Магнитные свойства вещества. Ферромагнетики их применение.

Любое вещество, помещенное в магнитное поле, влияет на значение магнитной индукции этого поля. Например, при внесе­нии железного сердечника в катушку (соленоид) с током индук­ция магнитного поля соленоида сильно возрастает, а сам сердеч­ник приобретает свойство притягивать мелкие железные предме­ты, т. е. намагничивается. Это явление было впервые обнаружено Ампером.

Впоследствии было установлено, что индукция магнитного поля в веществе может быть и больше и меньше, чем индукция того же поля в вакууме. Происходит это потому, что каждое вещество в большей или меньшей степени обладает магнитными свойствами. Вещества, способные изменять параметры магнитного поля, принято называть магнетиками.

Для характеристики магнитных свойств вещества введена величина, называемая магнитной проницаемостью этого вещества.

Магнитная проницаемость вещества – это физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данной точке однородной изотропной среды отличается по модулю от индукции магнитного поля в этой же точке в вакууме : .

Вещества, у которых , называют диамагнетиками. К ним относятся, например, элементы , , , , , , , инертные газы и другие вещества.

Вещества, у которых , называют парамагнетиками. К ним, в частности, относятся , , , , , , , кисло­род и многие другие элементы, а также растворы некоторых солей.

Следует отметить, что значение у диа- и парамагнетиков отличается от единицы очень мало, всего на величину порядка , поэтому диа- и парамагнетики относятся к слабомаг­нитным веществам.

Вещества, у которых , называют ферромагнетиками. К ним относятся элементы , , , и многие сплавы. (При очень низких температурах ферромагнитные свойства обнару­живают элементы , , и .)

Значения у некоторых сплавов достигают десятков тысяч. Поэтому ферромагнетики относятся к сильномагнитным ве­ществам.

· Магнитный момент – векторная величи­на, характеризующая магнит­ные свойства тел и частиц вещества. Магнитным моментом обладают все элементарные частицы и образованные из них системы (атомные ядра, атомы, молекулы). Каждый электрон, движущийся в атоме вокруг ядра по замкнутой орбите, представляет собой электронный ток, текущий в направ­лении, противоположном движению электрона. Магнитный момент электрон­ного тока называется орбитальным магнитным моментом электрона. Электрон, также, независимо от его пребывания в какой-либо системе частиц (атом, молекула, кристалл), обладает собственным механическим моментом количества движения , называе­мым спином. Элементарное представление о спине связывается с вращением электрона вокруг собствен­ной оси.

Если в какой-либо системе электронов (атом, кристалл) имеется четное число электронов, то спины каждой пары электронов, направленные в противоположные стороны, дают суммарный спин, равный нулю. Такая система назы­вается скомпенсированной по спину. При нечетном числе электронов система имеет нескомпенсированный спин, от­личный от нуля.

Наличием у электрона и некоторых других элементар­ных частиц спина объясняются многие важные закономерности в современной физике. Например, спином электрона объясняются магнитные свойства ферромагнети­ков.

Векторная сумма всех орбитальных и спиновых моментов электронов вну­три молекулы или атома и представляет собой маг­нитный момент частицы.

Пара- и диамагнетизм объясняется поведением электронных орбит во внешнем магнитном

Ферромагнетизм

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка . Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит.

В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции внешнего поля.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике от индукции внешнего магнитного поля.