Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики
Мы помогаем студентам с дипломными, курсовыми, контрольными Узнать стоимость

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

    Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

    Что такое диамагнетики

    Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

    Определение 1

    Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

    Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.

    Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

    Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

    Диамагнетики бывают следующих видов:

    • классические;
    • аномальные;
    • сверхпроводники.

    Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H.

    Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

    Рисунок 1

    Что такое парамагнетики

    Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

    Если направления векторов B и pm совпадут, то величина энергии будет минимальной.

    Определение 2

    Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

    Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

    Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

    В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше. 

    Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

    • нормальные;
    • парамагнитные металлы;
    • антиферромагнетики.

    Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ10-6.

    Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M.

    Данный момент стремится к смене угла между pm и B.

    Определение 3

    При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.

    Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

    Рисунок 2

    Что такое ферромагнетики

    В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

    Определение 4

    Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

    Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

    Рисунок 3

    Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

    В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.

    Пример 1

    Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

    Решение

    Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

    B=J+μ0H.

    Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

    Рисунок 4

    Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

    Пример 2

    Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).

    Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.

    Решение

    Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

    ρmBkT,β1.

    Значит, если β1cthβ=1β+β3-β345+..., можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

    ρmBkT,β1.

    Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

    ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.

    Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:

    ρmz=ρm2μ0H3kT.

    В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

    J=nρmz=ρm2μ0H3kTn.

    Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:

    χ=ρm2м0n3kT.

    Ответ: χ=ρm2м0n3kT.

    Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter
    Средняя оценка статьи
    4,0 из 5 (6 голосов)