Заттардың магниттік қасиеттері

Магнетик деп магнит өрісі әсерінен магнит моменті пайда болатын (магниттелетін) заттарды айтады. Кез келген материалдық денелердің азды көпті магниттік қасиеттері болады. Заттардың магниттік қасиеттері оладың атомдары мен электрондарының құрылымына және олардың өзара әсерлесу сипатына байланысты. Ампер болжамы бойынша заттардың молекулалары ішінде дөңгелек токтар бар. Оларды молекулалық токтар деп атайды. Сыртқы магнит өрісінің әсерінен осы дөңгелек токтар бағдарланып, өздерінің меншікті магнит өрісін туғызады да, сыртқы магнит өрісін күшейтеді. Электрондық теория бойынша атомдардағы электрондар дөңгелек орбита бойынша қозғалады да, дөңгелек ток құрайды. Атом ішінде электрон радиусы r дөңгелек орбита бойынша жылдамдықпен қозғалып жүрсін. Егер электрон 1с уақыт ішінде n рет айналса, онда орбита бойымен тасымалданған заряд en шамасы I токка шамалас болады:

мұндағы, n – айналым саны, е – электрон заряды.

Осы токтың орбиталық магнит моменті:

Модулы:

(3.42)

мұндағы, - ток күщі, ν – электронның орбта бойымен айналыс жиілігі, S– орбита ауданы. ;

Магнит моментінің бағыты токтың бағытымен (3.19-сурет) оң бұранда ережесімен байланысты. Орбита бойымен қозғалатын электронның механикалық импульс моменті болады, ол

(3.43)

мұндағы, , , -электронның орбиталық механикалық импульс моменті. Бағыты оң бұранда ережесіне бағынады. Осы моменттердің қатынасы:

,

(3.44)

- орбиталық моменттердің гиромагниттік қатынасы. Осы қатынастың тәжірибелік мәні:

3.19-сурет

Бұл айырмашылықты түсіндіру үшін электронның импульсының меншікті механикалық моменті – спині болады деп есептелді және бұл кейінірек дәлелденді. Электронның спині – ол негізгі қасиеттерінің бірі болды (заряды, массасы сияқты). Электрон импульсының меншікті механикалық моменті L_es – электрон спині деп аталады. Электрон спиніне меншікті магниттік момент сәйкес келеді:

(3.45)

g_S – электронның спиндік моменттерінің гиромагнитттік қатынасы. Сонымен электронның магниттік моменті орбиталық және спиндік моменттерінің қосындысынан тұрады. Атомның магнит моменті оның құрамына енетін электрондардың орбиталды және меншікті моменттерінен, сондай-ақ ядроның магнит моментінен тұрады.

Заттардың пара- және диамагниттік қасиеттері. Өткізгіштерде өтетін токтардың магнит өрісіндегі кез келген магнетик магниттеліп, қосымша магнит өрісін туғызады. Осы микроскопиялық токтардың өрісіне макроскопиялық ток индукциясы қосылып,жалпы магнит өрісінің индукциясын құрайды:

(3.46)

1. Егер және векторлары бір біріне қарама қарсы бағытталса, жалпы магнит өрісі әлсірейді де, ортаның магнит өтімділігі µ<1 болады. Мұндай қасиеттері бар заттар диамагнитті деп аталады. Диамагнитті заттарға көптеген металдар (мысалы, Bi,Ag,Au,Cu), көптеген органикалық қосылыстар, инертті газдар жатады.

2. Егер және векторлары бағыттас болса, онда олар қосылып, жалпы магнит өрісін күшейтеді де, ортаның магнит өтімділігі µ>1 болады. Осындай қасиеті бар заттар парамагнитті деп аталады. Парамагнитті қасиеті бар заттар : Pt, Al, O₂, NO₃ т.б.

Жалпы алғанда барлық заттардың атомдарының диамагнетиктік қасиеті болады. Егер атомдардың магниттік моменттері үлкен болса, онда парамагнетик қасиеті артып, зат парамагнетик болады, ал егер атомдардың магниттік моменттері аз болса, онда диамагнетик касиеті артып, зат диамагнетикке айналады. Диамагнетик және парамагнетик әлсіз магниттелетін заттар.

Магниттелу дәрежесін магниттелу векторы деп аталатын ( ) вектормен сипаттайды да, ол ортаның (магнетиктің) көлем бірлігінің магниттік моментімен анықталады. Магниттің ∆V көлемі ішіндегі молекулаларының магниттік моменттерінің алгебралық қосындысын деп белілейік. Сонда біртекті магниттелген магнетиктердің магниттелу векторы мына теңдікпен анықталады:

(3.47)

Теориялық есептеулер микротоктар өрісінің индукция векторы тең болатынын, ал сыртқы өрістің магниттік индукциясы тең екенінін дәлелдейді. Сонда

(3.48)

Сонымен қатар, әлсіз өрістер үшін:

(3.49)

- заттың магниттік алғырлығы деп аталады. Осыны (3.48) өрнекке қойсақ,

,

осыдан (3.50)

немесе

(3.50^/)

-ортаның магниттік өтімділігі,

Заттардағы магнит өрісі үшін толық ток заңы ( векторының циркуляциясы туралы теорема) мына түрде жазылады:

(3.51)

мұндағы I және I^/ - берілген контурды қамтиттын макро және микро токтардың алгебралық қосындысы.

