Виды магнетиков

Магнетиками называются все вещества, способные намагничиваться во внешнем магнитном поле, т.е. создавать собственное (внутренне) магнитное поле самого вещества. Магнетики подразделяются по своим магнитным свойствам на слабомагнитные и сильномагнитные вещества. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики. Основную группу сильномагнитных веществ составляют ферромагнетики. Слабо- и сильномагнитные вещества отличаются величиной относительной магнитной проницаемости ϻ.

Абсолютная магнитная проницаемость среда (ϻ_а) – величина, являющуюся коэффициентом, отражающим магнитные свойства среды:

ϻ_а=ϻ₀ϻ,

где ϻ₀=4π^.10^-7 (Ом^.с)/м – магнитная постоянная, характеризующая магнитные свойства вакуума. Единицу (Ом^.с) называют генри (Гн).

Величину ϻ, называют относительной магнитной проницаемостью среды. Она показывает, во сколько раз индукция поля, созданного током в данной среде, больше или меньше, чем в вакууме, и является безразмерной величиной. Магнитная проницаемость является важной величиной, характеризующей магнитные свойства различных веществ. Для слабо магнитных веществ ϻ не значительно отличается от 1: для диамагнетиков ϻ≤1, для парамагнетиков ϻ≥1. Кроме того, ϻ для слабомагнитных веществ не зависит от индукции В₀ того магнитного поля, в котором намагничиваются вещества. Для сильномагнитных веществ ϻ»1 и зависит от В₀.

1) Диамагнетики

Называются вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют магнитных маментов.Атомы таких веществ называются диамагнитными атомами.

При внесении диамагнитного вещества в магнитное I_i поле в каждом его атоме (или молекуле) ΔР_mi B₀ индуцируется некоторый дополнительный атомный (или молекулярный) индукционный ток I_i, с магнитным моментом ΔР_mi. Вектор ΔР_mi направлен противоположно вектору B₀ магнитной индукции внешнего магнитного поля. Вектор ΔР_mi и индукционный ток I_i по правилу Ленца должны иметь такое направление, чтобы магнитное поле, созданное наведенными токами, было противоположно намагничивающему внешнему полю. Суммарное магнитное поле, созданное наведенными во всех атомах (молекулах) индукционными токами, является собственным (внутренним) магнитным полем. Вектор магнитной индукции внутреннего поля направлен противоположно вектору индукции внешнего, намагничивающего поля. В этом и заключается намагничивание диамагнитного вещества. Если воздействие намагничивающего поля прекращается, то исчезают индукционные токи в атомах (молекулах) и диамагнитные свойства исчезают (размагничивание диамагнетика). На возникновение индукционных токов в атомах (молекулах) не влияет тепловое, хаотическое движение атомов (молекул). Поэтому диамагнитные свойства вещества не зависят от температуры.

Диамагнетизм является универсальным свойством всех веществ, так как а атомах (молекулах) любых веществ, помещенных в магнитное поле, наводятся индукционные токи. Однако диамагнетизм является очень слабым эффектом. Поэтому диамагнитные свойства наблюдаются только у тех веществ, у которых эти свойства являются единственными и не маскируются другими, более сильными магнитными свойствами.

2) Парамагнетики

Атомы (молекулы) обладающие некоторым магнитным моментом Р_м называются парамагнитными, а состоящие из них вещества - парамагнетиками. Магнитные моменты атомов (молекул) парамагнетика зависят от строения атомов (молекул), постоянны для данного вещества и не зависят от внешнего магнитного поля.

В отсутствие магнитного поля тепловое движение атомов (молекул) парамагнетика и их соударения между собой препятствуют возникновению упорядоченного расположения векторов Р_м магнитных моментов отдельных атомов (молекул). Поэтому в парамагнитном веществе в отсутствие внешнего магнитного поля атомные (молекулярные) токи не создают результирующего магнитного поля. Вещество не намагничивается - в нем не возникает собственного (внутреннего) магнитного поля.

Парамагнетик в отсутствие внешнего намагничивающего поля

При внесении парамагнетика во внешнее однородное магнитное поле каждый атомный (молекулярный) ток стремиться расположиться так, чтобы вектор его магнитного момента был ориентирован параллельно вектору В₀ индукции внешнего поля. Этому препятствует тепловое движение атомов (молекул). Совместное действие магнитного поля и теплового движения приводит к тому, что возникает преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул) по направлению внешнего магнитного поля.

Парамагнетик в слабом магнитном поле

Парамагнетик в сильном магнитном поле

В парамагнитном веществе создается результирующее магнитное поле всех атомных (молекулярных) токов, и вещество намагничивается – в нем возникает собственное (внутреннее) магнитное поле. Вектор индукции этого поля направлен одинаково с вектором индукции внешнего намагничивающего поля. При повышении температуры парамагнетика в нем усиливается хаотическое, тепловое движение атомов (молекул). Оно препятствует ориентации магнитных моментов атомов (молекул) и уменьшает намагничивание вещества. Поэтому относительная магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается при нагревании.

