🗊Презентация Электромагнетизм. Магнитные свойства вещества

Лекция №13. Магнитные свойства вещества. 13.1. Магнитные моменты электронов и атомов. 13.2. Атом в магнитном поле. 13.3. Магнитное поле в веществе. 13.4. Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле. 13.5. Ферромагнетики.

13.1. Магнитные моменты электронов и атомов Различные среды при рассмотрении их магнитных свойств называют магнетики. Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем. У некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме. «амперовские токи».

Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током где е – заряд электрона, ν – частота его вращения по орбите.

Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона где S – площадь орбиты, – единичный вектор нормали к S, – скорость электрона. Электрон, движущийся по орбите имеет орбитальный момент импульса Lе , который имеет противоположное направление по отношению к Pm и связан с ним соотношением:

Спину электрона LeS соответствует спиновый магнитный момент электрона PmS, направленный в противоположную сторону: Спину электрона LeS соответствует спиновый магнитный момент электрона PmS, направленный в противоположную сторону: (13.1.5) Величину γS называют гиромагнитным отношением спиновых моментов (13.1.6)

Орбитальным магнитным моментом Рm атома называется геометрическая сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома Орбитальным магнитным моментом Рm атома называется геометрическая сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (13.1.8) где Z – число всех электронов в атоме – порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева. Орбитальным моментом импульса L атома называется геометрическая сумма моментов импульса всех электронов атома: (13.1.9) Более подробно вышеназванные характеристики мы обсудим в разделе «Атомная и ядерная физика».

Общий орбитальный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) всех электронов:

13.2. Атом в магнитном поле. В магнитное поле с индукцией на электрон, движущийся по орбите эквивалентной замкнутому контуру с током, действует момент сил : (13.2.1) При этом изменяется орбитальный момент импульса электрона: (13.2.2) Аналогично изменяется вектор орбитального магнитного момента электрона (13.2.3)

Теорема Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на орбиту электрона в атоме является прецессия орбиты и вектора – орбитального магнитного момента электрона с угловой скоростью ωL вокруг оси, проходящей через ядро атома параллельно вектору индукции магнитного поля.

Прецессия орбиты электрона в атоме приводит к появлению дополнительного орбитального тока, направленного противоположно току I Прецессия орбиты электрона в атоме приводит к появлению дополнительного орбитального тока, направленного противоположно току I и соответствующего ему наведенного орбитального магнитного момента ΔPm где – площадь проекции орбиты электрона на плоскость, перпендикулярную вектору . Знак минус говорит, что Δ противоположен вектору .

13.3. Магнитное поле в веществе. При изучении магнитного поля в веществе различают два типа токов – макротоки и микротоки. Макротоками называются токи проводимости и конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел. Микротоками (молекулярными токами) называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах.

Для того чтобы связать вектор с током Iмикро, рассмотрим равномерно намагниченный параллельно оси цилиндрический стержень: Для того чтобы связать вектор с током Iмикро, рассмотрим равномерно намагниченный параллельно оси цилиндрический стержень:

Закон полного тока для магнитного поля в веществе: Закон полного тока для магнитного поля в веществе: где Iмикро и Iмакро – алгебраическая сумма макро- и микротоков сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контур L. Как видно из рис. вклад в Iмикро дают только те молекулярные токи, которые нанизаны на замкнутый контур L.

Алгебраическая сумма сил микротоков связана с циркуляцией вектора намагниченности соотношением: Алгебраическая сумма сил микротоков связана с циркуляцией вектора намагниченности соотношением: (13.3.3) тогда закон полного тока можно записать в виде (13.3.4) Вектор называется напряженностью магнитного поля.

13.4.Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле. Микроскопические плотности токов в намагниченном веществе чрезвычайно сложны и сильно изменяются даже в пределах одного атома. Но нас интересуют средние магнитные поля, созданные большим числом атомов. Как было сказано характеристикой намагниченного состояния вещества служит векторная величина – намагниченность , равная отношению магнитного момента малого объема вещества к величине этого объема: (13.4.1) Где – магнитный момент i-го атома из числа n атомов, содержащихся в объеме ΔV.

Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Если магнитное поле слабо усиливается в веществе, то такое вещество называется парамагнетиком (Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na) если ослабевает, то это диамагнетик (Bi, Cu, Ag, Au и др.). Вещества, обладающие сильными магнитными свойствами называются ферромагнетиками (Fe, Co, Ni и пр.). постоянные магниты.

Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение)  свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение)  свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl, Bi, Cu, Ag, Au и др.). При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты ΔPm направленные противоположно вектору .

Вектор намагниченности диамагнетика равен Вектор намагниченности диамагнетика равен (13.4.2) Для всех диамагнетиков Вектор магнитной индукции собственного магнитного поля, создаваемого диамагнетиком при его намагничивании во внешнем поле направлен в сторону, противоположную (В отличии от диэлектрика в электрическом поле). У диамагнетиков –магнитная восприимчивость среды.

