Донецк – 2014

Диа-, пара- и ферромагнетики

Выполнил:

Ученик 11-Д 2 класса

Немов Георгий

Донецк – 2014

Все вещества обладают определенными магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками. Для большинства веществ магнитная проницаемость μ близка к единице и не зависит от величины магнитного поля. Вещества, для которых магнитная проницаемость незначительно меньше единицы (μ < 1), называются диамагнетиками, незначительно больше единицы (μ > 1) — парамагнетиками. Вещества, магнитная проницаемость которых зависит от величины внешнего поля и может значительно превышать единицу (μ » 1), называются ферромагнетиками.

К диамагнетикам относятся некоторые инертные газы, например водород, азот, достаточно много жидкостей: вода, нефть и ее продукты, некоторые металлы: медь, серебро, цинк, свинец, висмут. Также многие полупроводники кремний германий (μ = 0,9998);

Примеры парамагнетиков: натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023); ферромагнетиков — кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8⋅10³).

Диамагнетики и парамагнетики используют в качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях (Эти усилители применяются для усиления электромагнитных колебаний в диапазоне миллиметровых, сантиметровых и дециметровых волн) и генераторах. В электо – и радиотехнике в качестве магнитных материалов применяют ферро – и ферримагнитные материалы.

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Анри Ампер (1820 г.). Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.

Возьмем некоторое твердое вещество. Его намагниченность связана с магнитными свойствами частиц (молекул и атомов), из которых он состоит. Рассмотрим, какие контуры с током возможны на микроуровне. Магнетизм атомов обусловлен двумя основными причинами:

1) движением электронов вокруг ядра по замкнутым орбитам (орбитальный магнитный момент) (рис. 1);

Рис. 1 Рис. 2

2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент) (рис. 2).

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей, созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля B₀ и поля B′ токов намагничивания i′, которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

Рис. 3 а б

В диамагнетикахмолекулы не обладают собственным магнитным полем. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, поэтому модуль вектора магнитной индукции B результирующего поля будет меньше модуль вектора магнитной индукции B₀ внешнего поля.

В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).

Рис. 4 а б

Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.