Какие вещества могут намагничиваться

Магнитные свойства вещества

Все вещества, помещенные во внешнее магнитное поле, намагничиваются. Намагничивание связано с наличием магнитных моментов у частиц вещества.

Магнитные свойства материалов обусловлены внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи.

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, приобретает магнитный момент.

Характеристикой намагничивания материалов служит намагниченность, равная суммарному магнитному моменту атомов в единичном объеме материала.

Магнитные моменты электронов и атомов

Электрон обладает собственным моментом количества движения (механическим моментом) , называемым спином. Этот момент может иметь только две ориентации относительно внешнего магнитного поля, направленного по оси Z, такие, что две его возможные проекции по направлению этого поля равны

,

гдe : h–квант действия–одна из постоянных физики (постоянная Планка). Квант–минимальное количество, на которое может изменяться дискретная по своей природе физ.величина (действие, энергия, количество движения и т.д.)

Спину электрона соответствует спиновый магнитный момент :

Величина называется гиромагнитным отношением для спинового момента:

,

где: е – абсолютная величина заряда электрона; m – масса электрона.

Масса покоя электрона

Проекция cпинового момента электрона на ось численно равна магнетону Бора (единица магнитного момента):

,

где:

Спином электрона объясняется тонкая структура спектральных линий, расщепление этих линий в магнитных полях. Спин электрона оказывает влияние на распределение электронов по энергетическим состояниям в атомных системах. Спином объясняются также магнитные свойства ферромагнетиков.

Магнитный момент , вызванный движением электрона по орбите, называется орбитальным магнитным моментом. Момент количества движения электрона: , где r –радиус вектор, v–скорость электрона

Орбитальные магнитный и механический (относительно ядра) моменты электрона пропорциональны друг другу и направлены в противоположные стороны:

,

где

Видим, что гиромагнитное отношение орбитальных моментов в 2 раза меньше, чем .

Величина для стационарного состояния электрона в атоме равна:

,

где l– орбитальное квантовое число.

, магнетон Бора.

Вектором орбитального магнитного момента атома называется векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех Z его электронов:

,

где Z—порядковый номер атома в периодической системе Менделеева.

Вектор орбитального момента количества движения определяется аналогично

,

где орбитальный момент количества движения электрона.

Для и сохраняется соотношение:

Однородное магнитное поле, в которое внесен атом, изменяет угловую скорость вращения его электронов вокруг ядра. Это изменение происходит в процессе нарастания того магнитного поля, в которое вносится атом, и является результатом возникновения индукционного вихревого электрического поля, действующего на электроны.

Если орбита электрона и вектор его орбитального момента расположены относительно вектора напряженности H магнитного поля, как указано на рис.1, то совершается прецессионное движение орбиты и вектора вокруг направления H с угловой скоростью (ларморова прецессия)

,

где: абсолютная величина заряда заряда

масса электрона;

магнитная постоянная

Теорема Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на электронную орбиту является прецессия орбиты и вектора с угловой скоростью Лармора вокруг оси, проходящей через центр орбиты и параллельной вектору H.

Примечание. Прецессия (предшествование)физ.движение оси вращения твердого тела, например арт.снаряда, при которой эта ось описывает круговую коническую поверхность.

Наличие прецессии приводит к появлению дополнительного орбитального тока и индуцированного орбитального магнитного момента электрона , направленному в сторону, противоположную вектору Н:

,

;

— среднее по времени значение квадрата проекции радиуса электронной орбиты.

Для сферически симметричной электронной оболочки атома ,где среднее значение квадрата радиуса орбиты.

Общий индуцированный орбитальный момент атома равен:

,

где: орбитальный наведенный магнитный момент электрона;

число электронов в атоме;

Намагничивание вещества характеризуют такие показатели, как:

Магнитная индукция В (Тл);

Напряженность магнитного поля Н (А/м);

Намагниченность J (А/м);

Магнитная восприимчивость ;

Магнитная проницаемость μ;

Магнитный поток Ф (Вб).

В фундаментальной физике для характеристики намагничивания вещества вводится понятие вектора интенсивности намагничивания (намагниченность) векторная сумма магнитных моментов атомов (молекул), находящихся в единице объема:

,

где: N— число частиц, содержащихся в объеме V магнетика;

— магнитный момент молекулы (атома).

