Магнитные свойства Элементарные магниты Классификация металлических элементов по

Магнитные свойства Элементарные магниты Классификация металлических элементов по их магнетизму Домены Критическая температура

Создатели теории электромагнетизма • Благодаря работам выдающихся ученых таких как Ханс Эрстед, Андре Ампер, Майкл Фарадей и Джеймс Максвелл было доказано, что магнитные явления всегда обязаны движению электрических зарядов.

Спин электрона

Магнитный диполь • Уленбек и Гаудсмит, изучая атомные спектры в сильных магнитных полях, пришли к выводу, что электрон обладает не только электрическим зарядом, но и является магнитным диполем. • По теории Бора, полагая, что электроны, образующие оболочку, движутся по определенным орбитам, каждый такой электрон будет образовывать замкнутый ток силой: I=-qѵ, где q- заряд e, ѵ- частота обращения e по орбите

Магнитный момент e • Тогда магнитный момент тока МI=μ 0 IS=- μ 0 qѵS (S- площадь орбиты), μ 0 –магнитная проницаемость вакуума. т. к. S=πr 2 , а ѵ=v/(2πr), где v-скорость движения электрона по орбите, тогда Мe= μl = - μ 0 qvr/2, магнитный момент электрона, обусловлен его движением вокруг ядра, его также называют орбитальным магнитным моментом - μl

Далее: • Механический момент количества движения e : pl=mvr, где m- масса e • Тогда μl =- μ 0 q/2 m∙pl , где l- орбитальное квантовое число, которое может принимать лишь следующие значения: • l=0, 1, 2, …n (n-главное квантовое число) • ml –магнитное квантовое число, которое может принимать только следующие значения: • ml =-l, -(l-1), …, 0, …, +l, всего 2 l+1 значений:

Магнетон Бора • Орбитальный магнитный момент : μl =- μ 0 q/2 mħ√ l(l+1)= μB √ l(l+1), где μB = q/2 mħ = 1, 15∙ 10 -29 B∙c∙v -магнетон Бора. Он представляет собой «квант» магнитного момента и принимается за единицу измерения магнитных моментов атомных систем

• Для сложных атомов, электронная оболочка которых состоит из многих электронов, результирующий орбитальный магнитный момент определяется суммированием моментов отдельных атомов с учетом правил пространственного квантования. • У полностью заполненных электронных оболочек он равен нулю • Отличным от нуля орбитальным моментом могут обладать лишь атомы с частично заполненными электронными оболочками

Результирующий магнитный момент атома • Кроме орбитального момента количества движения электрон обладает собственным механическим моментом, называемым спином: ps = √ 3ħ/2 • Атомные ядра обладают спином и связаным с ними магнитным моментом. Т. к. масса ядра ~103 тогда магнитный момент ядра примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона. Поэтому иногда влиянием магнитных моментов атома можно принебречь, но в ряде явлений это может быть существенным.

Классификация магнитных материалов • По суммированию орбитальных и спиновых моментов может произойти полная их компенсация и тогда результирующий момент атома будет равен нулю. • Если же такой компенсации не происходит, то атом будет обладать постоянным магнитным моментом. • Тела , атомы которых не обладают постоянным магнитным моментом, являются диамагнитными.

Тела, атомы которых обладают постоянным магнитным моментом могут быть: • Парамагнитными (если взаимодействие между магнитными моментами очень мало или = 0) • Ферромагнитными ( если соседние магнитные моменты стремятся выстроиться параллельно другу) • Антиферромагнитными ( если соседние магнитные моменты стремятся выстроиться антипараллельно другу) • Ферримагнитными (если соседние магнитные моменты стремятся выстроиться антипараллельно другу и величина их неодинакова)

Схема упорядочения магнитных моментов

Домены • Пьер Вейсс выдвинул гипотезу, объясняющую намагничивание ферромагнитного вещества под действием приложенного извне магнитного поля. • Он предположил, что каждая небольшая часть образца состоит из сильно намагниченных (от природы) областей (доменов), • направления намагниченности отдельных доменов различны и во всем образце магнитные моменты доменов компенсируют друга.

Ферромагнитный образец а- намагниченный однородно в сильном магнитном поле б- в отсутствие поля образуется доменная структура, энергия образца понижается

Направление осей легкого намагничивания. а- в кристалле железа, б- в кристалле никеля

Оси легкого намагничивания • Вектор намагниченности домена не может выбирать любую ориентацию – его ориентация совпадает с одним из очень немногих направлений, называемых осями легкого намагничивания, характерных для кристаллической структуры данного вещества. • Домен состоит из очень большого числа элементарных ячеек, его результирующая намагниченность всегда направлена вдоль одного из этих направлений и чтобы отклонить ее, требуется приложить очень большие магнитные силы.

Процесс намагничивания ферромагнетика за счет движения доменных стенок: а- исходное состояние (размагниченный ферромагнетик) б- включено внешнее магнитное поле ( «благоприятно» намагниченные домены «растут» )

Под действием приложенного магнитного поля элементарные магниты поворачиваются вокруг оси, перпендикулярно стенке , создавая эффект ее перемещения .

Зависимость намагниченности ферромагнетика от величины внешнего магнитного поля • а- при возрастании поля • б- по достижении насыщения поле уменьшается по другой кривой • в – при нулевом поле есть остаточная намагниченность • г – намагниченность растет в другом направлении • д- замыкание кривой называется петлей гистерезиса

Роль формы петли гистерезиса при техническом применении магнетиков • Площадь петли пропорциональна количеству энергии, бесполезно теряемой в виде тепла если материал используется в качестве сердечника для трансформатора • Величина остаточной намагниченности характеризует качество постоянного магнита, который можно изготовить из данного вещества.

Намагниченность насыщения • Является фундаментальным свойством магнетиков • Соответствует спонтанной намагниченности доменов • Не зависит от способа получения образца • Зависит от температуры , изменяется с температурой обратимым образом, исчезая выше критической точки.

Зависимость намагниченности насыщения от температуры в никеле • Видно, что при нагревании металла спонтанная намагниченность убывает и когда температура достигает критического значения (6310 К), падает до нуля. Точка Кюри.