Изучение свойств ферромагнетиков
ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА N 229
Теория
Всякое тело является МАГНЕТИКОМ, т.е. под действием магнитного поля оно приобретает магнитный момент (намагничивается). Магнитные свойства тел обусловлены магнитными свойствами элементарных частиц, входящих в состав атомов и молекул.
Согласно представлениям классической физики электроны в атомах движутся по замкнутым орбитам, что эквивалентно протекающим по круговым виткам микротокам силой :
I = ( 1)
где е - заряд электрона, V - его линейная скорость, r -радиус орбиты. Виток с током, а, следовательно, и вращающийся вокруг ядра электрон характеризуется магнитным моментом Рm
Он называется ОРБИТАЛЬНЫМ МАГНИТНЫМ МОМЕНТОМ и равен:
Рm = IS = = (2)
Кроме того, у электронов и ядер установлено наличие СПИНОВЫХ МАГНИТНЫХ МОМЕНТОВ Рms , являющихся такими же неотъемлемыми свойствами их, как заряд и масса.
Магнитный момент атома или молекулы равен геометрической сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов
Рm,ат = Рmi (3)
(Магнитный момент ядра много меньше магнитного момента электрона и им пренебрегают). Геометрическая сумма магнитных моментов отдельных атомов или молекул определяет магнитный момент образца
Рm,v = Рm, ат,i
Магнитный момент единицы объема образца называется ВЕКТОРОМ НАМАЧЕННОСТИ I
I = Рi =х Н0
где х - безразмерная величина, являющаяся коэффициентом пропорциональности между вектором намагниченности образца и напряженностью намагниченного поля, которая называется МАГНИТНОЙ ВОСПРИИМЧИВОСТЬЮ ВЕЩЕСТВА. В образце при этом возникает добавочное поле напряженностью:
H/ = I
и напряженность результирующего поля оказывается равной
H= Н0 + H/
Введем вторую характеристику магнитного поля - вектор магнитной индукции В, связанный с Н соотношением B= 0 Н, где о- магнитная постоянная. Использование формул (6), (7), (8) позволяет записать:
В = 0(1+x) H0 ,
или В= 0 Н0
Безразмерная величина = 1 + х является МАГНИТНОЙ ПРОНИЦАЕМОСТЬЮ вещества. Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в среде отлична от магнитной индуктивности в вакууме В0 .
=
Все вещества по своим магнитным свойствам делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. В ДИАМАГНЕТИКАХ магнитные моменты атомов равны нулю в отсутствие поля. При внесении этих тел в магнитное поле в каждом атоме индуцируется магнитный момент Рm , направленный в сторону противоположную вектору
напряженности Н0 магнитного поля. Для этих тел х < О и < 1. К ним относятся атомы и ионы с заполненными оболочками: ионы F-, CI-, Na+ , атомы благородных газов, атомы и ионы, которые сверх заполненной оболочки содержат еще два S-электрона с антипараллельными спинами, такие как Zn, Be, Са. К диамагнетикам относятся все органические вещества Диамагнетизм -универсальное свойство, характерное для -любого тела.
В случае пара- ферромагнетиков оно забивается более сильным и пара - или ферромагнитными эффектами. ПАРАМАГНИТНЫМИ называют вещества, магнитные моменты атомов которых отличны от нуля. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты расположены хаотически и I = О, тело не намагничено. При внесении образца в магнитное поле на магнитные моменты отдельных атомов со стороны поля действует сила, стремящаяся установить их по направлению поля, тепловое же движение, напротив, дезориентирует их. В результате устанавливается преимущественная ориентация
магнитных моментов вдоль поля Но тем большая, чем больше Н0 и чем меньше температура тела. Для этих тел X > 0 и характеризуется значениями, например, 0,4- 10-6 для калия и 3200 10-6для хлористого железа; пар. > 1.
К парамагнитным относятся вещества, атомы или ионы которых имеют один электрон сверх заполненной оболочки (например, атомы щелочных металлов), атомы переходных элементов, ионы редкоземельных элементов с незаполненными электронными оболочками и т.д. Парамагнитными свойствами обладают и свободные радикалы.
ФЕРРОМАГНИТНЫЕ ТЕЛА образуют третий, особый класс магнетиков. Свое название они получили от наименования основного представителя этого класса веществ - железа. К ферромагнетикам относятся кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, эрбий, ряд сплавов и химических соединений. В отличие от диа - и парамагнетиков для ферромагнетиков >>1. (см. таблицу I), т.е. они сильно намагничиваются. Кроме того, ферромагнетики обладают рядом отличительных свойств:
мах
Рис. 2. |
0 Н
1. Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от напряженности внешнего магнитного поля (см. рис.2 и таблицу I) . С увеличением напряженности сначала возрастает, а затем, достигнув максимального значения мах, падает, стремясь при больших Н к единице.
2. Намагниченность I ферромагнетиков зависит от Н сложным образом, тогда как в случае слабомагнитных веществ (диа - и парамагнетиков) I изменяется с напряженностью поля линейно. Из рис. 3 видно, что в слабых полях I резко возрастает с увеличением Н, затем рост I замедляется и, начиная с некоторого значения Н, намагниченность остается постоянной, равной Is , это явление носит название МАГНИТНОГО НАСЫЩЕНИЯ. Так как В= 0 (Н0 + I), то в ферромагнетиках
является нелинейной и зависимость В от Н (рис.4): в слабых полях В возрастает резко, а в сильных, где I=Is изменяется по линейному закону. Кривая зависимости В от H называется ОСНОВНОЙ КРИВОЙ НАМАГНИЧЕНИЯ
О Рис.3 Н
3. Важной особенностью ферромагнетиков является так называемый МАГНИТНЫЙ ГИСТЕРЕЗИС: намагниченность, следовательно, и магнитная индукция зависят не только от напряженности магнитного поля в данный момент, но и от того, какая напряженность была раньше.
Если намагнитить ферромагнитный образец до насыщения (точка 1, рис.5), а
затем уменьшать напряженность намагничивающего поля, то магнитная индукция будет убывать по кривой 1-2, лежащей выше основной кривой намагничения (кривая 0-1,). При Н = 0 образец остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит с ОСТАТОЧНОЙ НАМАГНИЧЕННОСТЬЮ IR и ОСТАТОЧНОЙ ИНДУКЦИЕЙ ВR. Полное размагничивание образца происходит под действием поля напряженностью Нc (т.З), имеющего направление, противоположное первоначальному. Величина Нc называется КОЭРЦИТИВНОЙ СИЛОЙ. При дальнейшем увеличении этого поля возникает намагниченность обратного знака и вновь может быть достигнуто насыщение (точка 4). В
Проведя затем процесс в обратную сторону, можно
получить замкнутую кривую, которая называется