Какова природа диамагнетизма парамагнетизма и ферромагнетизма

Физическая природа диа- и парамагнетизма

Из них следует аналогия между векторами — электрического смещения (электрической индукции) и — магнитной индукции, а также между векторами напряженностей полей и .

Но силовыми характеристиками полей являются только и . Введение остальных двух векторов позволяет записывать уравнения в симметричном виде.

Экспериментальные данные свидетельствуют о том, что все магнетики можно (условно) разделить на три группы.

1) Диамагнетики– это магнетики, у которых магнитная восприимчивость cпринимает отрицательные значения, но при этом выполняется соотношение .

Так как , откуда , то у диамагнетиков вектор намагниченности направлен против вектора индукции магнитного поля.

Диамагнетики выталкиваются из области сильного магнитного поля.

2) Парамагнетики – магнетики, у которых магнитная восприимчивость положительна, но не принимает больших значений. Вектор намагниченности сонаправлен с вектором индукции.

3) Ферромагнетики – вещества, магнитная проницаемость которых достигает больших значений (тысячи и более). Намагниченность ферромагнетиков зависит от их предыдущего состояния (гистерезис).

Согласно гипотезе Ампера магнитные свойства вещества обусловлены микроскопическими токами, циркулирующими внутри вещества. По классическим представлениям эти токи создаются движущимися зарядами в атомах. Классическое рассмотрение позволяет качественно объяснить магнитные свойства вещества без значительного усложнения модели, поэтому будем считать, что точечный отрицательно заряженный электрон движется по круговой орбите вокруг ядра. Это приводит к появлению кругового тока, положительное направление которого противоположно направлению движения электрона. В магнитном поле магнитные моменты микроскопических токов ориентируются преимущественно вдоль силовой линии магнитного поля. На магнитный момент микроскопических токов в магнитном поле действует момент сил, поэтому орбита электрона начнет прецессировать, и появится дополнительный вектор магнитного момента , направленный против вектора индукции .

Таким образом, при внесении атома в магнитного поле у атома появится дополнительный магнитный момент.

Если в отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент атома (сумма момента электронов и ядра) был нулевым, то после внесения в магнитное поле появившийся магнитный момент будет направлен против вектора индукции внешнего поля. Следовательно, и вектор намагниченности малого объёма – тоже. Такие вещества относятся к классу диамагнетиков.

Если в отсутствии магнитного поля суммарный магнитный момент атома был ненулевым, то после внесения в магнитное поле суммарный момент ориентируется вдоль силовой линии внешнего поля. Следовательно, вектор намагниченности будет направлен по вектору индукции. Такие вещества относятся к классу парамагнетиков. Для парамагнетиков магнитная восприимчивость зависит от температуры по закону Кюри:

где С – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, Т – температура.

Ферромагнетики – вещества, способные обладать намагниченностью в отсутствии внешнего магнитного поля. Типичный представитель – железо (а также никель, кобальт и сплавы на их основе). Величина намагниченности ферромагнетиков значительно превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков.

У ферромагнетиков состояние намагниченности зависит от предыдущего состояния. Это явление называется магнитнымгистерезисом (от греческого слова, означающего «отстающий»).

При магнитном гистерезисевектор намагничивания и вектор напряженности магнитного поля в веществе зависят не только от приложенного внешнего поля, но и от предыстории данного образца. Именно магнитным гистерезисом объясняется существование постоянных магнитов.

Пусть начальное намагничивание в ферромагнетике отсутствовало. Тогда при увеличении напряженности магнитного поля намагниченность начинает нелинейно возрастать до некоторой величины – значения насыщения намагниченности.

Следовательно, магнитная восприимчивость для ферромагнетиков зависит от величины напряжённости . При увеличении Н величина c стремится к нулю.

Суммарная индукция в веществе тоже будет нелинейно зависеть от напряженности до тех пор, пока у намагниченности не наступит насыщение.

