Любых веществ. Источником формирования магнетизма, как утверждает классическая электромагнитная теория, являются микротоки, возникающие вследствие движения электрона по орбите. Магнитный момент - это непременное свойство всех без исключения ядер, атомных электронных оболочек и молекул.
Магнетизм, который присущ всем элементарным частицам, согласно обусловлен наличием у них механического момента, называемого спином (собственным механическим импульсом квантовой природы). Магнитные свойства атомного ядра складываются из спиновых импульсов составных частей ядра - протонов и нейтронов. Электронные оболочки (внутриатомные орбиты) тоже имеют магнитный момент, который составляет сумма магнитных моментов находящихся на ней электронов.
Иначе говоря, магнитные моменты элементарных частиц и обусловлены внутриатомным квантомеханическим эффектом, известным как спиновой импульс. Данный эффект аналогичен угловому моменту вращения вокруг собственной центральной оси. Спиновой импульс измеряется в постоянной Планка - основной константе квантовой теории.
Все нейтроны, электроны и протоны, из которых, собственно, и состоит атом, согласно Планку, обладают спином, равным ½ . В структуре атома электроны, вращаясь вокруг ядра, помимо спинового импульса, имеют еще и орбитальный угловой момент. Ядро, хоть и занимает статичное положение, тоже обладает угловым моментом, который создается эффектом ядерного спина.
Магнитное поле, которое генерирует атомный магнитный момент, определяется различными формами этого углового момента. Наиболее заметный вклад в создание вносит именно спиновой эффект. По принципу Паули, согласно которому два тождественных электрона не могут пребывать одновременно в одинаковом квантовом состоянии, связанные электроны сливаются, при этом их спиновые импульсы приобретают диаметрально противоположные проекции. В этом случае магнитный момент электрона сокращается, что уменьшает магнитные свойства всей структуры. В некоторых элементах, имеющих четное число электронов, этот момент уменьшается до нулевой отметки, и вещества перестают обладать магнитными свойствами. Таким образом, магнитный момент отдельных элементарных частиц оказывает непосредственное влияние на магнитные качества всей ядерно-атомной системы.
Ферромагнитные элементы с нечетным количеством электронов всегда будут обладать ненулевым магнетизмом за счет непарного электрона. В таких элементах соседние орбитали перекрываются, и все спиновые моменты непарных электронов принимают одинаковую ориентацию в пространстве, что приводит к достижению наименьшего энергетического состояния. Этот процесс называется обменным взаимодействием.
При таком выравнивании магнитных моментов ферромагнитных атомов возникает магнитное поле. А парамагнитные элементы, состоящие из атомов с дезориентированными магнитными моментами, не имеют собственного магнитного поля. Но если воздействовать на них внешним источником магнетизма, то магнитные моменты атомов выровняются, и эти элементы тоже приобретут магнитные свойства.
; элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток). Магнитными свойствами обладают элементарные частицы , атомные ядра , электронные оболочки атомов и молекул . Магнитный момент элементарных частиц (электронов , протонов , нейтронов и других), как показала квантовая механика , обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина .
| Магнитный момент | |
|---|---|
| m → = I S n → {\displaystyle {\vec {m}}=IS{\vec {n}}} | |
| Размерность | L 2 I |
| Единицы измерения | |
| СИ | ⋅ 2 |
| Примечания | |
| векторная величина | |
Магнитный момент измеряется в ⋅ 2 , или в Вб *м, или Дж /Тл (СИ), либо эрг /Гс (СГС), 1 эрг/Гс = 10 −3 Дж/Тл. Специфической единицей элементарного магнитного момента является магнетон Бора .
Формулы для вычисления магнитного момента
В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как
m = I S n {\displaystyle \mathbf {m} =IS\mathbf {n} } ,где I {\displaystyle I} - сила тока в контуре, S {\displaystyle S} - площадь контура, n {\displaystyle \mathbf {n} } - единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика : если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.
