Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

Что такое диамагнетики

Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

Определение 1

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.

Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики бывают следующих видов:

  • классические;
  • аномальные;
  • сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Рисунок 1

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.

Определение 2

Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше. 

Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

  • нормальные;
  • парамагнитные металлы;
  • антиферромагнетики.

Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.

Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком.

Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля.

При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.

Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.

Определение 3

При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлениемпарамагнитного резонанса.

Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

Рисунок 2

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Определение 4

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Рисунок 3

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться.

Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно.

Их используют при производстве постоянных магнитов.

Пример 1

Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

Решение

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

B→=J→+μ0H→.

Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

Рисунок 4

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

Пример 2

Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).

Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρmB≪kT,→β≪1.

Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρmB≪kT,→β≪1.

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:

ρmz=ρm2μ0H3kT.

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J=nρmz=ρm2μ0H3kTn.

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:

χ=ρm2м0n3kT.

Ответ: χ=ρm2м0n3kT.

Если вы заметили ошибку в тексте, пожалуйста, выделите её и нажмите Ctrl+Enter

Источник: https://Zaochnik.com/spravochnik/fizika/magnitnoe-pole/klassifikatsija-magnetikov/

Магнетики = диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики
Магнитные материалы, Магнетики — материалы, вступающие во взаимодействие с магнитным полем, выражающееся в его изменении, а также в других физических явлениях — изменение физических размеров, температуры, проводимости, возникновению электрического потенциала и т. д.

В этом смысле к магнетикам относятся практически все вещества (поскольку ни у какого из них магнитная восприимчивость не равна нулю точно), большинство из них относится к классам диамагнетиков (имеющие небольшую отрицательную магнитную восприимчивость — и несколько ослабляющие магнитное поле) или парамагнетиков (имеющие небольшую положительную магнитную восприимчивость — и несколько усиливающие магнитное поле); более редко встречаются ферромагнетики (имеющие большую положительную магнитную восприимчивость — и намного усиливающие магнитное поле), о ещё более редких классах веществ по отношению к действию на них магнитного поля.
Классификация магнитных материалов и требования к нимМагнитными веществами, или магнетиками, называются вещества, обладающие магнитными свойствами. Под магнитными свойствами понимается способность вещества приобретать магнитный момент, т.е. намагничиваться при воздействии на него магнитного поля. В этом смысле все вещества в природе являются магнетиками, так как при воздействии магнитного поля приобретают определенный магнитный момент. Этот результирующий макроскопический магнитный момент М представляет собой сумму элементарных магнитных моментов mi — атомов данного вещества. Элементарные магнитные моменты могут быть либо наведены магнитным полем, либо существовать в веществе до наложения магнитного поля; в последнем случае магнитное поле вызывает их преимущественную ориентацию.Магнитные свойства различных материалов объясняются движением электронов в атомах, а также тем, что электроны и атомы имеют постоянные магнитные моменты.Вращательное движение электронов вокруг ядер атомов аналогично действию некоторого контура электрического тока и создает магнитное поле, которое на достаточном расстоянии представляется как поле магнитного диполя с магнитным моментом, значение которого определяется произведением тока и площади контура, который ток обтекает. Магнитный момент является векторной величиной и направлен от южного полюса к северному. Такой магнитный момент называется орбитальным. Сам электрон имеет магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.Атом представляет собой сложную магнитную систему, магнитный момент которой является результирующей всех магнитных моментов электронов, протонов и нейтронов. Так как магнитные моменты протонов и нейтронов существенно меньше, чем магнитные моменты электронов, магнитные свойства атомов по существу определяются магнитными моментами электронов. У имеющих техническое значение материалов это прежде всего спиновые магнитные моменты.Результирующий магнитный момент атома при этом определяется векторной суммой орбитальных и спиновых магнитных моментов отдельных электронов в электронной оболочке атомов. Эти два вида магнитных моментов могут быть частично или полностью взаимно скомпенсированы.

В соответствии с магнитными свойствами материалы делятся на следующие группы:

а) диамагнитные (диамагнетики),б) парамагнитные (парамагнетики),в) ферромагнитные (ферромагнетики),г) антиферромагнитные (антиферромагнетики),д) ферримагнитные (ферримагнетики),е) метамагнитные (метамагнетики).