Сонымен, тұйық контурдағы индукция векторының циркуляциясы өткізгіштік тогы мен молекулалық токтардың алгебралық қосындысын магнит тұрақтысына көбейткенге тең.

Ферромагнетиктер, олардың қасиеттері мен табиғаты.

Ферромагнетиктер күшті магниттелетін заттар. Олардың магниттелуі диа – және парамагнетиктердің магниттелуінен көптеген есе артық. Ферромагнетиктер қатарына темір, никель, кобальт және олардың қорытпалары мен қоспалары (Fe+Ni+A ) және ферромагнитті емес металдардың қорытпалары (61,5%Cu+23,5%Mn+15%A ) жатады. Парамагнетиктер сияқты ферромагнетиктердің өздерінің меншікті магнит өрісі магниттелеу процесі кезінде сыртқы магнит өрісін күшейтеді. Осы айтылғанға сәйкес ферромагнитті заттардың мынадай ерекше қасиеттері болады: біріншіден, олардың мангнит өтімділігі өте жоғары , кейбір жағдайларда 10⁵-не дейін жетеді, демек сыртқы магнит өрісінің кернеулігіне тәуелді, екіншіден, ферромагиттердің магиттелуі сыртқы магнит өрісін жойса да сақталады (яғни, олардың қалдық магниттелуі болады).

Темірдің магниттелуінің сыртқы өріс кернеулігіне тәуелдігін алғаш 1872 жылы толық зерттеген орыс ғалымы А.Г.Столетов болды. Егер әлсіз магнитті заттарда және векторларының арасындасызықтық тәуелділік болса, ферромагнитті заттарда бұл тәуелділік едәуір күрделі. Алғашқы кезінде векторы кернеуліккетәуелді тез өседі, сосын жайлап өсіп, ең жоғарғы қанығу _қан (J_s) мәніне жеткеннен кейін кернеулік векторына тәуелді болмайды. Мұндай жағдай 3.20-суретте бейнеленген. Бұл былайша түсіндіріледі: алғашқы кезде магнит өрісінің өсуімен қатар, молекулалық магнит моменттерінің өріске бағдарлану дәрежесі пропорционал түрде артады, кейінірек бірте-бірте баяулай түседі.

Ең соңында өріс бағытына бағыттас емес моменттер саны мүлдем азайып магниттелу _қ қанығу дәрежесіне жетеді. Ферромагнетиктердің ең бір маңызды ерекшелігі гистерезис (кешігу) деген құбылыс. Бұл құбылыс магниттелу векторымен өріс кернеулігінің арасындағы тәуелділікті толық түсіндіреді.

3.20-сурет

Ферромагнитті денелер магниттелгенде олардың сызықтық өлшемдері мен көлемдері де өзгереді, яғни деформацияланады. Бұл құбылыс магнитострикция деп аталады. Осы эффектінің шамасы мен таңбасы магнит өрісінің кернеулігіне және өріс бағытының кристалл осімен жасайтын бұрышына тәуелді.

Ферромагнитті денелердің қандайын алсақ та, олардың ферромагнитті қасиеттері түгелдей жойылатын температурасы болады. Осындай T_Ктемператураны Кюри температурасы немесе Кюри нүктесі деп атайды. Мысалы, темір үшін 768⁰С, никель үшін 365⁰С т.с.с. Кюри нүктесінен жоғарғы температурада ферромагнетиктер қалыпты парамагнетикке айналады.

Ферромагнетизм теориясын алғаш француз физигі П.Вейс жасаған, кейінірек 1928 жылы бұл теорияны кванттық тұрғысынан дамытқан орыс физигі Я.И.Френкель мен неміс физигі В.Гейзенберг болды. Вейстің түсіндіруінше Кюри температурасынан төменгі температурада ферромагниттер сыртқы өрістің әсерінен өздігінен (спонтанды) магниттелген - домендер деп аталатын кішігірім макроскопиялық ерекше аймақтардан тұрады. Домендер сызықтық өлшемдері 10^-4-10^-2 сантиметрге жуық ұсақ магнетиктер болып келеді. Әрбір доменнің шегінде ферромагнетик қанығуға дейін өздігінен магниттеледі де, белгілі бір магнит моментіне P_m ие болады. Бұл моменттердің әр домендер үшін бағыттары түрліше болады, яғни сыртқы өріс жоқ кезде барлық моменттердің қосындысы ( ) нөлге тең. Сыртқы магнит өрісі әсерінен әртүрлі баыттағы домендердің магнит моменттері бір жаққа бағытталады. Сөйтіп ферромагниттердің өтімділіктерінің тез өсуіне мүмкіндік туады. Ферромагниттердегі домендер эксперимент арқылы да дәлелденді. Домен аймақтарды тікелей порошокты бейнелер әдісімен көруге болады. 3.21-суретте көрсетілгендей магнит өрісі болмағанда домендер хаосты бағытталған, ал сыртқы магнит өрісіне әкелген кезде өріс бойымен бағытталады.

3.21-сурет

Қазіргі кезде техникада феррит деп аталатын магниттік заттар үлкен роль атқарады. Өздерінің электрлік қасиеттері бойынша олар жартылай өткізгіштерге жатады. Олардың кедергілері өте жоғары 10²-10⁸ Ом·м. Ферриттер электротехника үшін өте құнды, өйткені олардың ішінде зиянды құйын токтар өнбейді. Ферриттерден трансформатор өзектерін, катушка стерженьдерін жасайды.