Для произвольного замкнутого контура магнитный момент находится из:
m = I 2 ∮ [ r , d l ] {\displaystyle \mathbf {m} ={I \over 2}\oint [\mathbf {r} ,d\mathbf {l} ]} ,где r {\displaystyle \mathbf {r} } - радиус-вектор , проведенный из начала координат до элемента длины контура d l {\displaystyle d\mathbf {l} } .
В общем случае произвольного распределения токов в среде:
m = 1 2 ∫ V [ r , j ] d V {\displaystyle \mathbf {m} ={1 \over 2}\int \limits _{V}[\mathbf {r} ,\mathbf {j} ]dV} ,где j {\displaystyle \mathbf {j} } -
38.Магнитный момент. Силы, действующие на магнитный момент и его энергия в магнитном поле.
Магнитный момент элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов и других), как показала квантовая механика, обусловлен существованием у них собственного механического момента - спина.
Магнитный момент измеряется в А⋅м 2 или Дж/Тл (СИ).
В случае плоского контура с электрическим током магнитный момент вычисляется как , где I - сила тока в контуре, S - площадь контура, - единичный вектор нормали к плоскости контура. Направление магнитного момента обычно находится по правилу буравчика: если вращать ручку буравчика в направлении тока, то направление магнитного момента будет совпадать с направлением поступательного движения буравчика.
Для произвольного замкнутого контура магнитный момент находится из:
где - радиус-вектор проведенный из начала координат до элемента длины контура
В общем случае произвольного распределения токов в среде:
,
где - плотность тока в элементе объёма dV .
орбитальным магнитным моментом (см. (109.2)) p m =IS n , модуль которого (131.1)
где I = e - сила тока, - частота вращения электрона по орбите, S - площадь орбиты. Если электрон движется по часовой стрелке то ток направлен против часовой стрелки и вектор р m (в соответствии с правилом правого винта) направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона.
Таким образом, общий магнитный момент атома (молекулы) p a равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:
39. Работа по перемещению проводника и контура с током в магнитном поле.
Сила, направление которой определяется по правилу левой руки, а значение - по закону Ампера (см. (111.2)), равна
Под действием этой силы проводник переместится параллельно самому себе на отрезок dx из положения 1 в положение 2. Работа, совершаемая магнитным полем, равнатак как l dx = dS - площадь, пересекаемая проводником при его перемещении в магнитном поле, B dS= dФ - поток вектора магнитной индукции, пронизывающий эту площадь. Таким образом,
т. е. работа по перемещению проводника с током в магнитном поле равна произведению силы тока на магнитный поток, пересеченный движущимся проводником. Полученная формула справедлива и для произвольного направления вектора В .
работу, совершаемую силами Ампера, при конечном произвольном.перемещении контура в магнитном поле:(121.6) т. е. работа по перемещению замкнутого контура с током в магнитном поле равна произведению силы тока в контуре на изменение магнитного потока, сцепленного с контуром. Формула (121.6) остается справедливой для контура любой формы в произвольном магнитном поле.
40.Движение заряженных частиц в электрическом и магнитном поле.Эффект Холла.
Для вывода общих закономерностей будем считать, что магнитное поле однородно и на частицы электрические поля не действуют. Если заряженная частица движется в магнитном поле со скоростью v вдоль линий магнитной индукции, то угол между векторами v и В равен 0 или . частица будет двигаться по окружности, радиус r которой определяется из условия QvB = mv 2 / r откуда (115.1)
Период вращения частицы, т. е. время Т, за которое она совершает один полный оборот,
Подставив сюда выражение (115.1),получим (115.2)
т. е. период вращения частицы в однородном магнитном поле определяется только величиной, обратной удельному заряду (Q / m ) частицы, и магнитной индукцией поля, но не зависит от ее скорости (при v << c ). На этом основано действие циклических ускорителей заряженных частиц.
Если скорость v заряженной частицы направлена под углом к вектору В . Шаг винтовой линии
Подставив в последнее выражение (115.2), получим
Направление, в котором закручивается спираль, зависит от знака заряда частицы.
Эффект Холла (1879) - это возникновение в металле (или полупроводнике) с током плотностью j , помещенном в магнитное поле В , электрического поля в направлении, перпендикулярном В и j .