А) Диамагнетики

Диамагнетизм проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.Диамагнетизм свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые то­ки, т. е.

добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован).

У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным маг­нитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего маг­нитного поля взаимно скомпенсированы.

В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполнен­ными электронными оболочками в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота. Удлинённый образец диамагнетика в однородном магнитном поле ориентиру­ется перпендикулярно силовым линиям поля (вектору напряженности поля).

Из неоднородного магнитного поля он вытал­кивается в направлении уменьшения напряжённости поля. Индуцированный магнитный момент I, приобретаемый 1 молем диамагнитного вещества, пропорционален напряженности внешнего поля H, т.е. I=χН. Коэффициент χ называется молярной диамагнитной восприимчивостью и имеет отрицательный знак (т.к.

I и H направлены навстречу друг другу). Обычно абсолютная величина χ мала (~10-6), например для 1 моля гелия χ = -1,9·10-6. Классическими диамагнетиками являются так называемые инертные газы (He, Ne, Ar, Kr и Xe), атомы которых имеют замкнутые внешние электронные оболочки.

К диамагнетикам также относятся: инертные газы в жидком и кристаллическом состояниях; соединения, содержащие ионы, подобные атомам инертных газов (Li+, Be2+ , Al3+ , O2- и т.д.); галоиды в газообразном, жидком и твердом состояниях; некоторые металлы (Zn, Au, Hg и др.).

Диамагнетиками, точнее сверхдиамагнетиками, с χД = — (1/4) ≈ 0,1, являются сверхпроводники; у них диамагнитный эффект (выталкивание внешнего магнитного поля) обусловлен поверхностными макроскопическими токами. К диамагнетикам относится большое число органических веществ, причём у многоатомных соединений, особенно у циклических (ароматических и др.), магнитная восприимчивость анизотропна (таблица 6.1).

Таблица 6.1 — Диамагнитная восприимчивость ряда материалов

Б) ПарамагнетикиПарамагнетизм – свойство веществ (парамагнетиков) намагничиваться в направлении внешнего магнитного поля, и, в отличие от ферро-, ферри- и антиферромагнетизма, парамагнетизм не связан с магнитной атомной структурой, а в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика равна нулю. Парамагнетизм обусловлен в основном ориентацией под действием внешнего магнитного поля Н собственных магнитных моментов µ частиц парамагнетического вещества (атомов, ионов, молекул). Природа этих моментов может быть связана с орбитальным движением электронов, их спином, а также (в меньшей степени) со спином атомных ядер. При µН « kТ, где Т – абсолютная температура, намагниченность парамагнетика М пропорциональна внешнему полю: М=χН, где χ – магнитная восприимчивость. В отличие от диамагнетизма, для которого χ < 0, при парамагнетизме восприимчивость положительна; её типичная величина при комнатной температуре (Т ≈ 293 К) составляет 10-7 – 10-4. Парамагнетик – магнетик с преобладанием парамагнетизма и отсутствием магнитного атомного порядка. Парамагнетик намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, т.е. имеет положительную магнитную восприимчивость, которая в слабом поле при не очень низкой температуре (т.е. вдали от условий магнитного насыщения) не зависит от напряженности поля. Поскольку свободная энергия парамагнетика понижается в магнитном поле, при наличии градиента поля он втягивается в область с более высоким значением напряжённости магнитного поля. Конкуренция диамагнетизма, появление дальнего магнитного порядка или сверхпроводимости ограничивают область существова­ния вещества в парамагнитном состоянии. Парамагнетик содержит, по крайней мере, один из перечисленных ниже типов носителей парамагнетизма. а) Атомы, молекулы или ионы с некомпенсированными магнитными моментами в основном или возбуждённом состояниях с энергией возбуждения Ei

Источник: https://96kw.blogspot.com/2016/02/blog-post.html

Классификация магнетиков

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Так как вещества обладают определёнными магнитными свойствами, например, вещества могут быть сильномагнитные и слабомагнитные, иметь различные механизмы намагничивания (характер взаимодействия частиц), величину магнитного момента. Исходя из свойств выделяют основные: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики, сверхдиамагнетики.

