Механизмы намагничивания

Существуют различные механизмы намагничивания. В соответствии с ними вещества в природе подразделяются на диа-, пара-, ферро- и ферримагнетики. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю, так как магнитные моменты всех электронов взаимно скомпенсированы. К диамагнетикам относятся инертные газы, многие органические соединения, некоторые металлы, например висмут, химически чистая медь и др. Атомы диамагнетиков приобретают в магнитном поле магнитный момент, противоположный направлению действующего первичного поля. Вещества становятся источниками возникновения дополнительного поля, т.е. вещество намагничивается.

В пределах малого объема изотропного магнетика наведенные магнитные моменты всех атомов одинаковы и направлены противоположно вектору В.

Парамагнетиками называются вещества, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент, который связан с орбитальным движением электронов в атомах и их спиновыми магнитными моментами. Примерами парамагнетиков могут служить щелочные и щелочно-земельные металлы. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов совершают тепловое движение, ориентированы в пространстве совершенно беспорядочно, намагниченность вещества равна нулю.

J_r J_s

Н₀

- H_s 0 H_s H (А/м)

-I_s

Рис. 1.2. График зависимости намагниченности ферромагнетика от напряженности магнитного поля

При внесении парамагнетика в магнитное поле магнитные моменты атомов прецессируют вокруг направления магнитной индукции В с ларморовской угловой скоростью. Тепловое движение атомов парамагнетика вызывает только столкновения их друг с другом. Совместное действие теплового и магнитного полей приводит к преимущественной ориентации собственных магнитных моментов атомов по направлению внешнего поля, поэтому парамагнетик намагничивается.

Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной намагниченностью, которая изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. У ферромагнетиков внутреннее магнитное поле в сотни и тысячи раз больше внешнего поля. Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов (железо, кобальт и никель) и ряда сплавов.

Магнитная восприимчивость æ ферромагнетиков положительна (æ > 0) и она достигает значений 10⁴-10⁵ ед. СИ. Намагниченность ферромагнетиков растет с увеличением напряженности магнитного поля Н нелинейно и достигает предельного значения J_s – магнитного насыщения. Характер зависимости намагниченности J ферромагнетика от напряженности Н магнитного поля описывается графиком, который называется петлей гистерезиса (рис.1.2).

Намагниченность J_r при Н = 0 называется остаточной намагниченностью. Напряженность Н₀ магнитного поля, полностью размагничивающего ферромагнитный образец, называется коэрцитивной силой. Коэрцитивная сила характеризует способность ферромагнетика сохранять намагниченное состояние.

а в с d

Рис. 1.3. Ориентация магнитных моментов ферромагнитных веществ:

а – ферромагнетики, в – антиферромагнетики, с – ферримагнетики, d – слабые ферромагнетики

У каждого ферромагнетика имеется такая температура Т_к, называемая точкой Кюри, выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства. При температуре ниже точки Кюри ферромагнетик разбивается на малые области самопроизвольной однородной намагниченности, называемые доменами. Внутри каждого домена вещество намагничено до насыщения. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы так, что результирующий магнитный момент размагниченного образца равен нулю. В направленном магнитном поле магнитные моменты доменов ориентируются за счет энергии обменного взаимодействия спинов электронов. Под влиянием этой энергии упорядоченные магнитные моменты могут принимать следующие положения.

1. Взаимно параллельное друг другу (рис. 1.3,а). Если вещество сохраняет такое расположение магнитных моментов ниже точки Кюри, то оно называется ферромагнетиком.

2. Взаимно антипараллельное скомпенсированное (рис. 1.3,в). Атомные моменты данного вещества равны по величине и направлены в противоположные стороны. Такое вещество называется антиферромагнетиком.

3. Взаимно антипараллельное нескомпенсированное (рис.1.3,с). Такой вид ферромагнитного упорядочения сохраняется до температуры Неля, он называется ферримагнетизмом Нееля. Сами вещества называются ферримагнетиками.

4. Взаимно квазиантипараллельное (рис. 1.3,d). Возникает небольшой суммарный магнитный момент, перпендикулярный антиферромагнитному порядку. Вещества с таким видом ферромагнитного упорядочения относятся к ферримагнетикам.

Наиболее часто встречающиеся в природе магнитные минералы являются ферримагнетиками (магнетит, моноклинный пирротин и др.), или слабыми ферромагнетиками (гематит).

Намагничивание ферромагнитного образца во внешнем магнитном поле заключается в смещении границ доменов и росте размеров тех доменов, векторы которых близки по направлению к магнитной индукции В поля, и в повороте магнитных моментов целых доменов по направлению поля В. В сильном магнитном поле образец достигает состояния магнитного насыщения, он весь намагничен по этому полю, и намагниченность не меняется при увеличении В.

При нагревании ферромагнетика до точки Кюри тепловое движение разрушает области спонтанных намагниченностей, вещество теряет свои особые магнитные свойства и ведет себя как обычный парамагнетик.