Фізика. Профільний рівень. 11 клас. Засєкіна

§ 16. Магнітні властивості речовини

Діа-, пара- і феромагнетики. Ще Ампер для пояснення магнітних властивостей речовини висунув гіпотезу про молекулярні струми, але до створення планетарної моделі атома ця гіпотеза залишалась необґрунтованою.

За сучасними поглядами на будову речовини, кожний електрон в атомі має спіновий та обертальний магнітні моменти. Так, під час обертання одного електрона навколо ядра створюється струм, середнє значення якого можна записати формулою

де Т — період обертання електрона навколо ядра. Із цим струмом пов’язаний орбітальний магнітний момент електрона pm = Iср S, де S — площа, охоплювана орбіталлю електрона.

Електрони мають і власне магнітне поле, що характеризується спіновим магнітним моментом. Термін «спін» (англ. spin — веретено) виник у той час, коли вважалося, що власний магнітний момент електрона зумовлений його обертанням навколо власної осі. Нині закони руху електрона в атомі встановлені квантовою теорією, і спін електрона є квантово-механічною його властивістю, що не має аналогії у класичній фізиці. У класичній фізиці момент імпульсу виникає внаслідок обертання масивного тіла скінченних розмірів. Спін властивий навіть частинкам, які на сьогодні вважаються точковими, і не пов’язаний із жодним обертанням мас всередині такої частинки.

Електрони розташовуються так, що їх спін напрямлений уздовж ліній магнітного поля й може збігатися з напрямком вектора

або бути йому протилежним. Отже, атом (чи молекула) будь-якої речовини — це складна мікроскопічна (елементарна) магнітна система. Результуючий магнітний момент атома дорівнює векторній сумі спінових та орбітальних магнітних моментів окремих електронів. Оскільки власні магнітні моменти протонів та ядра значно менші від магнітних моментів електронів, то вважають, що магнітні властивості атома визначаються магнітними властивостями його електронної оболонки.

Залежно від кількості електронів в атомі та їх взаємного розміщення на електронних оболонках навколо ядра може статися так, що сумарний магнітний момент атома дорівнюватиме нулю.

Речовини, атоми яких не мають власного магнітного моменту, тобто у яких спінові та орбітальні магнітні моменти електронів взаємно скомпенсовані, називаються діамагнетиками.

До них належать речовини, атоми яких мають повністю забудовані електронні оболонки: інертні гази, азот, водень, кремній, вісмут, цинк, мідь, срібло, а також багато органічних і неорганічних сполук (вода, ацетон, гліцерин, нафталін тощо). Усередині діамагнетика, внесеного в зовнішнє магнітне поле, відбувається так званий діамагнітний ефект, що полягає у виникненні в атомів речовини індукованого (наведеного) магнітного моменту, який завжди напрямлений проти вектора індукції магнітного поля, тому відносна магнітна проникність діамагнетиків менша від одиниці (μ < 1).

Речовини, що складаються з атомів і молекул, які мають відмінний від нуля власний магнітний момент, називаються парамагнетиками.

Цей термін уперше ввів у 1845 р. Майкл Фарадей, який поділив речовини на діамагнітні й парамагнітні, а перше пояснення парамагнетизму розробив на основі класичної електронної теорії французький фізик Поль Ланжевен (1872-1946). До парамагнетиків належать речовини, атоми яких мають незаповнену внутрішню оболонку (алюміній, кальцій) або непарну кількість електронів (натрій), деякі метали (платина, вольфрам), кисень тощо. За відсутності зовнішнього магнітного поля відмінні від нуля магнітні моменти атомів парамагнітної речовини під дією теплового руху розміщуються рівномірно за всіма напрямками. У результаті сумарний макроскопічний магнітний момент тіла дорівнює нулю, і воно виявляється ненамагніченим.

