

Определение 2

Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше. 

Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

  • нормальные;
  • парамагнитные металлы;
  • антиферромагнетики.

Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.

Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком.

Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля.

При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.

Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.

Определение 3

При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлениемпарамагнитного резонанса.

Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

Рисунок 2

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Определение 4

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Рисунок 3

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться.

Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно.

Их используют при производстве постоянных магнитов.

Пример 1

Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

Решение

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

B→=J→+μ0H→.

Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

Рисунок 4

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

Пример 2

Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).

Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρmB≪kT,→β≪1.

Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρmB≪kT,→β≪1.

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:

ρmz=ρm2μ0H3kT.

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J=nρmz=ρm2μ0H3kTn.

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:

χ=ρm2м0n3kT.

Ответ: χ=ρm2м0n3kT.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Диамагнетики

Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):

где $S$ — площадь витка с током.

Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как:

Диамагнетизмом обладает любое вещество.

Магнитная проницаемость диамагнетиков очень незначительно отличается от единицы. Для твердых тел и жидкостей диамагнитная восприимчивость имеет порядок приблизительно ${10}{-5}, $для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $varkappa

В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($overrightarrow{H}$):

где $varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях.

Рис.1

Парамагнетики

Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($overrightarrow{p_m}$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:

Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $overrightarrow{p_m}$ совпадает с $overrightarrow{B}$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества.

Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $overrightarrow{p_m}$ и $overrightarrow{B}$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом.

Парамагнитная восприимчивость ($varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:

или закону Кюри — Вейсса:

где C и C' — постоянные Кюри, $ riangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.

Магнитная восприимчивость ($varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.

Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.

У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны $varkappa approx {10}{-6}.$

У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля.

В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($overrightarrow{M}$), который стремится изменить угол между $overrightarrow{p_m}$ и $overrightarrow{B}.

$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $overrightarrow{p_m}$ и $overrightarrow{B}$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.

В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).

Рис. 2

Ферромагнетики

Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения ($J_{nas}$).

Рис. 3

Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).

Рис. 4

Ферромагнетики в свою очередь делят на:

  1. Мягкие в магнитном отношении. Вещества с большой магнитной проницаемостью, легко намагничивающиеся и размагничивающиеся. Их используют в электротехнике, там, где работают с переменными полями, например в трансформаторах.
  2. Жесткие в магнитном отношении. Вещества с относительно небольшой магнитной проницаемостью, трудно намагничивающиеся и размагничивающиеся. Эти вещества используют при создании постоянных магнитов.

Пример 1

Задание: Зависимость намагниченности для ферромагнетика показана на рис. 3. J(H). Изобразите кривую зависимости B(H). Существует ли насыщение для магнитной индукции, почему?

Решение:

Так как вектор магнитной индукции связан с вектором намагниченности соотношением:

[{overrightarrow{B}=overrightarrow{J }+mu }_0overrightarrow{H} left(1.1
ight),]

то кривая B(H) не достигает насыщения. График зависимости индукции магнитного поля от напряженности внешнего магнитного поля можно представить, как изображено на рис. 5. Такая кривая называется кривой намагничивания.

Рис. 5

Ответ: Насыщения для кривой индукции нет.

Пример 2

Задание: Получите формулу парамагнитной восприимчивости $(varkappa)$, зная, что механизм намагничивания парамагнетика аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков. Для среднего значения магнитного момента молекулы в проекции на ось Z можно записать формулу:

[leftlangle p_{mz}
ight
angle =p_mLleft(eta
ight)left(2.1
ight),] где $Lleft(eta
ight)=cthleft(eta
ight)-frac{1}{eta }$ — функция Ланжевена при $eta =frac{p_mB}{kT}.$

Решение:

При высоких температурах и небольших полях, мы получим, что:

[p_mBll kT, o eta ll 1 left(2.2
ight).]

Следовательно, при $eta ll 1$ $cthleft(eta
ight)=frac{1}{eta }+frac{eta }{3}-frac{{eta }3}{45}+dots $ , ограничение функции линейным членом по $eta $ получим:

[Lleft(eta
ight)=frac{eta }{3}left(2.3
ight).]

Подставим в (2.1) результат (2.3), получим:

[leftlangle p_{mz}
ight
angle =p_mfrac{p_mB}{3kT}=frac{{p_m}2B}{3kT} left(2.4
ight).]

Используя связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией ($overrightarrow{B}=mu {mu }_0overrightarrow{H}$), приняв во внимание, что магнитная проницаемость парамагнетиков мало отличается от единицы, можем записать:

[leftlangle p_{mz}
ight
angle =frac{{p_m}2{mu }_0H}{3kT}left(2.5
ight).]

Тогда намагниченность будет иметь вид:

[J=nleftlangle p_{mz}
ight
angle =frac{{p_m}2{mu }_0H}{3kT}n left(2.6
ight).]

Зная, что связь модуль намагниченности с модулем вектора напряженности имеет вид:

[J=varkappa H left(2.7
ight).]

Имеем для парамагнитной восприимчивости:

[varkappa =frac{{p_m}2м_0n}{3kT} .]

Ответ: $varkappa =frac{{p_m}2{mu }_0n}{3kT} .$

Магнетизм

Диамагнетики

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует.

Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся.

Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении.

И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики.

В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях.

Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет.

Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла.

Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично.

То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы.

Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока.

Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства.

А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя.

Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Поделиться:
Нет комментариев

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Все поля обязательны для заполнения.

×
Рекомендуем посмотреть