где а - ширина пластинки, - поперечная (холловская) разность потенциалов.
Учитывая, что сила тока I = jS = nevS (S - площадь поперечного сечения пластинки толщиной d , п - концентрация электронов, v - средняя скорость упорядоченного движения электронов), получим
R = 1/ (en ) - постоянная Холла , зависящая от вещества. По измеренному значению постоянной Холла можно: 1) определить концентрацию носителей тока в проводнике (при известных характере проводимости и заряда носителей); 2) судить о природе проводимости полупроводников (см. § 242, 243), так как знак постоянной Холла совпадает со знаком заряда е носителей тока. Эффект Холла поэтому - наиболее эффективный метод изучения энергетического спектра носителей тока в металлах и полупроводниках.
Опыт показывает, что все вещества являются магнетиками, т.е. способны под действием внешнего магнитного поля создавать собственное, внутреннее магнитное поле (приобретать собственный магнитный момент, намагничиваться).
Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах веществ циркулируют круговые молекулярные токи. Каждый такой микроток I i имеет собственный магнитный момент и создает в окружающем пространстве магнитное поле (рис.1). В отсутствии внешнего поля молекулярные токи и связанные с ними ориентированы беспорядочно, поэтому результирующее поле внутри вещества и суммарный момент всего вещества равны нулю. При помещении вещества во внешнее магнитное поле магнитные моменты молекул приобретают преимущественно ориентацию в одном направлении, суммарный магнитный момент становится отличным от нуля, магнетик намагничивается. Магнитные поля отдельных молекулярных токов уже не компенсируют друг друга и внутри магнетика возникает его собственное внутреннее поле.
Рассмотрим причину этого явления с точки зрения строения атомов на основе планетарной модели атома. Согласно Резерфорду, в центре атома располагается положительно заряженное ядро, вокруг которого по стационарным орбитам вращаются отрицательно заряженные электроны. Электрон, движущийся по круговой орбите вокруг ядра, можно рассматривать как круговой ток (микроток). Поскольку за направление тока условно принято направление движения положительных зарядов, а заряд электрона отрицательный, направление микротока противоположно направлению движения электрона (рис.2).
Величину микротока I e можно определить следующим образом. Если за время t электрон совершил N оборотов вокруг ядра, то через площадку, расположенную в любом месте на пути электрона, был перенесен заряд - заряд электрона).
Согласно определению силы тока,
где частота вращения электрона.
Если ток I течет по замкнутому контуру, то такой контур обладает магнитным моментом, модуль которого равен
где S - площадь, ограниченная контуром.
Для микротока такой площадью является площадь орбиты S = p r 2
(r - радиус орбиты), а его магнитный момент равен
где w = 2pn - циклическая частота, - линейная скорость электрона.
Момент обусловлен движением электрона по орбите, поэтому называется орбитальным магнитным моментом электрона.
Магнитный момент p m , которым обладает электрон вследствие своего движения по орбите, называется орбитальным магнитным моментом электрона.
Направление вектора образует с направлением микротока правовинтовую систему.
Как всякая материальная точка, движущаяся по окружности, электрон обладает моментом импульса:
Момент импульса L, которым обладает электрон вследствие своего движения по орбите, называется орбитальным механическим моментом. Он образует правовинтовую систему с направлением движения электрона. Как видно из рис.2, направления векторов и противоположны.
Оказалось, что, кроме орбитальных моментов (т.е. обусловленных движением по орбите), электрон обладает собственными механическим и магнитным моментами.
Первоначально существование и пытались объяснить, рассматривая электрон как шарик, вращающийся вокруг своей собственной оси, поэтому собственный механический момент импульса электрона получил название спин (от англ. spin - вращаться). В дальнейшем обнаружилось, что такое представление приводит к ряду противоречий и от гипотезы о «вращающемся» электроне отказались.
В настоящее время установлено, что спин электрона и связанный с ним собственный (спиновый) магнитный момент являются неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе.