Рассмотрим процесс, в котором напряженность магнитного поля циклически изменяется. Если сначала намагничивания не было, то величина индукции поля увеличивается, например, до точки 1 по основной кривой намагничивания. Далее, при уменьшении напряжённости зависимость B(H) изображается кривой 1-2-3-4. Точке 2 соответствует нулевая напряжённость внешнего магнитного поля, но при этом у вещества наблюдается остаточное магнитное поле, величина индукции которого ВОСТ. Образец магнетика становится постоянным магнитом.

Для размагничивания образца потребуется создать магнитное поле (точка 3), вектор напряженности которого направлен в противоположном направлении вектору в состоянии 1. Величина такой напряженности называется коэрцитивной силой НС. При дальнейшем увеличении напряженности индукция нелинейно возрастает до выхода на кривую насыщения (точка 4). Уменьшение напряженности приводит к зависимости В(Н), соответствующей участку кривой 4-5-6-1.

Таким образом, намагничивание ферромагнетика зависит от его предыдущего состояния (предыстории), поэтому зависимость В(Н) неоднозначная. Следовательно, у ферромагнетиков понятие магнитной проницаемости относится только к основной кривой намагничивания.

Замкнутая кривая В(Н) называется петлёй гистерезиса. Если крайние точки находятся на кривой насыщения, то петля называется предельной (максимальной).

Интеграл равен работе, затрачиваемой на перемагничивание ферромагнетика за полный цикл изменения напряженности магнитного поля.

Явление гистерезиса объясняется наличием у ферромагнетиков особых областей — доменов. В каждом домене, даже в отсутствии внешнего поля, магнитные моменты атомов ориентированы одинаково благодаря обменному взаимодействию, и наблюдается спонтанное намагничивание вещества до состояния насыщения. Размеры доменов порядка микрометра (

10 -6 м). При отсутствии намагниченности результирующие магнитные моменты каждого домена ориентированы хаотически, поэтому в целом намагниченность равна нулю. При наличии внешнего поля происходит ориентация доменов вдоль направления поля, в результате чего размеры областей спонтанного намагничивания начинают меняться – одни, направление моментов в которых совпадает с направлением поля, увеличиваются, другие уменьшаются. Этот процесс протекает необратимым образом, что является причиной гистерезиса.

Для ферромагнетиков существует температура, которая называется точкой Кюри, при которой они теряют ферромагнитные свойства и становятся парамагнетиками. Для железа ТС=1043 К, для Никеля ТС=627 К. При Т > TC магнитная восприимчивость зависит от температуры по закону Кюри-Вейса: .

Источник



Классификация твёрдых тел по их магнитным свойствам. Природа диамагнетизма. Природа парамагнетизма. Ферромагнетики. Антиферромагнетизм. Ферриты

Все существующие в природе вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на пять видов магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).

Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждая единица объёма — намагниченность M), пропорциональный магнитной индукции B и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ= M/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.

Читайте также:  Чудеса природы созданные человеком и природой

Другими словами, магнитная проницаемость μ≤ 1 и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.

К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения. Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик.

Физическая природа основана на классической модели атома, в которой считается что электроны движутся вокруг ядра по замкнутым орбиталям. Каждая электронная орбита аналогична витку с током. Согласно закону Ленца, при изменении магнитного потока, пронизывающего контур с током, в контуре возникает ЭДС индукции, в результате чего изменяется ток. Это приводит к появлению дополнительного магнитного момента, направленного так, чтобы противодействовать внешнему магнитному полю. Другими словами, индуцированный магнитный момент направлен против поля. В контуре, образуемом движущимся по орбите электроном, в отличие от обычного витка с током, сопротивление = 0. Вследствие этого индуцированный магнитным полем ток сохраняется до тех пор, пока существует поле. Магнитный момент, связанный с этим током, и есть диамагнитный момент.

Парамагнетики —вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы μ>

Парамагнетическая восприимчивость зависит от температуры: χ=С/Т (закон Кюри).

