9.3. Виды магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Все вещества обладают магнитными свойствами и являются магнетиками. Универсальность магнетизма объясняется существованием магнитных моментов у элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов), из которых состоят атомы веществ.

По магнитным свойствам магнетики подразделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. К диамагнетикам относятся: органические соединения, элементы Cu, Bi, Sb, Ag, Au, Pb, I, C, Si, Zn, S, Н2О, СO2, инертные газы. Редкоземельные элементы, щелочные металлы, воздух, кислород, Cr, Mn, Sn, Pt, переходные элементы 8 группы являются парамагнетиками. Ферромагнитны – Fe, Ni, Co, Gd, и при низких температурах – Dу, Er, Ho, Tm и их сплавы.

В диамагнетиках магнитная восприимчивость отрицательна и незначительно меньше нуля , проницаемость меньше единицы ( < 1). В парамагнетиках , а > 1 (также незначительно). Поэтому диамагнетики и парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам.

В ферромагнетиках магнитная восприимчивость и проницаемость достигают больших величин ( , >> 1) . Их намагниченность превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков до 10 10 раз. Они являются наиболее сильномагнитными веществами.

Теория диамагнетизма и парамагнетизма была создана П. Ланжевеном 1 . В диамагнетиках магнитный момент атома равен нулю . Под действием внешнего магнитного поля напряженностью в диамагнетиках возникает прецессия (равномерное вращение) электронных орбит атома вокруг поля , которая создает дополнительный магнитный момент, направленный против поля . Поэтому результирующее магнитное поле в диамагнетиках будет в раз меньше, чем в вакууме. Диамагнитный эффект присущ всем атомам, а следовательно, и магнетикам, но пренебрежимо мал в пара- и ферромагнетиках.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температурыТ и магнитного поля Н. Намагниченность J диамагнетиков линейно зависит от поля Н.

В пара- и ферромагнетиках магнитный момент атома не равен нулю . Под действием поля магнитные моменты атомов парамагнетика ориентируются вдоль направления поля , увеличивая величину магнитного поля парамагнетика в раз по сравнению с полем в вакууме.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков зависит от температурыТ. По закону Кюри 2 обратно пропорциональнаТ и равна: , гдеС – постоянная величина. Величина намагниченности J парамагнетиков линейно возрастает с ростом поля Н.

9.4. Свойства ферромагнетиков. Элементы теории ферромагнетизма. Применение ферромагнетиков

Ферромагнетики обладают рядом характерных магнитных свойств и, в частности, сложной зависимостью магнитной проницаемости  от напряженности поля Н, впервые изученной

А.Г. Столетовым 2 и называемой кривой Столетова (рис. 9.1). Кроме того, у ферромагнетиков имеет место неоднозначная и нелинейная зависимость индукции В от поля Н, называемая петлей гистерезиса (рис. 9.2).

Магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спиновыми магнитными моментами электронов.

Рис. 9.1 Рис. 9.2

При образовании кристалла ферромагнетика между электронами соседних атомов возникают обменные силы, которые ориентируют спиновые магнитные моменты электронов параллельно, что приводит к появлению результирующего магнитного момента в макроскопических областях ферромагнетика и к возникновению в них однородной, самопроизвольной (или спонтанной) намагниченности .

Области самопроизвольной намагниченности ферромагнетика, в которых спиновые магнитные моменты электронов расположе­ны параллельно друг другу, называют доменами. Они имеют размеры от 10 – 4 до 10 – 1 см. В пределах домена ферромагнетик на­магничен до насыщения Js. Направления векторов в различных доменах в отсутствие внешнего магнитного поля различны, и поэтому суммарный магнитный момент и намагниченность всего образца ферромагнетика равны нулю (рис. 9.3 и рис. 9.4).

Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле Н, он будет намагничиваться. Это означает, что появится и будет возрастать результирующий магнитный момент в ферромагнети­ке. Зависимость намагниченности J от напряженности магнитно­го поля Н показана на рис. 9.3. Кривая намагничивания J = f(Н) для железа была впервые получена А.Г. Столетовым. Рассмотрим ее.

Когда внешнее магнитное поле отсутствует (Н = 0), намагниченность J образца равна нулю. При наложении поля Н намагни­ченность ферромагнетика начинает возрастать. В слабых магнит-

Рис. 9.3

ых поляхН этот рост J будет происходить за счет процесса скачкообразных, сначала обратимых, а затем необратимых смещений доменных границ (участок 1 на рис. 9.3, 9.4). В результате движения границ будет увеличиваться объем доменов, магнитные моменты которых составляют малые углы с направлением поля Н.

