Магнитные свойства вещества Магнитное поле в веществе

Магнитные свойства вещества Магнитное поле в веществе

Магнитное поле в веществе • Экспериментальные результаты показывают, что магнитное поле в веществе зависит от свойств вещества (μ). В – индукция магнитного поля [Тл], Н – напряженность магнитного поля [А/м], μ 0 – магнитная константа, равная 4π· 10 -7 [Н/А 2; Гн/м], μ – магнитная проницаемость материала.

Электрон движется в вакууме по круговой орбите Круговой ток ν - частота вращения электрона по орбите. ● Круговой ток обладает орбитальным магнитным моментом S – площадь орбиты, n – нормаль к S, определяемая правилом правого винта.

● Движущийся по круговой орбите электрон обладает орбитальным механическим моментом импульса – направлены в разные стороны. (1), (2) – гиромагнитное отношение орбитальных моментов.

Магнитное поле в веществе ● В квантовой механике показано, что кроме орбитальных моментов pm, Le электрон обладает собственным механическим моментом импульса Les, называемым спином. ● Спину электрона соответствует спиновый (собственный) магнитный момент – гиромагнитное отношение спиновых моментов.

Магнитное поле в веществе Магнитный момент электрона складывается из орбитального магнитного момента pm и спинового магнитного момента pms

Магнитное поле в веществе Магнитный момент атома складывается из магнитных моментов входящих в него электронов и магнитного момента ядра ря , который складывается из магнитных моментов протонов и нейтронов

Диамагнетики. Парамагнетики Все известные вещества под действием магнитного поля способно приобретать магнитный момент (намагничиваться). Следовательно, они являются магнетиками.

Рассмотрим атом и движущийся вокруг него по круговой орбите электрон Орбита электрона ориентирована относительно вектора магнитной индукции В 0 так, что магнитный момент рm составляет с вектором В 0 угол α. Происходит вращение орбиты электрона и вектора рm вокруг В 0 с некоторой угловой скоростью ω. Такое движение называется прецессией.

Электронная орбита атома под действием магнитного поля В 0 совершает прецессионное движение, что эквивалентно появлению кругового тока, который индуцирует дополнительное магнитное поле. Индуцированные магнитные поля всех атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества.

По правилу Ленца собственное магнитное поле вещества направлено противоположно внешнему полю и ослабляет его. Эффект ослабления внешнего магнитного поля магнитным полем, индуцированным в атоме, называется диамагнитным, а вещества, в которых он возникает – диамагнетиками (Bi, Ag, Au, Cu, органические вещества).

Диамагнетики в отсутствие внешнего магнитного поля немагнитны, т. к. магнитные моменты электронов взаимно компенсируются и Диамагнитный эффект объясняется действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, поэтому присущ всем веществам.

Парамагнетики – вещества (Pt, Al), намагничивающиеся во внешнем магнитном поле В 0 по направлению В 0. • В отсутствие внешнего магнитного поля у парамагнетиков магнитные моменты электронов взаимно не компенсируются, поэтому т. к. из-за теплового движения атомов (молекул) магнитные моменты атомов (молекул) ориентированы хаотично. Поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики немагнитны.

Парамагнетики • Во внешнем магнитном поле у парамагнетика магнитные моменты атомов ориентируются по полю, следовательно, парамагнетик намагничивается, т. е. создает свое дополнительное магнитное поле, которое по направлению совпадает с внешним магнитным полем и усиливает его – это парамагнитный эффект.

Парамагнетики • Диамагнитный эффект возникает и в парамагнетиках, но он гораздо слабее парамагнитного эффекта. Электрическое поле: ориентационная (дипольная) поляризация.

Намагниченность • Намагниченность – магнитный момент единицы объема магнетика - магнитный момент магнетика, Рат – магнитный момент отдельных атомов (молекул).

Магнитное поле в веществе: В 0 – внешнее магнитное поле (создается током в вакууме), Вмикро. I – поле, создаваемое микротоками (молекулярными токами) в веществе. У диамагнетиков магнитный момент микротоков У парамагнетиков

Сечение цилиндрического магнетика перпендикулярное внешнему магнитному полю В 0 • Внутри магнетика микротоки соседних атомов направлены навстречу другу. Поэтому они взаимно компенсируются. • Нескомпенсированными остаются микротоки, выходящие на боковую поверхность. Следовательно, микроток на боковой поверхности магнетика подобен току в соленоиде.