Природа парамагнетиков: каждый атом обладает определенным магнитным моментом, равным векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов. Так как орбитальные и спиновые моменты от внешнего магнитного поля не зависят, то орбитальный магнитный момента также не зависит от магнитного поля. Для некоторых атомов суммарный магнитный момент равняется нулю вследствие взаимной компенсации спиновых и орбитальных моментов. Атомарный водород (электронная конфигурация 1s1) на s-подуровне имеет всего один электрон. Поэтому для атомарного водорода спиновый момент не скомпенсирован, и он является парамагнетиком. Молекулярный водород Н2 в основном состоянии имеет два s-электрона с взаимно противоположными спинами. Суммарный спиновый, следовательно, и магнитный момент равен нулю. Поэтому, молекулярный водород является диамагнетиком. Аналогично, Li является парамагнитным и т.д.

Ферромагнетики.Для некоторых металлов, сплавов и соединений элементарные атомные магнитные моменты без внешнего магнитного поля ориентированы в одном направлении (рис.5). Такие вещества называются ферромагнетиками.

ферромагнетик — такое вещество, которое при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.

Ферромагнетиками являются Fe, Ni, Co, их сплавы, ряд других соединений. Параллельная ориентация элементарных магнитных моментов имеет место не по всему объему ферромагнетика, а только в пределах небольших, макроскопических областей. Эти области, в пределах которых элементарные моменты ориентированы в одном направлении, называются доменами. Домены можно наблюдать под микроскопом при небольшом увеличении. В пределах домена ферромагнетик намагничен до насыщения. Такое намагничивание ферромагнетика происходит самопроизвольно, спонтанно без приложения внешнего поля. Ферромагнетик разбивается на большое число доменов. Направления намагничивания отдельных доменов различны. Поэтому полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю.

Тепловое движение разрушает ферромагнитный порядок. Поэтому намагниченность ферромагнетика с повышением температуры снижается. В области низких температур намагниченность меняется слабо с изменением температуры. Но при некоторой температуре тепловое движение полностью разрушает ферромагнитный порядок, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Эта температура называется температурой Кюри (рис.7). Выше температуры Кюри ферромагнетик ведет себя как обычный парамагнетик. Наиболее быстрый спад наблюдается в области температуры Кюри ТС. В районе температуры Кюри наблюдается «хвост» на кривой I(T).

В некоторых соединениях силы обменного взаимодействия приводят к антипараллельной ориентации магнитных моментов атомов. При этом образуются две подрешетки, магнитные моменты которых направлены встречно друг другу (рис.9а). Соединения, в которых магнитные моменты обеих подрешеток одинаковы по величине и направлены встречно друг другу, называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетиками являются MnO, MnS, NiCr, Cr2O3 и другие соединения. При низких температурах суммарный магнитный момент антиферромагнетика равен нулю. При некоторой температуре антипараллельная ориентация магнитных моментов подрешеток разрушается, и антиферромагнетик превращается в парамагнетик. Это температура называется антиферромагнитной температурой Кюри или температурой Неля.

Источник

Природа диамагнетизма и парамагнетизма

Индуцированный магнитный момент во внешнем магнитном поле возникает у всех без исключения атомов. Он обусловливает возникновение намагниченности направленной навстречу магнитному полю. Поведение конкретного многоэлектронного атома зависит от строения электронных оболочек атома. В ряде атомов электроны на оболочках расположены так, что суммарный (спиновой и орбитальный) магнитный момент оказывается равным нулю. Отклик атома на внешнее поле определяется индуцированным магнитным моментом, и намагниченность в таких веществах оказывается направленной навстречу внешнему полю. Такие вещества являются диамагнетиками с отрицательной магнитной восприимчивостью.

Однако у многих атомов сумма всех магнитных моментов в отсутствие поля не равна нулю. Во внешнем поле происходят два процесса:

1.вещество приобретает намагниченность, направленную навстречу внешнему полю, обусловленную возникновению у атомов индуцированного магнитного момента;

2.вещество приобретает намагниченность, направленную вдоль направления внешнего поля, за счет ориентации в пространстве магнитных моментов, присущих каждому атому в силу их внутренней природы.

В атомах парамагнетиков превалирует второй процесс и результирующая намагниченность оказывается направленной по внешнему полю, а магнитная восприимчивость – положительной.