3) Ферромагнетики

Ферромагнетиками называется группа веществ в твердом кристаллическом состоянии, обладающая совокупностью магнитных свойств, обусловленных особым взаимодействием атомных носителей магнетизма. У ферромагнитных веществ собственное (внутреннее) магнитное поле имеет индукцию в сотни и тысячи раз большую, чем индукция внешнего магнитного поля, вызвавшего явление намагничивания, т.е. образование внутреннего поля.

Для характеристики явления намагничивания вещества вводится величина I, называемая намагничиванием вещества. Намагничивание в СИ определяется формулой

I=B-B₀=ϻB₀-B₀= (ϻ-1)B₀,

где ϻ - относительная магнитная проницаемость вещества, B₀-индукция магнитного поля в вакууме, B- индукция магнитного поля в веществе: B=ϻ B_0.

Для пара- и диамагнетиков намагничивание I прямо пропорционально индукции B₀ магнитного поля в вакууме.

Для ферромагнитных тел намагничивание I является сложной нелинейной функцией B₀ . Зависимость I от величины B₀/ϻ₀ называется технической кривой намагничивания. Кривая указывает на явление магнитного насыщения: начиная с некоторого значения намагничивание практически остается постоянным, равным I_н (намагничивание насыщения), ϻ₀-магнитная постоянная в СИ.

Значительное увеличение магнитного потока в ферромагнитных телах объясняется тем, что такие тела под действием внешнего магнитного поля намагничиваются и создают собственное магнитное поле. Оно складывается с намагничивающим полем и результирующее поле становиться более сильным.

На рисунке показано изменение магнитного поля, когда в него помещен ферромагнетик. Силовые линии втягиваются в этот предмет и в нем получается значительно более сильный магнитный поток, нежели в окружающем пространстве. Данные явления наблюдаются только у ферромагнитных веществ. При нормальных температурах они имеют кристаллическое строение. Маленькие кристаллы ферромагнитных веществ состоят из отдельных намагниченных областей, называемых доменами и имеющих размеры около 10^-2-10^-3 см. В каждом домене магнитные поля атомов расположены в определенном порядке, т.е. имеют одинаковые направления. В ненамагниченном теле магнитные поля доменов имеют различные направления. Под действием внешнего магнитного поля у части атомов, находящихся внутри доменов, магнитные поля поворачиваются и получают направления вдоль внешнего поля. Иначе говоря, домены, имеющие свое поле, почти совпадающее по направлению с внешним полем, увеличиваются в размерах за счет соседних доменов. Возникает сильное результирующее поле. Чем сильнее внешнее намагничивающее поле, Тем более строгий порядок наблюдается в расположении элементарных магнитных полей доменов и тем сильнее общий магнитный поток. При достаточно сильном намагничивающем поле магнитные поля всех доменов принимают одинаковые направления. Дальнейшее увеличение намагничивания становиться невозможным. Такое состояние ферромагнитного тела называется магнитным насыщением.

Процесс намагничивания ферромагнитного вещества наглядно отражает кривая намагничивания. Она показывает зависимость магнитного потока Ф или магнитной индукции В от напряженности намагничивающего поля Н. Как видно сначала при увеличении Н наблюдается быстрый рост магнитного потока (при малых значениях Н это возрастание происходит несколько медленнее).

Направления магнитных полей доменов в ферромагнитном веществе: А) в отсутствие внешнего магнитного поля; Б) при внешнем намагничивающем поле; В) при магнитном насыщении.

Но при некотором значении Н увеличение магнитного потока замедляется и далее почти Ф или В прекращается, т.е. наступает магнитное насыщение.

Кривая намагничивания ферромагнитного вещества

Небольшое увеличение магнитного потока при насыщении происходит за счет того, что растет внешнее намагничивающее поле.

Из рассмотрения кривой намагничивания 0 Н можно сделать вывод, что магнитная ферромагнитного вещества. Кривая намагничивания проницаемость у ферромагнитных веществ не является постоянной, а зависит от Н. Действительно, магнитная проницаемость ϻ=В/ϻ₀Н могла бы оставаться постоянной только тогда, когда величина В изменялась бы пропорционально Н, т.е. если бы кривая намагничивания представляла собой прямую линию, проходящую через начало координат. Кривая намагничивания показывает, что В изменяется не пропорционально Н, поэтому ϻ при возрастании Н сначала растет, а при переходе к магнитному насыщению она уменьшается.