Намагниченность Микроток на боковой поверхности магнетика подобен току в соленоиде ток (микроток), приходящийся на единицу длины цилиндрического магнетика (линейная плотность).

Магнитный момент микротока: В несильных полях намагниченность χ - магнитная восприимчивость вещества (безразмерная величина).

• Диамагнетики: χ < 0, по правилу Ленца поле микротоков противоположно внешнему полю В 0. • Парамагнетики: χ > 0, поле микротоков совпадает с внешним полем В 0. μ – магнитная проницаемость вещества. • Диамагнетики: μ < 1. • Парамагнетики: μ > 1.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе Циркуляция вектора В: ΣI – алгебраическая сумма макротоков (токов проводимости), ΣIмикро – алгебраическая сумма молекулярных токов (микротоков). циркуляция намагниченности.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе Теорема о циркуляции вектора Н.

Ферромагнетики Сильномагнитные вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. намагниченностью без внешнего магнитного поля (Fe, Co, Ni). • Функциональная зависимость - нелинейная с насыщением. Насыщение возникает, когда все молекулярные магнитные моменты сориентируются по внешнему магнитному полю.

Ферромагнетики • У ферромагнетиков большое значение магнитной проницаемости μ >> 1. • Нелинейная зависимость магнитной проницаемости μ от величины внешнего магнитного поля Н: . В слабых полях μ растет с ростом Н, достигает максимума, затем начинает уменьшаться и в сильных полях стремится к 1. - кривая Столетова.

Ферромагнетики • Ферромагнетики обладают точкой Кюри – при определенной температуре теряют свои магнитные свойства.

Ферромагнетики Большая величина намагниченности J ферромагнетиков объясняется сильным взаимодействием спиновых магнитных моментов электронов (pms), в результате которого происходит упорядочение ориентации pms атомов в решетке.

Ферромагнетики Весь ферромагнетик разбивается на области самопроизвольной намагниченности до полного насыщения намагниченности J в них. Эти области называются доменами. Их линейные размеры порядка 10 -2 см.

Ферромагнетики В отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность доменов J направлена хаотично, поэтому

При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле 1) изменение направлений спонтанной намагниченности отдельных доменов и всего магнетика в целом в результате поворота векторов магнитного момента pm внутри доменов по полю, 2) смещение границ доменов, что приводит к росту объема доменов, у которых намагниченность ориентирована наиболее близко к направлению внешнего магнитного поля, за счет соседних доменов.

Ферромагнетик во внешнем магнитном поле 1. Намагниченность ферромагнетика растет от 0 до насыщения Внас. 2. При уменьшении внешнего магнитного поля Н до нуля ферромагнетик остается намагниченным – Вост. намагниченность. С наличием Вост. связано существование постоянных магнитов.

Ферромагнетик во внешнем магнитном поле 3. Для того чтобы размагнитить ферромагнетик необходимо поместить его в поле противоположной полярности. Намагниченность обращается в ноль под действием поля Нс – называемого коэрцетивной силой. Нс – мала, магнетик магнитомягкий, Нс – велика, магнетик жесткий.

Ферромагнетик во внешнем магнитном поле 4. При дальнейшем увеличении противоположного поля ферромагнетик перемагничивается и при Ннас достигает насыщения. Затем ферромагнетик можно опять размагнитить, т. о. при действии на ферромагнетик переменного магнитного поля его намагниченность J и индукция В изменяются в соответствии с замкнутой кривой – петля гистерезиса.

Ферромагнетик во внешнем магнитном поле • Площадь петли пропорциональна работе, совершенной при перемагничивании. • Эта работа определяет потери энергии на гистерезис. • Так как во внешнем магнитном поле внутри ферромагнетика происходит перестройка его структуры (смещение и поворот границ доменов), следовательно, это приводит к изменению его размеров.

Явление магнитострикции – изменение формы и объёма ферромагнетика при его намагничивании. • Обратный эффект – изменение намагниченности при деформации ферромагнетика.