К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na и др. К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na и др. В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0, так как векторы разных атомов ориентированы беспорядочно. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, происходит преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов по направлению поля, так что парамагнетик намагничивается. Значения для парамагнетиков положительны ( ) и находятся в пределах ~ 10–5 ÷ 10–3, то есть, как и у диамагнетиков.

13.5. Ферромагнетики. К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и очень велика. Намагниченность и магнитная индукция ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля нелинейно, и в полях ~ 8103 А/м намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения , а вектор магнитной индукции растет линейно с : Наличие у ферромагнетиков самопроизвольного магнитного момента в отсутствие внешнего магнитного поля означает, что электронные спины и магнитные моменты атомных носителей магнетизма ориентированы в веществе упорядоченным образом.

Ферромагнетики это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. Ферромагнетики это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительна и очень велика = 104  105. В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Для ферромагнетиков сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd,, Dy, Ho, Er, Tm, а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: Fe3Al, Ni3Mn, ZnCMn3 Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле.

Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков. Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков. 1) Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис.). Как видно из (рис.), при Н > HS наблюдается магнитное насыщение. Рис. 13.5

2) При Н < HS зависимость магнитной индукции В от Н - нелинейная, а при Н > HS – линейна (рис.). 2) При Н < HS зависимость магнитной индукции В от Н - нелинейная, а при Н > HS – линейна (рис.). Рис. 13.6

3) Зависимость относительной магнитной проницаемости μ от Н имеет сложный характер (рис.), причем максимальные значения μ очень велики (103 ÷ 106). 3) Зависимость относительной магнитной проницаемости μ от Н имеет сложный характер (рис.), причем максимальные значения μ очень велики (103 ÷ 106). Рис. 13.7

Впервые систематичес-кие исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А. Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком. Впервые систематичес-кие исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А. Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком. На рис. изображена зависимость магнитной проницаемости ферромагнетиков от напряженности магнитного поля – кривая Столетова.

Для никеля температура Кюри равна 360 С. Для никеля температура Кюри равна 360 С. Если подвесить образец никеля вблизи пламени горелки так, чтобы он находился в поле сильного постоянного магнита, то не нагретый образец может располагаться горизонтально, сильно притягиваясь к магниту. По мере нагрева образца и достижения температуры T > TК ферромагнитные свойства у никеля исчезают и образец никеля падает. Остыв до температуры ниже точки Кюри, образец вновь притянется к магниту. Нагревшись, вновь падает и т. д. Эти периодические колебания будут продолжаться все время, пока горит свеча или горелка .

5) Существование магнитного гистерезиса. 5) Существование магнитного гистерезиса. На (рис) показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н. Рис. 13.10

Намагниченность JS при Н = НS называется намагниченность насыщения. Намагниченность JS при Н = НS называется намагниченность насыщения. Намагниченность JR при Н = 0 называется остаточной намагниченностью (что служит для создания постоянных магнитов) Напряженность Нс магнитного поля, полностью размагниченного ферромагнетика, называется коэрцитивной силой. Она характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние. Большой коэрцитивной силой (широкой петлей гистерезиса) обладают магнитотвердые материалы, используемые для изготовления постоянных магнитов Малую коэрцитивную силу имеют магнитомягкие материалы (используются для изготовления трансформаторов).

Ферромагнетизм

Ферромагнетик состоит из доменов. Причина их образования: сильное взаимодействие спиновых магнитных моментов соседних атомов, которые, стремясь стать параллельными, ориентируются в пределах достаточно большой области – домена. Ферромагнетик состоит из доменов. Причина их образования: сильное взаимодействие спиновых магнитных моментов соседних атомов, которые, стремясь стать параллельными, ориентируются в пределах достаточно большой области – домена.

Самопроизвольно намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа. Самопроизвольно намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа. Оказывается, что большой исходный кусок железа разбит на множество очень маленьких (10–2  10–3 см), полностью намагниченных областей – доменов. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю.

Рис. 13.11

Разбиение всего кристалла на домены уменьшает общую энергию системы пропорционально объему кристалла. Разбиение всего кристалла на домены уменьшает общую энергию системы пропорционально объему кристалла. В монокристалле реализуется такое разбиение на доменные структуры, которое соответствует минимуму свободной энергии ферромагнетика. Если поместить ферромагнетик, разбитый на домены, во внешнее магнитное поле, то в нем начинается движение доменных стенок. Они перемещаются таким образом, чтобы областей с ориентацией вектора намагниченности по полю стало больше, чем областей с противоположной ориентацией. Такое движение доменных стенок понижает энергию ферромагнетика во внешнем магнитном поле. По мере нарастания магнитного поля весь кристалл превращается в один большой домен с магнитным моментом, ориентированным по полю (рис.).

Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; Магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов. Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике получили ферриты – ферромагнитные неметаллические материалы – соединения окиси железа (Fe2O3) с окислами других металлов. Ферриты сочетают ферромагнитные и полупроводниковые свойства, именно с этим связано их применение как магнитных материалов в радиоэлектронике и вычислительной технике. Ферриты обладают высоким значениями намагниченности и температурами Кюри.

Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис.). Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации в винчестере (рис.).