3.17. Магнетики

Известно, что если орбита по которой движется электрон ориентирована относительно вектора В произвольным образом, составляя с ним угол a, то она приходит в такое движение вокруг В, при котором вектор магнитного момента р_m, сохраняя постоянным угол, вращается вокруг вектора В с некоторой угловой скоростью.

Диамагнетики — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля (c< 0 и m< 1).

Электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле — диамагнитный эффект.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, так как магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

Парамагнетики — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля (c>0 и m> 1).

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают.

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

Парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его — парамагнитный эффект. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается в парамагнетик размагничивается (как ориентационная поляризации диэлектриков с полярными молекулами).

Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком.

Ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля.

Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость, по мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается магнитное насыщение: по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных 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 J прекращается и наступает магнитное насыщение.

Характерная особенность ферромагнетиков состоит в том, что для них зависимость J от Н (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса.

Если намагнитить ферромагнетик до насыщения, а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, уменьшение J описывается кривой 1— 2, лежащей выше кривой 1— 0.

При H = 0, J отличается от нуля, т.е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничение.

С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов.

Намагничение обращается в нуль под действием поля Н_к, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничение.

Напряженность Н_к называется коэрцитивной силой. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при Н=-Н_нас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4—5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6 —1).

При действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой, называемой петлей гистерезиса.

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, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, что называется фазовым переходом II рода.

Процесс намагничения ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление называется магнитострикцией. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Н намагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.

Для объяснения природы ферромагнетизма вейсс предположил, что ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых макроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен.

Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом Н намагниченность J и магнитная индукции В, а также m в довольно слабых полях растут очень быстро.

Эксперименты показали, что зависимость В от Н имеет ступенчатый вид: домены поворачиваются по полю скачком.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничение, так как тепловое движение не в состоянии быстро дезориентировать магнитные моменты таких крупных образований, какими являются домены, что обуславливает явление магнитного гистерезиса.

Для того чтобы ферромагнетик размагнитить, необходимо приложить коэрцитивную силу. Размагничиванию способствуют механическое встряхивание или нагревание ферромагнетика выше точки Кюри.

В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами.

В подобных кристаллах могут возникать обменные силы (обусловленные волновыми свойствами электронов, имеют квантовую природу), которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничения.

Так как кристаллы обладают анизотропией, то в ферромагнетиках наблюдается анизотропия (зависимость от направления) магнитных свойств.

Существуют вещества, в которых обменные силы вызывают антипараллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов. Такие тела называются антиферромагнетиками. Их существование теоретически было предсказано советским учёным Л.Д. Ландау.

Антиферромагнетиками являются некоторые соединения марганца, железа и многих других элементов. Для них существует антиферромагнитная точка Нееля, при которой магнитное упорядочение спиновых магнитных моментов нарушается и антиферромагнетик превращается в парамагнетик, претерпевая фазовый переход II рода.