На практике намагниченность связана с напряженностью магнитного поля (H) отношением

Магнитная индукция (B) в веществе определяется суммой индукции внешнего и собственного магнитных полей:

,

магнитная индукция поля в вакууме;

магнитная индукция поля внутри вещества;

— магнитная постоянная, Гн/м.

Объединяя предыдущие выражения, получим

,

где — относительная магнитная проницаемость (в дальнейшем магнитная проницаемость).

Величина, характеризующая связь намагниченности с магнитным полем в материале, называют магнитной восприимчивостью .

Связь между относительной магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью

В зависимости от знака и значения магнитной восприимчивости материалы делят на:

Диамагнетизм – имеется во всех веществах и связан с тем, что внешнее магнитное поле оказывает влияние на орбитальное движение электронов, вследствие чего индуцируется магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. После снятия внешнего магнитного поля индуцированный магнитный момент диамагнетика исчезает. Магнитная восприимчивость диамагнетиков (отрицательная) по абсолютному значению очень мала и не зависит от температуры и напряженности магнитного поля. Таким образом,

диамагнетик – физическое вещество способное намагничиваться под действием внешнего магнитного поля навстречу направлению поля и, таким образом, ослабляют его. К диамагнетикам относятся полупроводники (Si,Ge), диэлектрики (полимеры) и такие металлы, как бериллий медь, серебро, свинец.

Диамагнетики подразделяются на:

К «классическим» диамагнетикам относятся:

некоторые металлы (цинк, золото, ртуть и др.);

элементы типа кремния и фосфора;

многие органические соединения.

Для этих веществ < 0 и имеет малое абсолютное значение, порядка , и не зависит от температуры.

Ко второй подгруппе относятся висмут, галлий, сурьма, графит и др. Для этих веществ < 0 , зависит от температуры и имеет абсолютные значения порядка .

Парамагнитные вещества отличаются тем, что состоят из атомов с неполностью заполненными оболочками, т.е. обладающих магнитными моментами. Но такие атомы находятся друг от друга достаточно далеко и взаимодействие между ними отсутствует. Поэтому у парамагнетиков магнитные моменты атомов ориентируются в направлении внешнего магнитного поля и усиливают его. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, имеет небольшое значение (от до ) и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля, но зависит от температуры. Таким образом, Парамагнетик – физическое вещество, обладающее положительной магнитной восприимчивостью т.е. способное намагничиваться под действием внешнего магнитного поля в направлении совпадающем с направлением поля. Они слабо намагничиваются по направлению поля, а в отсутствии поля — немагнитны.

Парамагнетики подразделяются на:

парамагнитные металлы с магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры;

Нормальными парамагнетиками являются газы , NO и др., платина, палладий, соли железа, кобальта и никеля и сами эти металлы при > , где — точка Кюри и др. Магнитная восприимчивость > 0 и зависит от температуры по закону Кюри:

или по закону Кюри-Вейсса

,

где ─постоянные Кюри.

Константа может быть положительна, отрицательна или равна нулю.

Типичные парамагнитные металлы, у которых не зависит от температуры – щелочные металлы: литий, натрий, калий,алюминий, рубидий и цезий. Они весьма слабо магнитны .

Ферромагнетики – группа некоторых переходных металлов (железо, никель, кобальт), а также гадолиний и ряд сплавов, обладающих особыми магнитными свойствами. Они характеризуются большим значением магнитной восприимчивости и ее зависимостью от напряженности поля и температуры. Обладают самопроизвольной намагничиваемостью даже в отсутствие внешнего магнитного поля.

Ферромагнитные вещества содержат атомы, обладающие магнитным моментом (незаполненные электронные оболочки), однако расстояние между ними не так велико, как в парамагнетиках, в результате чего между атомами возникает взаимодействие, которое называется обменным (предполагается, что соседние атомы обмениваются электронами). В результате такого взаимодействия энергетически выгодным в зависимости от расстояния становится параллельная ориентация магнитных моментов соседних атомов (ферромагнетизм), либо антипараллельная (антиферромагнетизм).