Магнитный момент электрона в атоме складывается из орбитального и спинового моментов:
Магнитный момент атома слагается из магнитных моментов входящих в его состав электронов (магнитным моментом ядра ввиду его малости пренебрегают):
.
Намагничение вещества.
Атом в магнитном поле. Диа- и парамагнитный эффекты.
Рассмотрим механизм действия внешнего магнитного поля на движущиеся в атоме электроны, т.е. на микротоки.
Как известно, при помещении контура с током в магнитное поле с индукцией возникает вращающий момент сил
под действием которого контур ориентируется таким образом, что плоскость контура располагается перпендикулярно, а магнитный момент - вдоль направления вектора (рис.3).
Аналогично ведет себя электронный микроток. Однако ориентация орбитального микротока в магнитном поле происходит не совсем так, как контура с током. Дело в том, что электрон, движущийся вокруг ядра и обладающий моментом импульса, подобен волчку, следовательно, ему присущи все особенности поведения гироскопов под действием внешних сил, в частности, гироскопический эффект. Поэтому, когда при помещении атома в магнитное поле на орбитальный микроток начинает действовать вращающий момент стремящийся установить орбитальный магнитный момент электрона вдоль направления поля, возникает прецессия векторов и вокруг направления вектора (вследствие гироскопического эффекта). Частота этой прецессии
называется ларморовой частотой и одинакова для всех электронов атома.
Таким образом, при помещении любого вещества в магнитное поле каждый электрон атома за счет прецессии своей орбиты вокруг направления внешнего поля порождает дополнительное индуцированное магнитное поле, направленное против внешнего и ослабляющее его. Поскольку индуцированные магнитные моменты всех электронов направлены одинаково (противоположно вектору ), суммарный индуцированный момент атома также направлен против внешнего поля.
Явление возникновения в магнетиках индуцированного магнитного поля (вызванного прецессией электронных орбит во внешнем магнитном поле), направленного противоположно внешнему полю и ослабляющему его, называется диамагнитным эффектом. Диамагнетизм присущ всем веществам природы.
Диамагнитный эффект приводит к ослаблению внешнего магнитного поля в магнетиках.
Однако, возможно возникновение и еще одного эффекта, называемого парамагнитным. В отсутствии магнитного поля магнитные моменты атомов вследствие теплового движения ориентированы беспорядочно и результирующий магнитный момент вещества равен нулю (рис.4,а).
При внесении такого вещества в однородное магнитное поле с индукцией поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль ,поэтому векторы магнитных моментов атомов (молекул) прецессируют вокруг направления вектора . Тепловое движение и взаимные столкновения атомов приводят к постепенному затуханию прецессии и уменьшении углов между направлениями векторов магнитных моментов и вектора .Совместное действие магнитного поля и теплового движения приводит к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов вдоль поля
(рис.4, б), тем большей, чем больше и тем меньшей, чем выше температура. В результате суммарный магнитный момент всех атомов вещества станет отличным от нуля, вещество намагнитится, в нем возникает собственное внутреннее магнитное поле, сонаправленное с внешним полем и усиливающее его.
Явление возникновения в магнетиках собственного магнитного поля, вызванного ориентацией магнитных моментов атомов вдоль направления внешнего поля и усиливающего его, называется парамагнитным эффектом.
Парамагнитный эффект приводит к усилению внешнего магнитного поля в магнетиках.
При помещении любого вещества во внешнее магнитное поле оно намагничивается, т.е. приобретает магнитный момент за счет диа- или парамагнитного эффекта, в самом веществе возникает его собственное внутреннее магнитное поле (поле микротоков) с индукцией .
Для количественного описания намагничения вещества вводят понятие намагниченности.
Намагниченность магнетика - это векторная физическая величина, равная суммарному магнитному моменту единицы объема магнетика:
В СИ намагниченность измеряется в A/м.
Намагниченность зависит от магнитных свойств вещества, величины внешнего поля и температуры. Очевидно, что намагниченность магнетика связана с индукцией .
Как показывает опыт, для большинства веществ и не в очень сильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности внешнего поля, вызывающего намагничение:
где c - магнитная восприимчивость вещества, безразмерная величина.
