Фізика. Рівень стандарту. Повторне видання. 11 клас. Бар’яхтар

§ 15. Магнітні властивості речовин. Діа-, пара- і феромагнетики

Якщо невеликий виток зі струмом помістити в магнітне поле, то виток установиться перпендикулярно до ліній магнітної індукції поля (рис. 15.1), поводячись так само, як магнітна стрілка. Але чому створює магнітне поле постійний магніт? Засновник теорії магнетизму А. Ампер вважав, що це пояснюється замкненими електричними струмами всередині магніту. Чи так це?

Рис. 15.1. Орієнтація витка зі струмом у магнітному полі постійного магніту

1. Вплив середовища на магнітне поле

Якщо будь-яке тіло внести в зовнішнє електричне поле, під впливом цього поля всередині тіла відбудеться перерозподіл електричних зарядів — у тілі утвориться власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди слабкіше, ніж електричне поле у вакуумі.

Середовище чинить вплив і на магнітне поле: будь-яка речовина, поміщена в зовнішнє магнітне поле, намагнічується, створюючи власне магнітне поле, яке в одних речовинах напрямлене так само, як і зовнішнє магнітне поле, а в інших — протилежно зовнішньому полю. Отже, речовини можуть як посилювати, так і послаблювати зовнішнє магнітне поле.

Фізичну величину, яка характеризує магнітні властивості середовища і дорівнює відношенню магнітної індукції В магнітного поля в середовищі до магнітної індукції В₀ магнітного поля у вакуумі, називають відносною магнітною проникністю середовища μ:

2. Чому різні речовини намагнічуються по-різному

Одна з основних властивостей частинок, з яких складається атом, — наявність у них власного магнітного поля. Це поле характеризує фізична величина, яку називають власним магнітним моментом (за аналогією з магнітним моментом контуру зі струмом).

р_m = IS

3. Слабомагнітні речовини

Слабомагнітні речовини, намагнічуючись, створюють слабке власне магнітне поле, яке відразу зникає, якщо речовину вилучити із зовнішнього магнітного поля. Відносна магнітна проникність слабомагнітних речовин незначно відрізняється від одиниці: μ ≈ 1. До слабомагнітних речовин належать діамагнетики і парамагнетики.

Діамагнетики (грец. dia — розбіжність) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене протилежно до зовнішнього (рис. 15.3).

Рис. 15.3. Зразок із діамагнетика в зовнішньому магнітному полі: сині лінії — магнітні лінії зовнішнього магнітного поля; червоні лінії — лінії магнітного поля, створеного зразком; зелені лінії — лінії результуючого магнітного поля

До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (золото, мідь, ртуть, срібло), вісмут, вода, ацетон, кухонна сіль та ін.

Діамагнітна левітація

Якщо пластинку з піролітичного графіту, який є діамагнетиком, помістити над полюсами потужних неодимових магнітів, то пластинка, виштовхуючись із магнітного поля, буде левітувати в повітрі.

• Діамагнетики незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині діамагнетика (В_д) трохи менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В₀):

• Діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля. Цікаво, що людина в магнітному полі поводиться як діамагнетик, бо майже на 70 % складається з води.

• Відносна магнітна проникність діамагнетиків не залежить від температури.

• Чому може бути так, що складові атома мають власні магнітні моменти, а сам атом магнітного моменту не має?

Зверніть увагу: поява магнітного поля спричиняє виникнення наведених магнітних моментів в атомах будь-яких речовин; наведені магнітні моменти набагато менші за власні магнітні моменти атомів.

Парамагнетики (грец. para — поряд) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле (рис. 15.4).

Рис. 15.4. Зразок із парамагнетика у зовнішньому магнітному полі: сині лінії — магнітні лінії зовнішнього магнітного поля; червоні лінії — лінії магнітного поля, створеного зразком; зелені лінії — лінії результуючого магнітного поля

До парамагнетиків належать кисень, повітря, платина, алюміній, ебоніт, вольфрам, магній, літій тощо.

Атоми (або молекули) парамагнітних речовин мають власні магнітні моменти, які за відсутності зовнішнього магнітного поля орієнтовані хаотично (рис. 15.5, а). Якщо парамагнетик помістити в магнітне поле, його частинки починають орієнтуватися так, що їхні власні магнітні моменти спрямовуються в напрямку зовнішнього магнітного поля (рис. 15.5, б), аналогічно тому, як орієнтуються в електричному полі молекули полярного діелектрика. Внаслідок цієї орієнтації парамагнетики мають такі магнітні властивості.

Рис. 15.5. Орієнтація магнітних моментів молекул парамагнітного газу: а — за відсутності зовнішнього магнітного поля власні магнітні моменти молекул парамагнетика орієнтовані хаотично; б — за наявності зовнішнього магнітного поля власні магнітні моменти молекул переважно зорієнтовані в напрямку ліній магнітної індукції зовнішнього магнітного поля

• Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє магнітне поле:

• Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, вона буде втягуватися в поле, тобто рухатися в бік збільшення магнітної індукції.

• Відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується зі збільшенням температури, оскільки збільшується швидкість теплового руху атомів (або молекул) і їхня орієнтація частково порушується.

4. Магнітні властивості феромагнетиків

Феромагнетики (від латин. ferrum — залізо) — речовини або матеріали, які, намагнічуючись, створюють сильне магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле (рис. 15.6); феромагнетики залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.