Диамагнетики – слабомагнитные вещества, характеризуются отрицательным значением магнитной восприимчивости  и в отсутствии магнитного поля они не намагничиваются (магнитный момент частиц будет равен нулю).

Появляется диамагнитный эффект (индуцированный магнитный момент) и он будет сохранятся пока действует внешнее магнитное поле:    , а намагниченность , где N –концентрация атомов, r – расстояние электронов в атоме до оси процессии.

При этом дополнительная индукция магнитного поля и намагниченность (будет малой отрицательной величиной) направлены противоположно вектору индукции внешнего магнитного поля.

В отсутствии магнитного поля магнитные моменты всех электронов будет компенсировать друг друга.

Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Примеры диамагнетиков: вода (), серебро (), висмут (), а так же  благородные газы, полупроводники, некоторые металлы (бериллий, медь, цинк, свинец и т.д.), диэлектрики (стекло, полимеры) и органические вещества.

Парамагнетики – слабомагнитные вещества, но положительным значением магнитной восприимчивости  (т.к. во внешнем магнитном поле магнитные моменты частиц стремятся выстроиться по направлению поля, усиливая его) и в отсутствии магнитного поля частицы обладают собственным магнитным моментом (магнитный момент частиц будет постоянным и отличен от нуля) [5, с. 23].

При внесении во внешнее магнитное поле вещества по распределению Больцмана возникает ориентация магнитных моментов молекул в направлении индукции (параллельно магнитному полю) и намагничивание, но порядок нарушается тепловым движением (хаотичное, столкновение и взаимодействие атомов между собой), т.е. парамагнитная восприимчивость  зависит от температуры. Механизм намагничивания парамагнетиков аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков.

Ферромагнетики – сильномагнитные вещества, характеризуются высоким значением магнитной восприимчивости  и зависят от внешнего магнитного поля, также характерно наличие спонтанной намагниченности (магнитные моменты атомов в определенных областях ориентированы упорядоченно (параллельно друг другу) в отсутствие внешнего поля – домены) и есть определенный предел насыщения.

Намагничивание ферромагнетиков было исследовано А. Г. Столетовым в 1878 г: построена кривая магнитной проницаемости (кривая Столетова). Гистерезис открыт в 1880 г. (рис. 1).

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией напряженности внешнего поля, зависимость , т.е. намагниченность имеет предел, называемый намагниченностью насыщения.

По аналогии с парамагнетиками намагниченность ферромагнетиков обусловливается переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов.

Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает очень больших значений, эта величина зависит от напряженности внешнего поля. Кривая зависимости  имеет вид петли, называемой петлей гистерезиса (рис. 1).

Рисунок 1.

Примеры ферромагнетиков: чистые металл (никель, кобальт, гадолиний) – их сплавы и соединения, сплавы и соединения – марганца и хрома с неферромагнитными элементами.

Антиферромагнетики (скомпенсированный ферримагнетик) – частный случай ферримагнетиков, в которых имеется одновременное наличие двух подрешеток, которые спонтанно намагничены в противоположных направлениях с одинаковой интенсивностью (сумма намагниченностей будет равно нулю).

Антиферромагнетики ведут себя как очень слабые парамагнетики и  характеризуются низким значением магнитной восприимчивости . Существование антиферромагнетиков было предсказано Л.Д. Ландау в 1933 г.

Как и для ферромагнетиков существует антиферромагнитная точка Кюри называемая  точкой Нееля  – температура перехода в антиферромагнитное.

Примеры антиферромагнетиков: редкоземельные элементы (эрбий, диспрозий, гольмий), оксиды и дифториды некоторых металлов (оксид железа, оксид марганца, фторид кобальта, фторид никеля), соли угольной и серной кислот (карбонат марганца, сульфат никеля) и т.д [2].

Ферримагнетики (ферриты) –вещества, в которых магнитные моменты атомов кристаллической решетки образуют несколько магнитных подрешеток с магнитными моментами, направленными навстречу друг другу. Ферриты также называют ферромагнетными полупроводниками (малая электропроводность относительно ферромагнетиками), нескомпенсированными антиферромагнетиками.