Чем больше величина c, тем более намагниченным оказывается вещество при заданном внешнем поле.
Можно доказать, что
Магнитное поле в веществе является векторной суммой двух полей: внешнего магнитного поля и внутреннего, или собственного магнитного поля, создаваемого микротоками. Вектор магнитной индукции магнитного поля в веществе характеризует результирующее магнитное поле и равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего и внутреннего магнитных полей:
Относительная магнитная проницаемость вещества показывает, во сколько раз индукция магнитного поля изменяется в данном веществе.
Что именно происходит с магнитным полем в данном конкретном веществе - усиливается оно или ослабляется - зависит от величины магнитного момента атома (или молекулы) данного вещества.
Диа- и парамагнетики. Ферромагнетики.
Магнетиками называются вещества, способные во внешнем магнитном поле приобретать магнитные свойства, - намагничиваться, т.е. создавать собственное внутреннее магнитное поле.
Как уже говорилось, все вещества являются магнетиками, так как их собственное внутреннее магнитное поле определяется векторным суммированием микрополей , порождаемых каждым электроном каждого атома:
Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов данного вещества. По своим магнитным свойствам магнетики подразделяются на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Рассмотрим последовательно эти классы веществ.
Мы выяснили, что при помещении вещества в магнитное поле могут возникнуть два эффекта:
1. Парамагнитный, приводящий к усилению магнитного поля в магнетике вследствие ориентации магнитных моментов атомов вдоль направления внешнего поля.
2. Диамагнитный, приводящий к ослаблению поля вследствие прецессии электронных орбит во внешнем поле.
Как определить, какой из этих эффектов возникнет (или оба одновременно), какой из них оказывается сильнее, что происходит в конечном итоге с магнитным полем в данном веществе - усиливается оно или ослабляется?
Как нам уже известно, магнитные свойства вещества определяются магнитными моментами его атомов, а магнитный момент атома слагается из орбитальных и собственных спиновых магнитных моментов, входящих в его состав электронов:
.
У атомов некоторых веществ векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов равна нулю, т.е. магнитный момент всего атома равен нулю, При помещении таких веществ в магнитное поле парамагнитный эффект, естественно, возникнуть не может, так как он возникает только за счет ориентации магнитных моментов атомов в магнитном поле, здесь же их нет.
А вот прецессия электронных орбит во внешнем поле, обуславливающая диамагнитный эффект, возникает всегда, поэтому диамагнитный эффект возникает у всех веществ при помещении их в магнитное поле.
Таким образом, если магнитный момент атома (молекулы) вещества равен нулю (за счет взаимной компенсации магнитных моментов электронов), то при помещении такого вещества в магнитное поле в нем будет возникать только диамагнитный эффект. При этом собственное магнитное поле магнетика направлено противоположно внешнему полю и ослабляет его. Такие вещества называют диамагнетиками.
Диамагнетиками называются вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов равны нулю.
Диамагнетики во внешнем магнитном поле намагничиваются против направления внешнего поля и ослабляют его, поэтому
B = B 0 - B¢, m < 1.
Ослабление поля в диамагнетике очень незначительно. Например, для одного из наиболее сильных диамагнетиков, висмута, m » 0,99998.
Диамагнетиками являются многие металлы (серебро, золото, медь), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.
Если в отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент атомов вещества отличен от нуля, при помещении такого вещества в магнитное поле в нем будут возникать и диамагнитный, и парамагнитный эффекты, однако диамагнитный эффект всегда значительно слабее парамагнитного и на его фоне практически незаметен. Собственное магнитное поле магнетика будет сонаправлено с внешним полем и усиливает его. Такие вещества называются парамагнетиками. Парамагнетики - это вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов отличны от нуля.
Парамагнетики во внешнем магнитном поле намагничиваются по направлению внешнего поля и усиливают его. Для них
B = B 0 +B¢, m > 1.
Магнитная проницаемость для большинства парамагнетиков немного больше единицы.
К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, платина, алюминий и т.д.
Если диамагнитный эффект, B = B 0 -B¢, m < 1.