Антиферромагнетики (кристаллы элементов переходных групп периодической системы Менделеева, их сплавы и хим. соединения) выше антиферромагнитной точки Кюри являются нормальными парамагнетиками с < 0.

Технологические свойства

Технологические свойства материалов характеризуют восприимчивость материалов к технологическим воздействиям при переработке в изделия. Знание этих свойств позволяет рационально осуществлять процессы изготовления изделий.

Основными характеристиками материалов являются:

склонность к короблению при термической обработке и др.

Обрабатываемость резанием характеризуют следующими показателями:

качеством обработки материаловшероховатостью обработанной поверхности и точностью размеров;

стойкостью режущего инструмента

сопротивлением резаниюскоростью и силой резания;

Обрабатываемость давлением определяют в процессе технологических испытаний (проб) материалов на пластическую деформацию. Методы оценки обрабатываемости давлением зависят от вида материалов технологии их переработки.

Обрабатываемость давлением порошковых материалов характеризует их текучесть, уплотняемость и формуёмкость.

Литейные характеристики материалов совокупность технологических показателей, характеризующие формирование отливки путём заливки расплавленного материала в литейную форму.

Жидкотекучестьсвойство расплавленного материала заполнять литейную фолрму

Литейная усадкауменьшение объема расплава при переходе из жидкого состояния в твёрдое. Коэффициент усадки индивидуален для каждого вида материала.

Свариваемостьсвойство материалов образовывать сварное соединение, работоспособность которого соответствует качеству основного материала, подвергнутого сварке. О свариваемости судят по результатам испытания сварных образцов и характеристикам основного материала в зоне сварного шва.

Какие вещества могут намагничиваться?

В магнитном поле (пока не выключили внешнее поле) могут намагничиваться любые вещества. При этом диамагнетики намагничиваются противоположно направлению внешнего магнитного поля, а парамагнетики намагничиваются вдоль направления внешнего магнитного поля. При выключении магнитного поля все диамагнетики размагничиваются, а вот некоторые парамагнетики могут остаться намагниченными и стать постоянными магнитами.

Если парамагнетик находится в состоянии ферромагнетика или в состоянии ферримагнетика, тогда если магнитное поле будет достаточно сильным, то даже при выключенном магнитном поле ферромагнетики и ферриты остаются намагниченными. Их называют постоянными магнитами.

Магнитное поле в веществе

Исходя из исследований, выявлено, что любое вещество может обладать основными магнитными свойствами поля. При размещении двух витков с токами в определенную среду можно проследить за изменением между этими токами. Опыт говорит о том, что индукция магнитного поля, создаваемая ими же в веществе, отличается от магнитного поля, созданного в вакууме.

Чем создается магнитное поле

Физическая величина, которая показывает, во сколько раз индукция магнитного поля B → однородной массы отличается от индукции магнитного поля в вакууме B 0 → , называют магнитной проницаемостью μ = B B 0 .

О наличии магнитных свойств веществ можно судить по магнитным свойствам атомов или элементарных частиц. У нейтронов и протонов они в 1000 раз слабее, поэтому свойства определяют электронами. Важное свойство электрона – наличие электрического и собственного магнитного полей.

Собственное магнитное поле электрона получило название спинового (spin – вращение).

Создание магнитного поля электрона проходит за счет движения частиц по орбите вокруг ядра. Это явления сравнивается с круговым микротоком. Благодаря этому спиновые и магнитные поля отличаются большим количеством магнитных свойств.

Парамагнетики и диамагнетики

Каждое из веществ имеет ряд слабовыраженных и сильновыраженных отличительных характеристик.

Слабо-магнитные делят на парамагнетиков и диамагнетиков. Их отличие состоит в том, что при намагничивании магнитное поле первых направляется к внешнему полю, а поле вторых – против.

Отсюда следует, что парамагнетики μ > 1 , а диамагнетики μ < 1 .