19.10. Ферромагнетизм: основные особенности, параметры, области использования

Ферромагнетиками называют особый класс веществ, отличающихся не только очень большой магнитной восприимчивостью (о чем мы уже говорили), но и рядом других особенностей.

Первой из них является нелинейный характер зависимости намагниченности от напряженности внешнего магнитного поля.

В обычных парамагнетиках (и диамагнетиках по сути дела тоже) в соотношении (19.17) магнитная восприимчивость является константой при весьма больших изменениях напряженности магнитного поля . Поэтому график зависимости имеет вид, показанный на рисунке 19.5а.

Аналогичный график для ферромагнетика показан на рисунке 19.5б. Отметим, что в силу большой восприимчивости ферромагнетиков, на одном графике изобразить обе зависимости практически невозможно. Поэтому график в нижней части рисунка (для парамагнетика) должен практически слиться с осью абсцисс.

Показанный на рисунке 19.5б график, на котором в исходном состоянии ферромагнетик не имеет намагниченности называется основной кривой намагничения.

Второй особенностью является наличие гистерезисана зависимости . Гистерезисом (дословный перевод — запаздывание) называют отставание изменения от изменения (рисунок 19.65). Если при намагничивании достигнуто насыщение зависимости , то при последующем уменьшении внешнего поля уменьшение намагниченности происходит медленнее по сравнению с изменением напряженности поля при ее нарастании. (Насыщением называется такой характер зависимости некоторой величины, при котором дальней шее увеличение абсциссы не вызывает изменения ординаты). При обращении внешнего поля в ноль, ферромагнетик остается намагниченным. Его намагниченность в этом случае называется остаточной. Для ее удаления ферромагнетик необходимо поместить в поле с противоположной ориентацией. Величина поля, обращающая остаточную намагниченность в ноль, называется коэрцитивной силой. При увеличении поля противоположного направления намагниченность достигает насыщения, и при уменьшении поля ферромагнетик остается намагниченным в соответствии с его направлением при достижении насыщения.

Читайте также:  Примеры пространства в неорганической природе

В переменном поле зависимость следует пунктирной кривой, которую называют петлей гистерезиса. В зависимости от величины коэрцитивной силы, которая отражается на петле гистерезиса ее шириной, ферромагнетики делят жесткие – с широкой петлей гистерезиса, т.е. с большой коэрцитивной силой (а), и мягкие, с узкой петлей и небольшой коэрцитивной силой (б). Предельным выражением жестких ферромагнетиков являются ферромагнетики с прямоугольной петлей гистерезиса (в).

Форма петли гистерезиса во многом определяет область применения данного ферромагнетика. Жесткие ферромагнетики устойчивы к влиянию внешних полей, и их используют для создания постоянных магнитов и магнитной памяти. Мягкие – в устройствах, работающих в переменных полях, например, трансформаторах. Следует иметь в виду, что площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии, выделяющейся в ферромагнетике за один цикл перемагничивания. Поэтому в переменном поле жесткий ферромагнетик будет интенсивно разогреваться.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от величины внешнего поля и достигает максимального значения вблизи насыщения. Максимальное значение магнитной проницаемости, остаточная намагниченность и величина коэрцитивной силы являются основными параметрами ферромагнетика. Именно эти величины определяют качество ферромагнетика и область его использования.

Источник

Парамагнетизм и диамагнетизм

Рассмотрите природу и действие парамагнетизма и диамагнетизма: силы притягивания и отталкивания в магнитном поле, определения, примеры, магнитная сила.

Парамагнетизм – притягивание материала в магнитном поле, а диамагнетизм – отталкивание.

Задача обучения

  • Охарактеризовать диамагнитные и парамагнитные материалы.

Основные пункты

  • Парамагнетики функционируют как магниты при наличии внешнего магнитного поля.
  • Диамагнетики создают магнитное поле, противоположное внешнему, поэтому отталкивают магниты.
  • Все материалы обладают диамагнетизмом, который слабо влияет на реакцию материала в магнитном поле.