Если диа- и парамагнитный эффекты, B = B 0 +B¢, m > 1.
Ферромагнетики.
Все диа- и парамегнетики - это вещества, намагничивающиеся весьма слабо, их магнитная проницаемость близка к единице и не зависит от напряженности магнитного поля Н. Наряду с диа- и парамагнетиками имеются вещества, способные сильно намагничиваться. Они называются ферромагнетиками.
Ферромагнетики или ферромагнитные материалы получили свое название от латинского наименования основного представителя этих веществ - железа (ferrum). К ферромагнетикам, кроме железа, относятся кобальт, никель гадолиний, многие сплавы и химические соединения. Ферромагнетики - это вещества, способные очень сильно намагничиваться, в которых внутреннее (собственное) магнитное поле может в сотни и тысячи раз превышать вызвавшее его внешнее магнитное поле.
Свойства ферромагнетиков
1. Способность сильно намагничиваться.
Значение относительной магнитной проницаемости m в некоторых ферромагнетиках достигает величины 10 6 .
2. Магнитное насыщение.
На рис. 5 приведена экспериментальная зависимость намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля . Как видно из рисунка, с некоторого значения Н численное значение намагниченности ферромагнетиков практически остается постоянным и равным J нас. Это явление было открыто русским ученым А.Г. Столетовым и названо магнитным насыщением.
 |
3.Нелинейные зависимости B(H) и m(H).
С ростом напряженности индукция сначала увеличивается, но по мере намагничения магнетика ее нарастание замедляется, и в сильных полях растет с увеличением по линейному закону (рис.6).
Вследствие нелинейной зависимости B(H),
т.е. магнитная проницаемость m сложным образом зависит от напряженности магнитного поля (рис.7). Вначале, с увеличением напряженности поля m возрастает от начального значения до некоторой максимальной величины, а затем уменьшается и асимптотически стремится у единице.
4. Магнитный гистерезис.
Другой отличительной особенностью ферромагнетиков является их
способность сохранять намагничение после снятия намагничивающего поля. При изменении напряженности внешнего магнитного поля от нуля в сторону положительных значений индукция возрастает (рис.8, участок
При уменьшении до нуля магнитная индукция запаздывает в уменьшении и при значении , равным нулю, оказывается равной (остаточная индукция), т.е. при снятии внешнего поля ферромагнетик остается намагниченным и представляет собой постоянный магнит. Для полного размагничивания образца необходимо приложить магнитное поле обратного направления - . Величина напряженности магнитного поля ,
которую надо приложить к ферромагнетику для его полного размагничивания, называется коэрцитивной силой
.
Явление отставания изменения магнитной индукции в ферромагнетике от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничивающего поля называется магнитным гистерезисом.
При этом зависимость от будет изображаться петлеобразной кривой, носящей название петли гистерезиса, изображенной на рис.8.
В зависимости от формы петли гистерезиса различают магнитожесткие и магнитомягкие ферромагнетики. Жесткими ферромагнетиками называют вещества с большим остаточным намагничением и большой коэрцитивной силой, т.е. с широкой петлей гистерезиса. Они применяются для изготовления постоянных магнитов (углеродистые, вольфрамовые, хромовые, аллюминиево-никелевые и другие стали).
Мягкими ферромагнетиками называются вещества с малой коэрцитивной силой, которые очень легко перемагничиваются, с узкой петлей гистерезиса. (Чтобы получить эти свойства, специально создано так называемое трансформаторное железо, сплав железа с небольшой примесью кремния). Область их применения - изготовление сердечников трансформаторов; к ним относятся мягкое железо, сплавы железа с никелем (пермаллой, супермаллой).
5. Наличие температуры (точки) Кюри.
Точка Кюри - это характерная для данного ферромагнетика температура, при которой полностью исчезают ферромагнитные свойства.
При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. При охлаждении ниже точки Кюри он восстанавливает свои ферромагнитные свойства. Для различных веществ эта температура различна (для Fe - 770 0 C, для Ni - 260 0 C).