При рассматривании алюминия имеем, что μ – 1 ≈ 2 , 1 ċ 10 – 5 , хлористого железа ( F e C l 3 ) μ – 1 ≈ 2 , 5 · 10 – 3 . К данному типу относят платину и другие вещества. Из диамагнетиков – медь ( μ — 1 ≈ – 3 · 10 – 6 ) , воду ( μ – 1 ≈ – 9 · 10 – 6 ) , висмут ( μ – 1 ≈ – 1 , 7 · 10 – 3 ) . При размещении веществ обоих типов в неоднородном магнитном поле между полюсами электромагнита получаем, что парамагнетики втягиваются в область сильного поля, а диамагнетики выталкиваются. Подробно это изображено на рисунке 1 . 19 . 1 .

Рисунок 1 . 19 . 1 . Парамагнетик ( 1 ) и диамагнетик ( 2 ) в неоднородном магнитном поле.

Наличие пара- или диамагнетизма обусловлено поведением орбит на внешнем магнитом поле. Диамагнитные вещества при отсутствии внешнего поля имеются собственные магнитные и создаваемые орбитальным движением электронов поля. Они считаются скомпенсированными.

Диамагнетизм связан с действием силы Лоренца на электронные орбиты. При ее воздействии происходит изменение характера орбитального движения электронов и нарушение компенсации магнитных полей. При этом возникает собственное магнитное поле и направляется против индукции внешнего.

Атомы парамагнитных веществ отличаются тем, что имеется неполная скомпенсированность электронов. Тогда атом находится в небольшом круговом токе. Если внешнее поле отсутствует, тогда микротоки произвольны, а суммарная индукция равняется нулю. При его ориентирующем действии миктротоки действуют таким образом, что поля имеют то же направление, что и индукция внешнего поля.

Так как существует тепловое движение атомов, ориентация микротоков не может быть полной. При усилении внешнего поля возрастает ориентационный эффект, тогда индукция собственного магнитного поля растет прямо пропорционально индукции внешнего. Полная индукция состоит из индукции внешнего и собственного магнитных полей, возникающих при намагничивании.

Намагничивание парамагнетиков сравнивают с поляризацией полярных диэлектриков. Аналога для диамагнетизма среди электрических свойств вещества не существует. Диамагнитные свойства присущи атомам любых веществ. Но они могут быть замаскированы с помощью парамагнитного эффекта. Еще в 1845 г. М. Фарадеем было открыто явление диамагнетизма.

Ферромагнетики

Вещества, которые способны сильно намагничиваться в магнитном поле, называют ферромагнетиками.

Их магнитная проницаемость располагается в пределе 10 2 – 10 5 .

Если имеется сталь с μ ≈ 8000 , тогда сплав железа с никелем получит значение μ ≈ 250000 .

Данная группа рассматривает такие элементы, как железо, никель, кобальт, галодоний. Самая большая магнитная проницаемость имеется у железа, отсюда и название группы ферромагнетиками. Они могут относится к разным сплавам с ферромагнитными элементами. В технике применяют такие известные ферромагнитные материалы, как ферриты.

Для ферромагнетиков существует определенная температура (точка Кюри), превысив которую, вещества теряют свойства магнитного поля и становятся парамагнетиками. Для железа такая точка равняется 770 градусам Цельсия, для кобальта 1130 градусов, никеля 360 .

Ферромагнитные материалы делят на магнитно-мягкие и магнитно-жесткие.

Первые могут полностью размагничиваться при наличии нулевого внешнего магнитного поля. К таким веществам относят железо, электротехническую сталь и некоторые сплавы. Они применимы для приборов переменного тока с непрерывным перемагничиванием.

Вторые сохраняют намагниченность при удалении из магнитного поля. К таким металлам относят углеродистую сталь и специальные сплавы. Данные материалы актуальны для изготовления постоянных магнитов.

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость μ – величина непостоянная, причем зависит от индукции внешнего поля B 0 . Данная зависимость наглядно изображена на рисунке 1 . 19 . 2 . Таблицы используются для приведения максимальных значений магнитной проницаемости.

Рисунок 1 . 19 . 2 . Типичная зависимость магнитной проницаемости ферромагнетика от физики индукции внешнего магнитного поля в веществе.

Непостоянство магнитной проницаемости указывает на нелинейную зависимость индукции магнитного поля B в ферромагнетике от B 0 внешнего магнитного поля.

