Лекция 11 МАГНЕТИКИ Магнитные моменты электронов

Лекция 11 МАГНЕТИКИ

§§ Магнитные моменты электронов и атомов В МП вещества сами становятся источниками поля (намагничиваются) Вещества, способные намагничиваться, называются магнетиками. Вещество состоит из зарядов, которые входят в состав атомов и молекул 02

Магнитное поле вещества создается молекулярными токами Рассмотрим атом и движение зарядов. Каждый атом – это элементарный виток с током. где – частота обращения. 03

Отношение моментов – постоянная величина, не зависящая от скорости и радиуса орбиты: орбитальное электромеханическое (гиромагнитное) отношение для эл-на Для атома в целом: 04

Вещество не намагничено, когда токи (моменты) ориентированы хаотично. На виток с током, помещенный в МП действует сила Ампера, ориентирующая виток магнитным моментом вдоль поля Говорят, что вещество намагничено, когда моменты частично или полностью упорядочены 05

Вектор намагничивания – момент единицы объема вещества Рассмотрим цилиндрический магнетик в однородном МП: 06

Действие молекулярных токов будет эквивалентно поверхностному току в витках катушки. Введем величины: − линейная плотность поверхностного тока − полная сила тока, L – длина стержня − суммарный магнитный момент молекулярных токов 07

тогда т. е. при однородном намагничивании M (намагничивание) равно линейной плотности поверхностного тока j Поле токов намагничивания 08

§§ Магнитная восприимчивость Поле внутри магнетика: – внешнее поле (поле катушки) – поле токов намагниченности Для многих веществ намагниченность пропорциональна внешнему полю – магнитная восприимчивость 09

Магнитная индукция: где μ – относительная магнитная проницаемость вещества (диамагнетики) (парамагнетики) висмут – 16, 7· 10– 5 платина серебро – 2, 64· 10– 5 алюминий +2, 14· 10– 5 – 0, 88· 10– 5 жидкий кислород +3, 46· 10– 3 воздух +3, 65· 10– 7 вода водород – 0, 208· 10– 8 +2, 93· 10– 4 10

Типы магнетиков: 1) диамагнетики направление намагничивания противоположно направлению намагничивающего поля. 2) парамагнетики это вещества, для которых направление намагничивания совпадает с направлением поля 3) ферромагнетики 4) другие типы 11

§§ Орбитальный диамагнетизм ЭДС индукции в контуре получаем 12

на электрон, двигающийся по орбите действует сила Кулона: отсюда 13

уменьшится также и угловая скорость при обращении электрона по орбите: Изменение магнитного момента равно при любом направлении движения электрона по орбите, атом «намагничивается» против поля 14

замечание МП изменяет скорость движения электрона по орбите и эта скорость сохраняется неизменной все время пребывания атома в магнитном поле Если плоскость орбиты не направлению МП, то ось орбиты будет поворачиваться относительно , т. е. будет прецессировать: 15

Наблюдается диамагнитный эффект – поле атома уменьшает величину внешнего магнитного поля. Эксперимент: 1914 Барнет (1922) 1915 Эйнштейн и Гааз 1917 Иоффе и Капица Оказалось 17

т. е. ровно в 2 раза больше гиромагнитного отношения. Это собственный магнитный момент электрона, называемый спиновым. Во многих атомах, молекулах или кристаллах спиновые моменты оказываются нескомпенсированными. наблюдается парамагнитный эффект В магнитном поле магнитные моменты ориентируются вдоль внешнего поля и усиливают его. 16

§§ Магнитный момент атомов магнитный момент атома определяется тремя факторами: орбитальный спиновый ядерный g 2 g 10– 3 g диамагнетизм пара- и ферро- пренебрежимо мал 1) диамагнетик – поле внутри образца меньше внешнего поля. 18

спиновые моменты скомпенсированы, а намагничивание происходит за счет изменения скорости электронов или прецессии. 2) парамагнетик – поле внутри больше внешн. поля и ему пропорционально моменты не скомпенсированы; ориентационный механизм намагничивания 3) ферро-, ферри-, антиферромагнетики намагниченность зависит нелинейно от внешнего поля 19

§§ Ферромагнетизм 1) кривая намагничивания 20

[B] = 1 Гс (Гаусс) = 10– 4 Тл [H] = 1 Э (Эрстед) = 79, 5775 А/м 21

2) зависимость μ – магнитной проницаемости от напряженности H 0 т. е. ферромагнетики эффективны для получения сильных полей в области, далекой от насыщения 22

3) наличие гистерезиса (запаздывания) лаб. работа № 8 1 -2 намагничивание до насыщения 2 -3 уменьшение намагничивающего поля до нуля. Bост – остаточная индукция 23

3 -4 для компенсации остаточной намагниченности необходимо приложить обратное поле Hc Hc – задерживающая (коэрцитивная) сила. Ферромагнетики с широкой петлей (большая коэрцитивная сила) используют как постоянные магниты. Ферромагнетики с узкой петлей (малая коэрцитивная сила) используют в качестве сердечников трансформаторов. 24

4) температура Кюри Закон Кюри–Вейсса ф/м т. Кюри, К Ms (T = 0 K), Гс Fe (ОЦК) Co (ГПУ) Ni (ГЦК) Gd (ГПУ) 1044 1388 1360 627 293 1735 1471 1445 508 1980 Другие: Tb, Dy, Ho, Er, Tm 25

§§ Доменная структура в ферромагнетике существуют области, намагниченные до насыщения, в которых спиновые моменты ориентированы одинаковым образом – домены. Размер одного домена ~1– 10 мкм Намагничивание ферромагнетиков обусловлено сильным обменным взаимодействием электронных спинов. 26

ферромагнетик состоит из многих доменов – это энергетически выгодно 1) магнетик в виде одного домена. он эквивалентен постоянному магниту, который создает м. п. 2) разобьем его на два энергия м. п. поля оказывается меньше 27

3) возникновение замыкающих доменов. весь магнитный поток внутри магнетика. 4) такая структура не создает большого поля в окр. пр-ве. В реальном ф/м форма доменов и их число определяется минимумом полной энергии. 28

Г. С. Кандаурова Хаос, порядок и красота в мире магнитных доменов

(рельеф) А. М. Алексеев, А. Ф. Попков Исследование доменной структуры магнитов http: //www. ntmdt. ru/data/media/files/spm-notes/magnetic_domain_structures. pdf (рельеф)

домены в тонкой пленке граната (период структуры около 2 мкм) доменная структура на поверхности никелевой пластинки (монокристалл)

Рассмотрим типичную кривую намагничивания ферромагнетика: 0) в отсутствие поля образец не намагничен 1) обратимое смещение границ 2) необратимое смещение границ 3) изменение ориентации моментов 32

§§ Антиферро- и ферримагнетики В диа- и парамагнетиках, в отсутствие поля, средний по направлению магнитный момент равен нулю. В магнитоупорядоченных средах средний момент отдельного иона не обращается в ноль. 33

а) ферромагнетики это вещества, которые в отсутствие внешнего поля могут обладать спонтанной намагниченностью б) ферримагнетики состоят из двух подрешеток ионов с некомпенсированными магнитными моментами 34

в) антиферромагнетики состоят из подрешеток, моменты которых полностью скомпенсированы «спиновая волна» не обладают спонтанной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля 35

магнетики