6. Магнитострикция - явление деформации ферромагнетиков при намагничивании. Величина и знак магнитострикции зависят от напряженности намагничивающего поля и природы ферромагнетика. Это явление широко используют для устройства мощных излучателей ультразвука, применяемых в гидролокации, звукоподводной связи, навигации и т.д.
У ферромагнетиков наблюдается и обратное явление - изменение намагниченности при деформации. Сплавы со значительной магнитострикцией применяются в приборах, служащих для измерения давления и деформаций.
Природа ферромагнетизма
Описательная теория ферромагнетизма была предложена французским физиком П. Вейссом в 1907 году, а последовательная количественная теория на основе квантовой механики разработана советским физиком Я. Френкелем и немецким физиком В. Гейзенбергом (1928 год).
Согласно современным представлениям, магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами (спинами) электронов; ферромагнетиками могут быть только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недостроенные внутренние электронные оболочки с некомпенсированными спинами. При этом возникают силы, вынуждающие спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу. Эти силы называются силами обменного взаимодействия, они имеют квантовую природу и обусловлены волновыми свойствами электронов.
Под действием этих сил в отсутствии внешнего поля ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей - доменов, размеры которых порядка 10 -2 - 10 -4 cм. Внутри каждого домена спины электронов сориентированы параллельно друг другу, так что весь домен намагничен до насыщения, но направления намагничивания в отдельных доменах различны, так что полный (суммарный) магнитный момент всего ферромагнетика равен нулю. Как известно, любая система стремится находиться в состоянии, при котором ее энергия минимальна. Разбиение ферромагнетика на домены происходит потому, что при образовании доменной структуры энергия ферромагнетика уменьшается. Точка Кюри оказывается той температурой, при которой происходит разрушение доменов, и ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.
Существование доменной структуры ферромагнетиков доказано экспериментально. Прямым экспериментальным методом их наблюдения является метод порошковых фигур. Если на тщательно отполированную поверхность ферромагнетика нанести водную суспензию мелкого ферромагнитного порошка (например, магнетика), то частицы оседают преимущественно в местах максимальной неоднородности магнитного поля, т.е. на границах между доменами. Поэтому осевший порошок очерчивает границы доменов, и подобную картину можно сфотографировать под микроскопом.
| |
| |
|
 |
- намагничен-ность всего магне-тика в состоянии насыщения
|
Поскольку, как известно, всякая система стремится к минимуму энергии, возникает процесс смещения границ доменов, при котором объем доменов с меньшей энергией возрастает, а с большей энергией уменьшается (рис.9, б). В случае очень слабых полей эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменениями поля (если поле выключить, намагниченность снова будет равна нулю). Этот процесс соответствует участку кривой В(Н) (рис.10). При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми.
При достаточной величине намагничивающего поля энергетически невыгодные домены исчезают (рис.9, в, участок рис.7). Если поле увеличивается еще больше, происходит доворачивание магнитных моментов доменов по полю, так что весь образец превращается в один большой домен (рис.9, г, участок рис.10).
Многочисленные интересные и ценные свойства ферромагнетиков позволяют широко использовать их в различных областях науки и техники: для изготовления сердечников трансформаторов и электро-механических излучателей ультразвука, в качестве постоянных магнитов и т.п. Ферромагнитные материалы находят применения в военном деле: в различных электро- и радиоустройствах; как источники ультразвука - в гидролокации, навигации, звукоподводной связи; как постоянные магниты - при создании магнитных мин и для магнитометрической разведки. Магнитометрическая разведка позволяет обнаруживать и опознавать объекты, содержащие ферромагнитные материалы; используется в системе борьбы с подводными лодками и морскими минами.
Кикоин А.К. Магнитный момент тока //Квант. - 1986. - № 3. - С. 22-23.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Из курса физики девятого класса («Физика 9», § 88) известно, что на прямолинейный проводник длиной l с током I , если он помещен в однородное магнитное поле с индукцией \(~\vec B\), действует сила \(~\vec F\), равная по модулю
\(~F = BIl \sin \alpha\) ,
где α - угол между направлением тока и вектором магнитной индукции. Направлена эта сила перпендикулярно и полю, и току (по правилу левой руки).