Для существования ферримагнетизма необходимо существование хотя бы двух неэквивалентных подрешеток. В отличие от металлических ферромагнетиков они обладают большим электрическим сопротивлением, что позволяет использовать их, например, для изготовления сердечников трансформаторов, не опасаясь вредного воздействия токов Фуко. Ферриты образует группы это:

  • ферриты-шпинели – имеют кристаллическую структуры, кристаллизируются в кубической решетке с пространственной группой  – число электронов в атоме, общая формула:  (соединения оксидов железа и оксидов металлов – шпинель),  – двухвалентный металл (марганец, никель, цинк, железо и т.д.);
  • ферриты-гранаты – имеют кубическую решетку типа граната и кристаллизируются с пространственной группой , общая формула:,  – тяжелые редкоземельные элементы (от самария до лютеция, по табл. Менделеева 62 – 71). Первые ферримагнитные гранаты были синтезированы во Франции в 1956 г.;
  • гексаферриты – имеют гексагональную решетку, кристаллизируются с пространственной группой близкую  общих формул будет несколько, в зависимости от типа;
  • ортоферриты – имеют ромбическую решетку и кристаллизируются с пространственной группой , общая формула: ,  – редкоземельные элементы. При нормальной температуре превращаются в антиферромагнетики, а при температурах ниже нескольких кельвинов – ферримагнетиками.

Сверхдиамагнетиками будут все вещества, находящиеся в сверхпроводящем состоянии — низкотемпературные сверхпроводники (металлы) и высокотемпературные сверхпроводники (керамики). Из несверхпроводящих материалов, обладающих сверхдиамагнитными свойствами, известен только один – хлорид меди, открытый в 1986г.

Магнитные свойства веществ отличаются большим разнообразием, чем электрические свойства.

Диэлектрическая проницаемость ε у всех веществ всегда больше единицы (диэлектрическая восприимчивость k > 0), магнитная проницаемость μ может быть как больше единицы, так и меньше единицы, аналогично и магнитная восприимчивость . В.Л. Гинзбурга, удостоенный Нобелевской премии по физике в 2004 г., выделил классификацию магнетиков (табл. 1).

Таблица 1.

Современная классификация магнетиков

Магнетики         Магнитная восприимчивость,
Диамагнетики
Парамагнетики
Ферромагнетики
Ферримагнетики
Антиферромагнетики
Сверхдиамагнетики

Список литературы:

  1. Андреев, В.В. Электромагнитные формфакторы мезонов [Текст] : статья / В.В. Андреев, А.Ф. Крутов. // Проблемы физики, математики и техники (ПФМТ). – 2011. — № 1 (6). – С. 7 – 19.
  2. Гелл-Манн, М. Восьмимерный формализм: Теория симметрий в сильных взаимодействиях / М. Гелл-Манн // Эл-е частицы и компенсирующие поля: Сборник статей; под ред. Д. Иваненко. – М.: Мир, 2014. – 300 с.
  3. Иродов, И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. [Текст] учебник /И.Е. Иордов.  — М. — С. -П. : Физматлит, 2000. – 267 с.
  4. Максименко, Н.В. Теоретико – полевые основы электродинамических процессов / Н.В. Максименко, Е.В. Вакулина, О.М. Дерюжкова, С.М. Кучин; Брянский государственный университет им. ак. И.Г. Петровского. – Брянск, 2010. – 56 с.
  5. Bouchal, Z. M. Self-reconstruction of a distorted non-diffracting beam: Tutorial [Text] / Z.Bouchal, J.Wagner, M.Clup  Optics Communications. – 2008. – Vol. 151. – P. 207 – 211.

Источник: https://sibac.info/studconf/science/lxx/143613

Диамагнетики

Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):

где $S$ — площадь витка с током.

Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как:

Диамагнетизмом обладает любое вещество.

Магнитная проницаемость диамагнетиков очень незначительно отличается от единицы. Для твердых тел и жидкостей диамагнитная восприимчивость имеет порядок приблизительно ${10}{-5},\ $для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $\varkappa

В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($\overrightarrow{H}$):

где $\varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях.

