Магнітні моменти електронів та атомів
Наведений нижче опис виникнення орбітального моменту електрона ґрунтується на дуже спрощеній теорії орбітального руху електронів в атомі. Однак ця модель дуже зручна для розгляду цього курсу. Розгляд сучасної спинової теорії в рамках квантовомеханічних теорій не входить до завдань даного курсу.
Відповідно до закону Ампера, електричний струм виробляє магнітне поле. Електрон, що обертається навколо атома, можна розглядати як циклічний електричний струм дуже малої силиI і радіуса, що індукує магнітне поле (рис. 2.1.1)
Мал. 2.1.1. Магнітне поле, що індукується електроном, що рухається орбітою.
I = е/Т,де: (2.1.1)
е-абсолютне значення заряду електрона
Т - період обігу електрона по орбіті.
Магнітний моментрm електричного струму, викликаного рухом електрона по орбіті, називаєтьсяорбітальним магнітним моментом електрона і обчислюється за формулою:
рm = I * S (2.1.2)
Всі електрони, обертаючись навколо атома, виробляють своє магнітне поле, і кожен атом, як наслідок, має власне магнітне поле, яке являє собою сумарне поле, абосуперпозицію магнітних полів окремих електронів.
Орбітальним магнітним моментом атома Рm називаєтьсявекторна сума орбітальних магнітних моментів всіхZ його електронів, деZ – порядковий номер атома в періодичній системі елементів.
Якщо речовина складається з молекул, томагнітний момент молекули євекторною сумою орбітальних моментів її атомів, яка може бути як рівною нулю, так і не дорівнює нулю.
Фізична класифікація магнетиків
Магнетиками називаються всі речовини, здатні намагнічуватися у зовнішньому магнітному полі, тобто. створювативнутрішнє магнітне поле самої речовини. Вони поділяються за своїми магнітними властивостями наслабомагнітні ісильномагнітні речовини. До слабомагнітних речовин відносятьсяпарамагнетики, до сильномагнітних -феромагнетики.
Є також два відокремлені підкласи матеріалів, виділених із загального класу феромагнетиків -антиферомагнетикиіферимагнетики. В обох випадках ці речовини відносяться до класу феромагнетиків, але мають особливі властивості. При низьких температурах магнітні поля сусідніх атомів вишиковуються строго паралельно, але у протилежних напрямах. Антиферомагнетики складаються з атомів одного елемента і, як наслідок, їхнє магнітне поле стає рівним нулю. Ферримагнетики є з'єднання двох і більше речовин. Результатом суперпозиції протилежно спрямованих полів стає макроскопічне магнітне поле, властиве матеріалу загалом.
Характерні особливості магнетиків наведені у таблиці. 2.2.1.
Діамагнетизм
Діамагнетики - речовини, у яких атоми або молекули за відсутності зовнішнього магнітного поляне мають магнітних моментів.
Як приклад розглянемо атом гелію. Зі спрощеної схеми та припущення, що обидва електрони гелію обертаються навколо ядра з однією швидкістю, за однаковими орбітами, але в протилежних напрямках, видно, що орбітальні магнітні моменти рівні за модулем і протилежні за знаком і сумарний магнітний момент атома геліюPm = pm (1) + pm (2) дорівнюватиме нулю.
Мал. 2.2.1.1. Магнітний момент атома гелію.
Привнесення діамагнітної речовини у магнітне полеу кожному його атомі (молекулі) індукується деякий додатковий індукційний струмІi з магнітним моментомΔРmi. ВекторΔ Рmi направлений протилежно векторуВ0 магнітної індукції зовнішнього магнітного поля. Сумарне магнітне поле, створене переважають у всіх атомах індукційними струмами, є власним (внутрішнім) полем. Вектор магнітної індукції внутрішнього полянаправлений протилежно вектору індукції зовнішнього поля, що намагнічує.
Рис.2.2.1.2. Магнітний момент атома діамагнітної речовини у магнітному полі.
Якщо вплив поля, що намагнічує, припиняється, то прояви діамагнітних властивостей зникають. На виникнення індукційних струмів в атомах не впливає тепловий хаотичний рух атомів, томудіамагнітні властивості речовини не залежать від температури.
Діамагнетизм -універсальна властивість всіх речовин, однак, оскільки він є дуже слабким ефектом, діамагнітні властивості спостерігаються тільки у тих речовин, де вони не маскуються сильнішими магнітними властивостями.
Парамагнетизм
Парамагнетики - речовини, у якихатоми або молекули без зовнішнього магнітного поля мають деякий магнітний момент. Магнітні моменти атомів парамагнетика залежить від будови атомів (молекул), постійні даної речовини і залежить від зовнішнього магнітного поля.
Поза магнітним полем тепловий хаотичний рух атомів (молекул) парамагнетика перешкоджають упорядкуванню розташування векторівРmмагнітних моментів окремих атомів (молекул). Речовина не намагнічується.
Привнесення парамагнітної речовини в магнітне поле кожен атомний (молекулярний) струм прагне розташуватися так, що вектор його магнітного моменту був орієнтований паралельно векторуВ0 магнітної індукції зовнішнього магнітного поля. Спільна дія магнітного поля та теплового руху призводить до того, що орієнтація магнітних моментів атомів стає переважно паралельним напрямом зовнішнього поля. Речовина намагнічується - у ньому виникає власне (внутрішнє) магнітне поле. Вектор магнітної індукції внутрішнього полянаправлений однаково з вектором індукції зовнішнього поля, що намагнічує.