Рис. 15.6. Зразок із феромагнетика в зовнішньому магнітному полі (а). Лінії магнітної індукції результуючого поля ніби втягуються в зразок (б)

До феромагнетиків належить невелика група речовин: залізо, нікель, кобальт, рідкоземельні речовини та низка сплавів.

Йони феромагнітних речовин мають власні магнітні моменти. Будь-яке феромагнітне тіло складається з доменів — макроскопічних ділянок із лінійними розмірами 1-10 мкм, в яких власні магнітні моменти сусідніх йонів співнапрямлені, а отже, домени мають власну намагніченість. За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично, тому зразки феромагнітного матеріалу зазвичай розмагнічені (рис. 15.7, а).

Коли феромагнітний зразок помішують у зовнішнє магнітне поле, то домени, магнітні моменти яких зорієнтовані за напрямком цього поля, збільшуються за рахунок зменшення доменів з іншою орієнтацією магнітних моментів; також відбувається частковий поворот магнітного моменту в кожному домені. Ці процеси приводять до намагнічування зразка (рис. 15.7, б). Доменна структура зумовлює такі магнітні властивості феромагнетиків.

Рис. 15.7. Орієнтація доменів феромагнітного зразка у розмагніченому (а) і намагніченому (б) станах

• Магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків у сотні й тисячі разів більша, ніж магнітна індукція зовнішнього магнітного поля, тобто поля, яке спричинило намагнічування: В_ф ≫ В₀, μ_ф ≫ 1.

• Феромагнетики, як і парамагнетики, втягуються в магнітне поле.

• При досягненні певної температури — температури Кюрі (див. таблицю на с. 88) — феромагнітні властивості речовини зникають і вона стає парамагнетиком.

• Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи. Матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час, називають магнітножорсткими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів.

Температура Кюрі (Т_с) деяких металів

Метал	Тс,К
Кобальт	1403
Залізо	1043
Нікель	631
Гадоліній	289
Тербій	223
Диспрозій	87
Гольмій	20

Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються, називають магнітном’якими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, електромеханічних генераторів тощо.

Підбиваємо підсумки

• За значенням відносної магнітної проникності (μ) речовини поділяють на слабо- та сильномагнітні. У слабомагнітних речовин (діамагнетиків і парамагнетиків) μ незначно відрізняється від одиниці.

• Атоми (молекули) діамагнетиків не мають власного магнітного моменту, але під впливом зовнішнього магнітного поля створюється наведений магнітний момент, напрямлений проти магнітної індукції зовнішнього магнітного поля. Магнітна проникність діамагнетиків ледь менша за одиницю: μ < 1.

• Речовини є парамагнетиками, якщо їхня магнітна проникність μ > 1. Атоми (молекули) парамагнітної речовини мають власний магнітний момент.

• У сильномагнітних речовин (феромагнетиків) μ значно більша за одиницю (μ ≫ 1). Феромагнітні речовини складаються з доменів — макроскопічних ділянок, в яких власні магнітні моменти йонів розташовані паралельно один одному.

Контрольні запитання

1. Чому речовина змінює магнітне поле? 2. Дайте означення відносної магнітної проникності середовища. 3. Які особливості діамагнетиків? Як відбувається їх намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості? 4. Якими є особливості парамагнетиків? Як відбувається їхні намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості? 5. Якими є особливості феромагнетиків? Як відбувається їх намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості? 6. Де застосовують магнітні матеріали?

Вправа № 15

1. Установіть відповідність між речовиною та значенням її відносної магнітної проникності.

1 Мідь

2 Нікель

3 Платина

• А 0,576
• Б 0,999 994
• В 1,000 265
• Г 600

2. Мідний і алюмінієвий циліндри однакової маси по черзі підвішують на пружині й розташовують між полюсами сильного електромагніту. У якому випадку пружина розтягнеться сильніше?

3. Чому осердя електромагнітів виготовляють з магнітном’якої сталі?

4. Чому, на вашу думку, для характеристики магнітного поля атома використовують поняття магнітного моменту, адже жодних струмів усередині атома немає?

5. Останнім часом широко застосовують, зокрема в радіотехніці й автоматиці, ферити — магнітном’які неметалеві матеріали, які мають низку переваг перед металевими. Дізнайтеся, що це за матеріали і в чому їхні переваги.

Фізика і техніка в Україні

Гіпотезу щодо існування доменів було висунуто ще в 1907 р., але довгий час її не було доведено теоретично. Повну теорію доменної структури побудували радянські вчені Лев Давидович Ландау (1908-1968) (на фото — праворуч) та Євген Михайлович Ліфшиц (1915-1985), які деякий час разом працювали в Харківському фізико-технічному інституті. У 1935 р. вийшла їхня робота «Доменна структура феромагнетиків і феромагнітний резонанс», де вчені подали рівняння руху магнітного моменту (рівняння Ландау — Ліфшица), визначили форму та розміри доменів заліза, передбачили явище феромагнітного резонансу. Тоді ж учені починають працювати над «Курсом теоретичної фізики», перший том якої («Механіка») вийшов у 1938 р. Цей фундаментальний 10-томний труд став класичним, він перевидавався кілька разів різними мовами світу, за ним навчалися кілька поколінь фізиків.