Зависимость магнитной проницаемости от напряженности намагничивающего поля

Если ферромагнитное тело намагнитить с помощью внешнего магнитного поля, а затем уменьшить напряжённость этого поля до нуля, то тело размагничивается не полностью. В нем обнаруживается остаточный магнетизм. Это объясняется тем, что не все домены под влиянием имеющегося в каждом теле теплового движения возвращаются к беспорядочному состоянию. Остаточный магнетизм может быть показан с помощью кривой намагничивания. Если тело вначале не было намагничено, то при возрастании Н магнитный поток изменяется по кривой ОА. Пусть теперь Н уменьшается. Тогда магнитный поток Ф будет изменяться не по той же кривой ОА, а по кривой АБ, которая расположена выше ОА. Изменение магнитного потока отстает от изменений намагничивающего поля. Такое отставание называется магнитным гистерезисом.

При уменьшении Н до 0 сохраняется некоторый остаточный поток Ф₀ и соответствующая ему остаточная магнитная индукция В₀ (отрезок ОБ). Они характеризуют остаточный магнетизм. Чтобы полностью размагнитить тело, т.е. добиться Ф=0,нужно приложить внешнее магнитное поле обратного направления. Тогда при некотором отрицательном значении Н_с получим Ф=0. Величину Н_с (отрезок ОГ) называют задерживающей или коэрцитивной силой. Если продолжать намагничивать тело, то можно довести его до насыщения (точка Д), а при уменьшении Н опять наблюдается гистерезис.

Кривая намагничивания и перемагничивания ферромагнитного вещества

Кривая размагничивания ДЕ не совпадает с кривой ГД. При Н=0 снова наблюдается остаточный магнетизм (отрезок ОЕ), и для его уничтожения необходимо иметь Н, соответствующую отрезку ОЖ. Таким образом, если осуществлять перемагничивание, т.е. намагничивание и размагничивание, то оно будет проходить по кривой АБГДЕЖА, котрую принято называть петлей гистерезиса. Форма и размеры этой кривой различны для разных ферромагнитных материалов.

Ферромагнитные вещества делятся на две группы. К магнитомягким материалам, относиться железо,мягкая(незакаленная) сталь, а также ряд других материалов, которые легко намагничиваются. В них можно получить высокие значения магнитной индукции при сравнительно небольших напряженностях намагничивающего поля. Но зато они легко размагничиваются, и поэтому в них наблюдается очень небольшой остаточный магнетизм. Магнитожесткие (или магнитотвердые) материалы намагнитить труднее. К ним относиться закаленная сталь и стальные сплавы,содержпшие вольфрам, хром, молибден,алюминий, никель, кобальт и другие материалы. Для их намагничивания необходимо значительно более сильное поле, но зато они характеризуются большей коэрцитивной силой, т.е. их труднее размагнитить. В таких материалах может существовать большой остаточный магнетизм.

Петля гистерезиса: а) магнитомягкого (кривая 1), магнитотвердого (кривая 2); б)прямоугольная петля гистерезиса.

В последние годы в радиоэлектронной аппаратуре находят все более широкое применение ферромагнитные материалы с прямоугольной петлей гистерезиса. Пример такой петли показан выше на рисунке б. Как видно, ее форма действительно приближается к прямоугольнику. Такие материалы характерны тем, что при изменении напряженности намагничивающего поля в них происходит резкий переход из одного намагниченного состояния в другое, при котором направление магнитного потока изменяется на противоположное.

Тепловое движение атомов ферромагнитных веществ способствует уменьшению величины остаточного намагничивания. Поэтому с повышением температуры остаточное намагничивание уменьшается. При достижении температуры, равной температуре (точке) Кюри, остаточное намагничивание полностью исчезает – области самопроизвольной намагниченности распадаются, и вещество теряет ферромагнитные свойства.

4) Ферромагнитная жидкость.

Ферромагнитная жидкость (ФМЖ, магнитная жидкость, феррофлюид) — жидкость, сильно поляризующаяся в присутствии магнитного поля.

Ферромагнитные жидкости представляют собой коллоидные системы, состоящие из ферромагнитных или ферримагнитных частиц нанометровых размеров, находящихся во взвешенном состоянии в несущей жидкости, в качестве которой обычно выступает органический растворитель или вода. Для обеспечения устойчивости такой жидкости ферромагнитные частицы связываются с поверхностно-активным веществом (ПАВ), образующим защитную оболочку вокруг частиц и препятствующем их слипанию из-за Ван-дер-Ваальсовых или магнитных сил.

