Магнитные свойства вещества Поль Ланжевен (1872 -1946)

Магнитные свойства вещества

Поль Ланжевен (1872 -1946) Выдающийся французский физик. Важнейшие работы Ланжевена относятся к теории магнитных явлений. На основе электронных представлений он развил (1903 -1905) статистическую теорию диаи парамагнитных явлений, дал истолкование законам магнетизма, экспериментально установленным Кюри.

Магнитные свойства вещества 1. Намагничивающиеся среды-магнетики 2. Подобно тому как внесение ДИЭЛЕКТРИКА в поле вызывало изменение , обусловленное поляризацией диэлектрика, так и внесение магнетика в магнитное поле токов вызывает изменение этого поля, обусловленное намагничиванием магнетика. Намагничивание – индуцирование магнитного поля в веществе Магнетики – способные намагничиваться тела(практически все) Т. е. Все тела, присутствие которых способно либо видоизменять, либо возбуждать магнитное поле.

Магнитные свойства вещества 2. 3 типа магнетиков 1. Диамагнетики - в них индуцируется поле, направленное ПРОТИВОПОЛОЖНО внешнему (это следствие закона Фарадея и правила Ленца. ) диамагнетизм присущ всем телам, но не всегда его можно измерить, т. к. он закрыт более сильными эффектами. Диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Диамагнетики: все газы(кроме О 2 ), H 20, Ag, Au, Cu, Bi, алмаз, графит, многие органические соединения. 2. Парамагнетики(Пм)-вещества, атомы которых обладают собственными магнитными моментами. Без поля эти магнитные моменты расположены хаотически и. При внесении Пм в магнитное поле выстраиваются в направлении поля. Таким образом индуцированное поле Пм направлено так же как и внешнее. Пм втягивается в магнитное поле. Парамагнетики: Pt, Al, W, все щелочные и щёлочно-земельные; O 2.

Магнитные свойства вещества Пара и диа – магнетики при выключении внешнего поля полностью размагичиваются. 3. Ферромагнетики – вещества, в которых самопроизвольно может существовать направленная ориентация магнитных моментов, т. к. это оказывается энергетически выгодно! Они способны оставаться намагниченными и после выключения внешнего магнитного поля, т. е. способны не только видоизменять, но и создавать магнитное поле. постоянные магниты. Для Фм Ферромагнетики: Fe, Ni, Co, сплавы – пермолой, альни, магнико, соединения {Mn, Cz} и др.

Магнитные свойства вещества 3. Характеристика намагничения. Вектор намагничения. Нужно найти удобную количественную характеристику намагничения. По аналогии с вектором поляризации диэлектрика удобно ввести вектор намагничения Магнитный момент единицы объёма намагниченного вещества. , где: - Магнитный момент одного атома(молекулы) Докажем позднее Если вещество является пара или диа-магнетиком то показано, что - магнитная восприимчивость. Как видно из (1) и (2) это величина безразмерная.

Магнитные свойства вещества ; - магн. воспр ед V Савельев, стр 158 ; Киломол. восприимч. Диамагнетики Парамагнетики Ферромагнетики Разм - объём киломоля.

Магнитные свойства вещества 4. Молекулярные токи Поле намагниченных магнетиков создаётся циркулирующими в магнетике электрическими токами. Хотя средняя в этих средах =0 и переноса заряда на макроскопические расстояния не происходит, однако внутри отдельных молекул имеет место движение электронов, соответствующее определённому распределению токов. Эти токи называют молекулярными. Малые токи создают магнитный момент. Природа малых токов а) движение электрона вокруг ядра б) движение электрона вокруг собственной оси (спин электрона) Молекулярные токи замкнуты в микроскопических объёмах. в) движение ядра (спин ядра) г) спин нуклонов СПИН

Магнитные свойства вещества Спин (to spin-вращаться) Кроме орбитального электрон и другие элементарные частицы обладает собственным магнитным и механическим моментом. Это его свойство (чисто квантовое), характеризующееся механическим L и магнитным Pms моментом принято обозначать термином спин. Спин Нейтрона? ? ? Из релятивистской квантовой механики (из уравнения Дирака) Где Lэл – механический (собственный) момент электрона. ; Где h – постоянная Планка e – заряд электрона; m – масса электрона - магнитный (собственный) момент электрона, равный величине называемый магнетоном Бора , Это не есть просто момент, обусловленный вращением заряженного шарика – это считали и результат неверен для такой модели

Диамагнетики

Диамагнетизм - теорема Лармора Диамагнетизм связан с появлением наведённого магнитного момента Pm’, направленного противоположно Pm , обусловлен. дополнительным движением электрона из-за прецессии его орбиты. Вращательный момент Из механики Из рисунка Согласно (1) или Не зависит от и не зависит от r’ Из гиром. соотн. (3) Частота Лармора

А) Диамагнитный момент электрона (Pm’) r’ усреднено по t А) Магнитный момент атома z - заряд ядра Для элитарной орбиты нужно юрать средний квадрат расстояния от электрона до ядра В) Вектор намагничения для N атомов Где n – концентрация атомов

Магнитная восприимчивость диамагнетиковков Итак: (6) Намагничение единичного объёма Магнитный момент кило моля Где NA – число Авогадро Так что m. обр. удельн Согл (6): Cогл (7): Подставляя числа: Так что Хорошо согласно с эксперим.