Рис. 9.4

Ферромагнетик будет намагничиваться. (Доменной границей называют переходную область между доменами, в которой про­исходит постепенный поворот вектора от направления в одном домене до направления в другом домене.)

При возрастании напряженности внешнего поля Н (участок 2 на рис. 9.3, 9.4) магнитные моменты доменов начинают необратимо поворачиваться в направлении магнитного поля до совпадения с ним. Когда все собственные магнитные моменты электронов, участвующих в образовании ферромагнитного состояния, оказываются ориентированы по направлению поля Н, возникает техни­ческое насыщение ферромагнетика. ПолеН, в котором возни­кает состояние технического насыщения, называют полем насыщения Hs, а магнитную индукцию, соответствующую полю Hs, – индукцией насыщения Bs.

При дальнейшем увеличении внешнего поля Н (участок 3 на рис. 9.3, 9.4) величина намагниченности J незначительно возрастает за счет парапроцесса, в результате которого увеличивается число электронов, участвующих в образовании ферромагнитного состояния.

Если довести ферромагнетик до состояния технического на­сыщения и начать уменьшать величину внешнего магнитного по­ля Н до нуля, а затем, изменив направление напряженности Н на противоположное, увеличивать величину Н до значения поля на­сыщения Hs, то будет происходить необратимое изменение на­магниченности J образца и его магнитной индукции В. Этот процесс называют перемагничиванием ферромаг­нетика. При этом наблюдается отставание изменения намагни­ченности J и индукции В ферромагнетика от изменения напряженности внешнего магнитного поля Н, которое называют магнитным гистерезисом.

Кривую зависимости магнитной индукции В от Н, которая описывает перемагничивание ферромагнетика, называют петлей гистерезиса (см. рис. 9.2). Петля гистерезиса, соответствующая техническому насыщению ферромагнетика, называется максимальной.

Магнитное поле Н, при котором максимальная петля гистерези­са пересекает ось абсцисс и для которого магнитная индукция В равна нулю, называют полем коэрцитивной силы Нс (см. рис. 9.2).

Магнитная индукция, оставшаяся в ферромагнетике после то­го, как его намагнитили до насыщения, а затем уменьшили магнитное поле Н до нуля, называется остаточной индукцией Вост (см. рис. 9.2).

Ферромагнитное состояние вещества зависит от температуры. Для каждого ферромагнетика существует определенная темпера­тура Тс, при которой нарушается параллельная ориентация спи­нов и области самопроизвольного намагничивания распадаются. Вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эту температу­ру называют точкой Кюри. Для железа она равна 1043 К, для ни­келя – 631 К, для кобальта –1393 К. При температуре выше точ­ки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком. В точке Кюри происходит фазовый переход второго рода, связанный со скачкообразным изменением свойств магнитной симметрии фер­ромагнетиков. При температуре Кюри интенсивность теплового движения атомов ферромагнетика оказывается достаточной для разрушения самопроизвольной намагниченности и исчезно­вения параллельной ориентации собственных магнитных момен­тов электронов. Ферромагнетик превращается в парамагнетик.

Ферромагнетики находят самое широкое применение в электротехнике, радиоэлектронике, ЭВМ, промышленности, транспорте.

Магнитомягкие ферромагнитные материалы, обладающие низкой коэрцитивной силой, используются в генераторах, мото­рах, электродвигателях, трансформаторах. Магнитожесткие или высококоэрцитивные ферромагнетики применяются в качестве постоянных магнитов в разнообразных областях современной техники. Тонкие слои ферромагнетиков или магнитные пленки исполь­зуют в качестве логических элементов и элементов памяти ЭВМ.

В последние годы широкое применение получили полупроводниковые ферромагнетики – ферриты. Это кристаллические твердые растворы окисла железа Fe2O3 и окисла одновалентного или двухвалентного металла Li, Zn, Ni, Cd, которые одновременно обладают ферромагнитными и полупроводниковыми свойствами. Их используют в высокочастотной технике в качестве сердечников катушек индуктивности, трансформаторов, дросселей, магнитных антенн. Смешанные ферриты используются для изготовления постоянных магнитов.

Явление магнитострикции – изменение формы и размеров тела при намагничивании, и обратное явление – изменение намагниченности ферромагнитного тела при деформации (магнитоупругий эффект) находят применение в гидролокации для получения мощных механических колебаний звуковой и ультразвуковой частоты.

В строительстве магнитострикционные генераторы используют в качестве механических дробилок твердых пород.