Термины

  • Ферромагнетизм – явление, когда вещества способны трансформироваться в постоянные магниты из-за влияния магнитного поля.
  • Парамагнетизм – стремление магнитных диполей выровняться с внешним магнитным полем. Подобные материалы становятся временными магнитами.
  • Диамагнетизм – слабая форма магнетизма, присутствующая только при наличии внешнего магнитного поля.

Парамагнетизм

Парамагнетизма — форма магнетизма, где материал будет притягиваться только, если есть внешнее магнитное поле. В парамагнитных материалах есть относительная магнитная проницаемость, больше или равная 1. Созданный магнитный момент выступает линейным и также слаб.

Атомы и молекулы обладают постоянными магнитными моментами (диполи) даже, если приложенное поле отсутствует. Обычно постоянный момент гарантируется вращением неспаренных электронов на атомных и молекулярных электронных орбиталях.

В условиях чистого парамагнетизма диполи не контактируют и ориентируются беспорядочно при термическом возбуждении, если нет внешнего поля. То есть, чистый магнитный момент приближается к нулю. Когда же магнитное поле активировано, то диполи стараются выровняться и формируют чистый магнитный момент в сторону приложенного поля.

Парамагнитные материалы обладают небольшой положительной восприимчивостью к магнитным полям. Они лишь немного притягиваются и не сохраняют приобретенных свойств, если нет внешнего поля.

Ориентация в парамагнитном материале при наличии электрического поля (справа) и его удалении (слева)

Среди парамагнитных материалов стоит вспомнить магний, молибден, литий и тантал. Однако, как только внешнее магнитное поле исчезает, парамагнетики теряют свои свойства, потому что тепловое движение рандомизирует вращательные позиции. Некоторые сохраняют вращательный беспорядок при абсолютном нуле. Поэтому и суммарная намагниченность опускается к нулю, если убрать поле.

Диамагнетизм

Диамагнетизм отмечает умение объекта формировать магнитное поле, вступающее в сопротивление к внешнему. Поэтому они не притягиваются, а отталкиваются, что приводит к таким поразительным вещам, как левитация диамагнитного материала, если его установить над мощным магнитом.

Пиролитический углерод, левитирующий над постоянным магнитом

По большей части диамагнетизм присутствует во всех материалах, и он всегда слабо влияет на реакцию материала по отношению к магнитному полю. У всех проводников заметен эффективный диамагнетизм, если магнитное поле меняется. К примеру, сила Лоренца на электронах заставит их циркулировать вокруг вихревых токов. Далее токи создадут индуцированное магнитное поле, сопротивляющееся перемещению проводника.

Источник

23. Природа ферромагнетизма, диамагнетизма и парамагнетизма.

Согласно гипотезе Ампера внутри атомов и молекул текут молекулярные токи, а следовательно, имеются магнитные диполи. По сути дела гипотеза Ампера блестяще подтвердилась, когда была понята электронная структура атома. Движение электронов вокруг ядер атомов является элементарными токами, создающими магнитные моменты.

Более строгое рассмотрение элементарных магнитных моментов свидетельствует о том, что у атома имеются магнитные моменты ядер, орбитальные магнитные моменты электронов и спиновые магнитные моменты электронов. Магнитные моменты ядер атомов ничтожно малы по сравнению с магнитными моментами электронов, поэтому их влиянием на магнитные свойства материалов можно пренебречь. Орбитальные магнитные моменты электронов также заметно меньше спиновых магнитных моментов. Поэтому магнитные свойства материалов в основном определяются спиновыми магнитными моментами электронов.

Согласно правилу Хунда заполнение электронных орбиталей производится таким образом, чтобы магнитный и механический моменты электронов были максимальны. У переходных металлов внутренние электронные орбитали (3d или 5f) заполнены не полностью. Поэтому у атомов таких элементом имеется значительный магнитный момент.