Парамагнетики

Яв. 419, Т I Сум. Ориентация хаотичная из-за теплового движения Проекция на направление поля Ланжевен показал, что Тогда полный момент Проекции различны у различных атомов, но Кюри С - пост. Зависит от вещества. Потенц. энерг. магнетиков Кинет. энерг. тепл. движ. атомов

Теория справедлива когда… Т. е. при достаточно высоких Т и малых В 0 Пример: Какова Tmin при и При Ткомн

Связь магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости И по определению т. к. Т. е.

Ферромагнетизм

1. По сравнению 2. В отличии от пара- и диа- магнетиков, у которых Насыщ. J=const у Ферромагнетиков J нелинейная функция сложные функции от H 3. Ферромагнитные свойства определяются, в первую очередь особой структурой кристаллов и наблюдаются только у кристаллов. 4. Для каждого ферромагнетика имеется определённая температура – точка Кюри, выше которой ферромагнитные свойства исчезают и вещество становится обычным парамагнетиком. Ферром. парам.

5. Ферромагнетизм обладает анизотропией Т. е. в различных кристаллографических направлениях магнитные свойства разные. Fe Ребро куба направление лёгкого намагничивания 6. Гистерезис – остаточное намагничивание.

Гистерезис (необратимость) 1. Намагничение ферромагнетика зависит от предварительного намагничения. Js – намагничение. насыщения. Jr (при H=0) – остаточное намагничение. - Hc – коэрцитивная сила – напряжённость размагничивания 2. Мягкие и жёсткие магнитные материалы Мягкие – Нс мала Петля гистерезиса Жёсткие – большая Нс Мягкие: Fe, Пермолой, Кремниевая сталь для сердечников трансформаторов Жёсткие: “Магнико”, углеродистая сталь, вольфрамовая сталь – для постоянных магнитов Мягкие

Природа ферромагнетизма “Ферромагнитных свойств ясна причина – Непарный электрон в них виноват: Все атомы по направленью спина, Глядящего вперёд или назад, Построены как войско на парад. Во внешнем поле разрушая стены, Сливаются соседние домены. Так создаёт гармонию Вселенной Ничтожных сил суммарный результат!” /Джон Апдайк/ Под действием особых обменных сил (имеющих квантовую природу) спины электронов стремятся спонтанно расположиться параллельно другу. fобм. >> классическое магнитное взаимодействие. Домены: области спонтанного намагничения

Обменное взаимодействие определяется 1. Электронным старением атомов 2. Строением кристаллической решётки Итак: а) спонтанное намагничение б) домены без поля ориентированы хаотически в) в поле домены ориентируются по полю Остаточное намагничение Доменам трудно повернуться, при снятии поля, в обратном направлении полностью, так как при этом надо пройти через направления затруднённого намагничения. 1. Растёт домен, ориентированный в направлении поля за счёт соседей – смещаются границы домена. 2. Последовательность намагничения 2 Поворот домена по полю как целого остаточное намагничение. Закон Кюри-Вейса При Т>Tc спонтанное намагничение разрушается тепловым движением

Антиферромагнетики – вещества со спонтанной АНТИПАРАЛЛЕЛЬНОЙ ориентацией спинов Предсказал Ландау 1933 г. |1938 г. – эксперимент. Mn. O, Mn. S, Cr 2 O 3, Ni. Cr и др. Точка Нееля TN Выше этой Т АФ превращаются в парамагнетик ФМ: при Т<Тс растёт в 1000 х АФ: при Т>TN резко падает и при Т 0 Эрбий Диспрозии Сплавы Mn 2 (. ) Нееля 0

Ферриты Вещества с антипараллельной ориентацией некомпенсированных спинов. Спекание порошков (Fe 2 O 3) с окислами других металлов (Mn, Zn, Co, Ni) Большая коэрцитивная сила (кобальтовый феррит до ) Mn феррит Малая сердечники устройств, работающих на токах ВЧ. Итак: Ферромагнетики Антиферромагнетики Ферриты