Ферромагнитная жидкость на стекле под воздействием магнита под стеклом

Ферромагнитная жидкость под воздействием магнита (крупный план)

Ферромагнитные жидкости состоят из частиц нанометровых размеров (обычный размер 10 нм или меньше) магнетита, гематита или другого материала, содержащего железо, взвешенных в несущей жидкости. Они достаточно малы, чтобы тепловое движение распределило их равномерно по несущей жидкости, чтобы они давали вклад в реакцию жидкости в целом на магнитное поле. Аналогичным образом ионы в водных растворах парамагнитных солей (например, водный раствор сульфата меди (II) или хлорида марганца (II)) придают раствору парамагнитные свойства.

Ферромагнитные жидкости это коллоидные растворы — вещества, обладающие свойствами более чем одного состояния материи. В данном случае два состояния это твердый металл и жидкость, в которой он содержится. Эта способность изменять состояние под воздействием магнитного поля позволяет использовать ферромагнитные жидкости в качестве уплотнителей, смазки, а также может открыть другие применения в будущих наноэлектромеханических системах.

Ферромагнитные жидкости устойчивы: их твердые частицы не слипаются и не выделяются в отдельную фазу даже в очень сильном магнитном поле. Тем не менее, ПАВ в составе жидкости имеют свойство распадаться со временем (примерно несколько лет), и в конце концов частицы слипнутся, выделятся из жидкости и перестанут влиять на реакцию жидкости на магнитное поле. Также ферромагнитные жидкости теряют свои магнитные свойства при своей температуре Кюри, которая для них зависит от конкретного материала ферромагнитных частиц, ПАВ и несущей жидкости.

Ферромагнитная жидкость проявляет нестабильность в нормально направленном поле магнита под поверхностью

Чтобы обволакивать частицы в ферромагнитной жидкости используются, в частности, следующие ПАВ:

§ олеиновая кислота

§ гидроксид тетраметиламмония

§ полиакриловая кислота

§ полиакрилат натрия

§ лимонная кислота

§ cоевый лецитин

ПАВ препятствуют слипанию частиц, мешая им образовать слишком тяжелые кластеры, которые не смогут удерживаться во взвешенном состоянии за счет броуновского движения. В идеальной ферромагнитной жидкости магнитные частицы не оседают даже в очень сильном магнитном или гравитационном поле. Молекулы ПАВ имеют полярную«головку» и неполярный «хвост» (или наоборот); один из концов адсорбируется к частице, а другой прикрепляется к молекулам жидкости-носителя, образуя, соответственно, обычную или обратную мицеллу вокруг частицы. В результате пространственные эффекты препятствуют слипанию частиц. Полиакриловая, лимонная кислоты и их соли формируют на поверхности частиц двойной электрический слой в результате адсорбции полианионов, что приводит к возникновению кулоновских сил отталкивания между частицами, повышающей стабильность жидкости на водной основе.

5) Ферримагнетики

Ферримагнетики — материалы, у которых магнитные моменты атомов различных подрешёток ориентируются антипараллельно, как и в антиферромагнетиках, но моменты различных подрешёток не равны, и, тем самым, результирующий момент не равен нулю. Ферримагнетики характеризуются спонтанной намагниченностью. Различные подрешётки в них состоят из различных атомов или ионов, например, ими могут быть различные ионы железа, Fe²⁺ и Fe³⁺. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые упорядоченные металлические сплавы, но, главным образом, различные оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.

Ферримагнитное упорядочивание

Ферримагнетики имеют доменную структуру, состоящую из двух или более подрешеток, связанных антиферромагнитно (антипараллельно). Поскольку подрешетки образованы атомами (ионами) различных химических элементов или неодинаковым их количеством, они имеют различные по величине магнитные моменты, направленные антипараллельно. В результате появляется отличная от нуля разность магнитных моментов подрешеток, приводящая к спонтанному намагничиванию кристалла. Таким образом, ферримагнетики можно рассматривать как нескомпенсированные антиферромагнетики (у них магнитные моменты атомов не компенсированы). Свое название эти материалы получили от ферритов — первых некомпенсированных антиферромагнетиков, а магнетизм ферритов назвали ферримагнетизмом. У ферритов доменная структура, как и у ферромагнетиков, образуется при температурах ниже точки Кюри. К ферритам применимы все магнитные характеристики, введенные для ферромагнетиков. В отличие от ферромагнетиков, они имеют высокое значение удельного сопротивления, меньшую величину индукции насыщения, более сложную температурную зависимость индукции. Ферромагнетизм в металлах объясняется наличием обменного взаимодействия, которое образуется между соприкасающимися атомами, а также взаимной ориентацией спиновых магнитных моментов. В ферримагнетиках магнитные моменты ионов ориентированы антипараллельно, и обменное взаимодействие происходит не непосредственно, а через ион кислорода О^2-. Такое обменное взаимодействие называют косвенным обменом или сверхобменом. Оно усиливается по мере приближения промежуточного угла от 0° к 180°.

Дата добавления: 2015-08-02