Рис.1

Парамагнетики

Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($\overrightarrow{p_m}$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:

Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $\overrightarrow{p_m}$ совпадает с $\overrightarrow{B}$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества.

Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом.

Парамагнитная восприимчивость ($\varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:

или закону Кюри — Вейсса:

где C и C' — постоянные Кюри, $\triangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.

Магнитная восприимчивость ($\varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.

Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.

У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны $\varkappa \approx {10}{-6}.$

У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля.

В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($\overrightarrow{M}$), который стремится изменить угол между $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}.

$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $\overrightarrow{p_m}$ и $\overrightarrow{B}$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.

В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).

Рис. 2

Ферромагнетики

Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность.

Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения ($J_{nas}$).

Рис. 3

Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).

Рис. 4

Ферромагнетики в свою очередь делят на:

  1. Мягкие в магнитном отношении. Вещества с большой магнитной проницаемостью, легко намагничивающиеся и размагничивающиеся. Их используют в электротехнике, там, где работают с переменными полями, например в трансформаторах.
  2. Жесткие в магнитном отношении. Вещества с относительно небольшой магнитной проницаемостью, трудно намагничивающиеся и размагничивающиеся. Эти вещества используют при создании постоянных магнитов.

Пример 1

Задание: Зависимость намагниченности для ферромагнетика показана на рис. 3. J(H). Изобразите кривую зависимости B(H). Существует ли насыщение для магнитной индукции, почему?

Решение:

Так как вектор магнитной индукции связан с вектором намагниченности соотношением:

\[{\overrightarrow{B}=\overrightarrow{J\ }+\mu }_0\overrightarrow{H}\ \left(1.1\right),\]

то кривая B(H) не достигает насыщения. График зависимости индукции магнитного поля от напряженности внешнего магнитного поля можно представить, как изображено на рис. 5. Такая кривая называется кривой намагничивания.

Рис. 5

Ответ: Насыщения для кривой индукции нет.

Пример 2

Задание: Получите формулу парамагнитной восприимчивости $(\varkappa)$, зная, что механизм намагничивания парамагнетика аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков. Для среднего значения магнитного момента молекулы в проекции на ось Z можно записать формулу:

\[\left\langle p_{mz}\right\rangle =p_mL\left(\beta \right)\left(2.1\right),\]

где $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac{1}{\beta }$ — функция Ланжевена при $\beta =\frac{p_mB}{kT}.$

Решение:

При высоких температурах и небольших полях, мы получим, что:

\[p_mB\ll kT,\ \to \beta \ll 1\ \left(2.2\right).\]

Следовательно, при $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac{1}{\beta }+\frac{\beta }{3}-\frac{{\beta }3}{45}+\dots $ , ограничение функции линейным членом по $\beta $ получим:

\[L\left(\beta \right)=\frac{\beta }{3}\left(2.3\right).\]

Подставим в (2.1) результат (2.3), получим:

\[\left\langle p_{mz}\right\rangle =p_m\frac{p_mB}{3kT}=\frac{{p_m}2B}{3kT}\ \left(2.4\right).\]

Используя связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией ($\overrightarrow{B}=\mu {\mu }_0\overrightarrow{H}$), приняв во внимание, что магнитная проницаемость парамагнетиков мало отличается от единицы, можем записать:

\[\left\langle p_{mz}\right\rangle =\frac{{p_m}2{\mu }_0H}{3kT}\left(2.5\right).\]

Тогда намагниченность будет иметь вид:

\[J=n\left\langle p_{mz}\right\rangle =\frac{{p_m}2{\mu }_0H}{3kT}n\ \left(2.6\right).\]

Зная, что связь модуль намагниченности с модулем вектора напряженности имеет вид:

\[J=\varkappa H\ \left(2.7\right).\]

Имеем для парамагнитной восприимчивости:

\[\varkappa =\frac{{p_m}2м_0n}{3kT}\ .\]

Ответ: $\varkappa =\frac{{p_m}2{\mu }_0n}{3kT}\ .$

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/magnetiki/klassifikaciya_magnetikov_diamagnetiki_paramagnetiki_i_ferromagnetiki/

Booksm
Добавить комментарий