Мал. 2.2.2.1. Магнітний момент атома парамагнітної речовини у магнітному полі.
Якщо вплив поля, що намагнічує, припиняється, то і парамагнітні властивості зникають. У разі підвищення температури в парамагнетиці посилюється тепловий хаотичний рух атомів, що перешкоджає орієнтації магнітних моментів. Тому відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується під час нагрівання.
Феромагнетизм
Феромагнетики – група речовин, у твердому кристалічному станімає сукупність магнітних властивостей, обумовлених особливою взаємодією атомних носіїв магнетизму. Власне (внутрішнє) магнітне поле феромагнетиків має індукцію в сотні і тисячі разів більшу, ніж індукція зовнішнього магнітного поля, що спричинило явище намагнічування, тобто. утворення внутрішнього поля.
Особливі властивості феромагнетиків виявляються тільки при температурах, менших деякої, званої температурою (точкою) КюріΘК. Для залізаΘК = 758 0 . ПриТ ≥ΘК феромагнітні властивості зникають і речовина стаєпарамагнетиком.
ПриТ ≤ΘК феромагнітне тіло складається здоменів. Домен – мала область речовини з лінійними розмірами від 106 до 104 м, тобто. 1 ÷ 100 мкм (для природних феромагнетиків). Мінімальний розмір, досягнутий при синтезі феритів (феримагнетиків) зі структурою гранату та шпинелі, дорівнює 6 * 10-8 м. (Для порівняння - розмір атома заліза = 0,126 * 10-10)> Усередині доменів існує найбільша величина намагніченості, що дорівнюєІн– намагніченості насичення. Інша назвадоменів - області мимовільної намагніченості. Усередині домену спини електронів орієнтовані паралельно один одному, в результаті чого виникає дуже сильне магнітне поле (до насичення). Кожен домен, крім того, характеризується певним значенням та напрямком вектора магнітного моментуРmд всього домену. (Мал. 2.2.3.1.)
За відсутності зовнішнього магнітного поля вектори магнітних моментів окремих доменіворієнтовані всередині феромагнетика абсолютнобезладно, так що сумарний магнітний момент всього тіла дорівнює нулю (рис. 2.2.3.2). Під впливомзовнішнього магнітного поля у феромагнетиках відбуваєтьсяповорот вздовж полямагнітних моментів окремих атомів або молекул, ацілих областей мимовільної намагніченості - доменів. Поворот уздовж поля векторівРmд відбувається спочатку в тих доменах, у яких напрямокРmд найближчий до напрямку вектора індукціїВ0 зовнішнього поля. Тому величина намагніченостіI зі збільшеннямВ0 поступово. При досить сильному зовнішньому полі все феромагнітнетіло виявляється намагніченим, Величина намагніченостіIдосягає максимального значенняI н- настає магнітне насичення. (Рис 2.2.3.4.)
Рис. 2.2.3.4. Крива магнітного насичення.
Гістерезис.
Загальне визначення слова«гістерезис» -відставання слідства від його причини.
Магнітною гістерезисом феромагнетика називається відставання зміни величини намагніченості феромагнітної речовини від зміни зовнішнього магнітного поля, в якому знаходиться речовина.
Петлею гістерезису називається крива залежності намагніченості феромагнітного тіла, поміщеного в зовнішнє магнітне поле, від зміни індукції цього полявід +В0н/μ0до -В0н/μ0 і назад (рис 2.2.4.1).
Якщо процес намагнічування феромагнетика до насичення (точкаана. рис 2.2.4.1) відбувається по кривій0а,то при зниженніВ0/μ0 величина намагніченості змінюється по кривійа IR. ПриВ0 = 0 у феромагнетика залишається деяка величиназалишкової намагніченості IR. Це означає, що у феромагнетикаіснує власне (внутрішнє) магнітне поле за відсутності зовнішнього поля.
Рис 2.2.4.1 Петля гістерези.
Щоб повністю розмагнітити феромагнетик, необхідно змінити напрямок зовнішнього поля. При деякому значенні магнітної індукції-В0к, якій відповідає величина-В0к/μ0, яка називаєтьсякоерцитивною (затримує) ) силою, намагніченістьI тіла стане рівною нулю. При подальшому збільшенні індукції зовнішнього поля в протилежному напрямку початковому, величина намагніченості знову досягне насичення в точціb. Зменшення зовнішнього поля до нуля і подальше його збільшення доВ0/μ0 = В0н/μ0 приводять до замкнутої симетричної щодо точки0 кривої – петлі гістерези.
Коерцитивна сила і форма петлі гістерезису характеризують властивість феромагнетика зберігатизалишкове намагнічування. Феромагнетики зширокою петлею гістерезису називаютьжорсткими магнітними матеріалами. Вони мають велику коерцитивну силу і використовуються длявиготовлення постійних магнітів. Приклад – вуглецеві, вольфрамові, алюмінієві та інші сталі, ферит барію, сплав самарій – кобальт. Феромагнетики звузькою петлею гістерезису називаютьм'якими магнітними матеріалами. Вони мають малу коерцитивну силу і використовуються длявиготовлення сердечників трансформаторів, електродвигунів, генераторів та інших пристроїв, при роботі яких відбувається перемагнічування в змінному магнітному полі.