Характерная особенность намагничивания ферромагнетиков – гистерезис, то есть ее зависимость от предыстории образца.

На рисунке 1 . 19 . 3 наглядно представлена зависимость B ( B 0 ) в виде кривой намагничивания с петлей сложной формы, называемой петлей гистерезиса.

Рисунок 1 . 19 . 3 . Петля гистерезиса ферромагнетика. Стрелками указано направление процессов намагничивания и размагничивания ферромагнитного образца при изменении индукции B 0 внешнего магнитного поля.

Чем создается магнитное поле постоянного магнита. Намагничивание

На вышеуказанном рисунке видно, что B 0 > B 0 s говорит о магнитном насыщении, то есть достижение максимальной намагниченности образца.

При уменьшении магнитной индукции B 0 внешнего поля и доведения до нулевого значения ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность, тогда поле внутри образца будет равняться B r . Благодаря остаточной намагниченности создаются постоянные магниты.

Для полного размагничивания следует изменить знак внешнего поля и довести магнитную индукцию B 0 до значения – B 0 c , называемого коэрцитивной силой.

Продолжение процесса перемагничивания указывается с помощью стрелок, как обозначено на рисунке 1 . 19 . 3 .

Значение коэрцитивной силы B 0 c у мягко-магнитных материалов невелико, поэтому петля гистерезиса достаточно узкая. Если ее значение превышено, тогда имеется широкая петля. Эти материалы считаются магнитно-жесткими.

Ферромагнетизм можно понять только при использовании основ квантовых представлений. Его качество определяется наличием спиновых полей электронов.

В кристаллах могут создаваться такие условия, при которых взаимодействие спиновых магнитных полей становится энергетически выгодным по причине параллельного размещения. Тогда внутри кристалла возникают намагниченные области размерами 10 – 2 – 10 – 4 с м . Они получили название доменов, каждый из которых существует как отдельный магнит.

Чем создается постоянное магнитное поле

Если внешнее магнитное поле направления векторов индукции магнитных полей отсутствуют, тогда домены располагаются в хаотичном порядке. Данный кристалл получил название ненамагниченного.

При наложении внешнего магнитного поля B 0 → образуется смещение границ доменов с их увеличением по внешнему полю. Увеличение индукции говорит о том, что произойдет возрастание индукции намагниченного вещества.

Когда внешнее поле достаточно сильное, то располагаемые в нем домены с совпадающим магнитным полем по направлению с внешним, поглощают остальные домены. Это называется магнитным насыщением.

Рисунок 1 . 19 . 4 явно показывает процесс намагничивания ферромагнитного образца.

Рисунок 1 . 19 . 4 . Намагничивание ферромагнитного образца. ( 1 ) B 0 = 0 ; ( 2 ) B 0 = B 01 ; ( 3 ) B 0 = B 02 > B 01 .

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле.

Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).
См. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Гальванометр.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.

Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.

Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.

В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где m 0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4 p Ч 10 –7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).

На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.

Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770 ° С для Fe, 358 ° С для Ni, 1120 ° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1–2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1–3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)–(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений ( — H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 4–5. Следующее за этим уменьшение величины ( — H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000 ° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма.

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10 –6 мм 3 . Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe₃O₄). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств.

При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением

R = mv/eB,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 10 10 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 10 7 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5 Ч 10 –4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна

Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):

Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна

Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю.

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля H_a, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m 0(H + H_a), или B = m 0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B/H, характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через m a, причем m a = m 0 m , где m a – абсолютная, а m – относительная проницаемости,

В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 10 4 ё 10 6 . Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.

Карцев В.П. Магнит за три тысячелетия. М., 1972
Ахиезер А.И. Общая физика. Электрические и магнитные явления. Киев, 1981
Мишин Д.Д. Магнитные материалы. М., 1981
Каганов М.И., Цукерник В.М. Природа магнетизма. М., 1982
Белов К.П., Бочкарев Н.Г. Магнетизм на Земле и в космосе. М., 1983
Вонсовский С.В. Магнетизм. М., 1984
Мнеян М.Г. Новые профессии магнита. М., 1985