В том случае, когда внутренние орбитали атомов заполнены, не полностью происходит обмен электронами незаполненных орбиталей соседних атомов. При этом энергия атомов понижается на величину обменной энергии (Uобм). Величина обменной энергии зависит от квантовомеханической функции — обменного интеграла (А) и взаимной ориентации суммарных спиновых моментов соседних атомов:

Обменное взаимодействие может привести к взаимной ориентации магнитных моментов соседних атомов. В зависимости от ориентации магнитных моментов соседних атомов все вещества делят на ферромагнетики, антиферромагнетики и парамагнетики. Рассмотрим влияние обменного взаимодействия на ориентацию магнитных моментов соседних атомов подробнее.

Обменный интеграл зависит от расстояния между соседними атомами (а) и от радиуса незаполненных орбиталей (r) или в обобщенном виде от отношения (а/r). Зависимость обменного интеграла от отношения а/r показана на рисунке 46.

Читайте также:  Наблюдение в природе зимой 3 класс научный дневник 2021

Рис. 46. Зависимость обменного интеграла (А) от расстояния между атомами, отнесенного к радиусу незаполненной электронной оболочки (a/r).

При отношении расстояния между атомами к радиусу незаполненных оболочек большем 3 обменный интеграл положителен и для того чтобы обменная энергия вычиталась из общей энергии системы необходимо параллельная ориентация спиновых магнитных моментов соседних атомов. Такие вещества являются ферромагнетиками. При отношении а/r меньшем 3 обменный интеграл отрицателен и для того чтобы энергия системы была минимальной скалярное произведение магнитных моментов соседних атомов должно быть отрицательным. В этом случае магнитные моменты соседних атомов антипараллельны и такие вещества принято называть антиферромагнетиками. При равенстве отношения а/r 3 обменная энергия нулевая и взаимная ориентация магнитных моментов произвольна. Такие вещества являются парамагнетиками.

Таким образом, для того чтобы вещество было ферромагнитным необходимо выполнение двух условий:

1). В состав материала должны входить атомы переходных металлов, обладающих большими магнитными моментами;

2). Отношение расстояния между атомами к радиусу незаполненных электронных оболочек должно превышать 3.

намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома [он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов] равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Аu, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнетиками существуют и парамагнетики —вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называетсяпарамагнитным.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, A1 и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

Помимо рассмотренных двух классов веществ — диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитнымивеществами, существуют еще сильномагнитные вещества — ферромагнетики вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость от линейна, то для ферромагнетиков эта зависимость является довольно сложной. По мере возрастания H намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение Jнаc, уже не зависящее от напряженности поля.

Рис. 2

Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля возрастает степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю. Однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше несориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение Н прекращается и наступает магнитное насыщение.

Рис. 3

Магнитная индукция В = μ(Н+ J) в слабых полях растет быстро с увеличением Н вследствие возрастания J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J= JHac), В возрастает с увеличением Н по линейному закону.

Существенная особенность ферромагнетиков — не только большие значения μ (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость μ от Н (рис. 3). Вначале μ растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (, поэтому приJ= JHac = const с ростом Н отношение , а μ 1).

Рис.4

Характерная особенность ферромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от Н (а следовательно, иВ от Н) определяется предысторией намагничивания ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (рис. 4, точка 1), а затем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как показывает опыт, уменьшение описывается кривой 1 — 2,лежащей выше кривой 1 — 0. При Н = 0 , J отличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается остаточное намагничивание Joc.

С наличием остаточного намагничения связано существование постоянных магнитов. Намагничивание обращается в нуль под действием поля Нс, имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Напряженность Нс называется коэрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3 — 4), и при Н = -Н нас достигается насыщение (точка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4 — 5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6— 1).

Таким образом, при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответствии с кривой 1—2—3—4— 5—6—1, которая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приводит к тому, что намагничивание ферромагнетика не является однозначной функцией Н, т. е. одному и тому же значению Н соответствует несколько значений J.

Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещества из ферромагнитного состояния в парамагнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т.е. в точке Кюри происходит фазовый переход II рода.

Наконец, процесс намагничивания ферромагнетиков сопровождается изменением его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострикции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Hнамагничивающего поля, от природы ферромагнетика и ориентации кристаллографических осей по отношению к полю.

Источник