Прямолинейный проводник - это только часть электрической цепи, поскольку электрический ток всегда замкнут. А как магнитное поле действует на замкнутый ток, точнее - на замкнутый контур с током?
На рисунке 1 в качестве примера показан контур в форме прямоугольной рамки со сторонами a и b , по которой в указанном стрелками направлении течет ток I .
Рамка помещена в однородное магнитное поле с индукцией \(~\vec B\) так, что в начальный момент вектор \(~\vec B\) лежит в плоскости рамки и параллелен двум ее сторонам. Рассматривая каждую из сторон рамки по отдельности, мы найдем, что на боковые стороны (длиной а ) действуют силы, равные по модулю F = BIa и направленные в противоположные стороны. На две другие стороны силы не действуют (для них sin α = 0). Каждая из сил F относительно оси, проходящей через середины верхней и нижней сторон рамки, создает момент силы (вращающий момент), равный \(~\frac{BIab}{2}\) (\(~\frac{b}{2}\) - плечо силы). Знаки моментов одинаковы (обе силы поворачивают рамку в одну сторону), так что общий вращающий момент М равен BIab , или, поскольку произведение ab равно площади S рамки,
\(~M = BIab = BIS\) .
Под действием этого момента рамка начнет поворачиваться (если смотреть сверху, то по часовой стрелке) и будет поворачиваться до тех пор, пока не станет своей плоскостью перпендикулярно вектору индукции \(~\vec B\) (рис. 2).
В этом положении сумма сил и сумма моментов сил равны нулю, и рамка находится в состоянии устойчивого равновесия. (На самом деле рамка остановится не сразу - в течение некоторого времени она будет совершать колебания около своего положения равновесия.)
Нетрудно показать (сделайте это самостоятельно), что в любом промежуточном положении, когда нормаль к плоскости контура составляет произвольный угол β с индукцией магнитного поля, вращающий момент равен
\(~M = BIS \sin \beta\) .
Из этого выражения видно, что при данном значении индукции поля и при определенном положении контура с током вращающий момент зависит только от произведения площади контура S на силу тока I в нем. Величину IS и называют магнитным моментом контура с током. Говоря точнее, IS - это модуль вектора магнитного момента. А направлен этот вектор перпендикулярно плоскости контура и притом так, что если мысленно вращать буравчик в направлении тока в контуре, то направление поступательного движения буравчика укажет направление магнитного момента. Например, магнитный момент контура, показанного на рисунках 1 и 2, направлен от нас за плоскость страницы. Измеряется магнитный момент в А·м 2 .
Теперь мы можем сказать, что контур с током в однородном магнитном поле устанавливается так, чтобы его магнитный момент «смотрел» в сторону того поля, которое вызвало его поворот.
Известно, что не только контуры с током обладают свойством создавать собственное магнитное поле и поворачиваться во внешнем поле. Такие же свойства наблюдаются и у намагниченного стержня, например у стрелки компаса.
Еще в 1820 году замечательный французский физик Ампер высказал идею о том, что сходство поведения магнита и контура с током объясняется тем, что в частицах магнита существуют замкнутые токи. Теперь известно, что в атомах и молекулах действительно есть мельчайшие электрические токи, связанные с движением электронов по своим орбитам вокруг ядер. Из-за этого атомы и молекулы многих веществ, например парамагнетиков, обладают магнитными моментами. Поворот этих моментов во внешнем магнитном поле и приводит к намагничиванию парамагнитных веществ.
Выяснилось и другое. Все частицы, входящие в состав атома, обладают также магнитными моментами, вовсе не связанными с какими-либо движениями зарядов, то есть с токами. Для них магнитный момент является таким же «врожденным» качеством, как заряд, масса и т. п. Магнитным моментом обладает даже частица, не имеющая электрического заряда,- нейтрон, составная часть атомных ядер. Магнитным моментом обладают поэтому и атомные ядра.
Таким образом, магнитный момент - одно из самых важных понятий в физике.