Після внесення парамагнітної речовини в зовнішнє магнітне поле в ній поряд із слабким діамагнітним ефектом відбувається переважна орієнтація елементарних магнітних моментів атомів у напрямку цього поля. Тому парамагнетики намагнічуються вздовж зовнішнього поля і, отже, підсилюють його, їхня магнітна проникність трохи більша за одиницю (μ > 1).

Зразки з пара- і діамагнетика по-різному себе поводять у разі внесення їх у магнітне поле. В однорідному магнітному полі видовжений зразок з діамагнітної речовини розміщується перпендикулярно до силових ліній поля, парамагнітний зразок — уздовж них. У неоднорідному магнітному полі діамагнетик виштовхується в напрямку зменшення індукції магнітного поля, парамагнетик — утягується.

Механізм намагнічування парамагнетиків дуже схожий на механізм поляризації полярних діелектриків. Діамагнетизм не має аналога серед електричних властивостей речовини.

Окрім названих типів магнетиків, існують і такі, що здатні дуже сильно намагнічуватись у магнітному полі (наприклад, залізо, сталь, чавун, нікель, кобальт, гадоліній). Вони утворюють окрему групу сильно магнітних речовин, які називають феромагнетиками (від лат. Ferum — залізо). Магнітна проникність феромагнітних речовин дуже велика — 102-105. Отже, феромагнетики підсилюють зовнішнє поле в сотні й тисячі разів. Ефект «втягування» ліній індукції зовнішнього поля у феромагнетиків дуже сильний.

Досліджуючи природу феромагнетизму, французький фізик П’єр Вейсс (1865-1940) у 1907 р. висунув гіпотезу про існування у феромагнетиків внутрішньої взаємодії, що приводить до самодовільного (спонтанного) намагнічування окремих ділянок феромагнетика за відсутності зовнішнього магнітного поля. Вивчення будови цих речовин за допомогою мікроскопа показало, що феромагнетик складається з множини самодовільно (спонтанно) намагнічених областей розмірами близько 0,001-0,1 мм, які називають доменами (або областями Вейсса). Фактично це області, що охоплюють сотні атомних шарів, у яких напрямок намагнічування змінюється монотонно.

Якщо відсутнє зовнішнє магнітне поле

то домени феромагнетика розміщені хаотично (мал. 87, а). Тому він не виявляє макроскопічної намагніченості. Коли феромагнетик вміщують у зовнішнє магнітне поле, його домени перемагнічуються так, щоб їхні магнітні моменти мали напрямок ліній індукції зовнішнього поля (мал. 87, б) (орієнтуються в напрямку поля). До того ж змінюються межі доменів і домени, орієнтація яких відповідала зовнішньому магнітному полю, — вони збільшують свої розміри за рахунок доменів з іншою орієнтацією (мал. 87, в).

Мал. 87. Намагнічування феромагнетика

Після вимикання зовнішнього магнітного поля єдиним фактором, що впливає на орієнтацію доменів, залишається тепловий рух, який руйнує орієнтацію доменів. За низьких температур інтенсивність теплового руху виявляється недостатньою для повного руйнування орієнтації доменів, і феромагнетик зберігає певне залишкове намагнічування. В експериментах із залізом П’єр Кюрі встановив, що у процесі нагрівання залізо за певної температури втрачає властивості феромагнетика і переходить у парамагнітний стан. Подальші дослідження показали, що для кожного феромагнетика є своя визначена температура (температура Кюрі), за якої феромагнітні властивості зникають. Для заліза, наприклад, ця температура становить 770 °С, для кобальту — 1130 °С, для нікелю — 360 °С.

Отже, уявлення про доменну структуру феромагнетиків дає можливість пояснити особливості процесу їх намагнічування. Однак залишаються нез’ясованими питання: чому існують домени; які сили змушують атоми в доменах шикуватися так, щоб їх власні магнітні поля були строго орієнтовані? Відповідь на ці питання була дана в 1928 р. радянським фізиком Яковом Іллічем Френкелем і німецьким фізиком Вернером Гейзенбергом. Вони показали, що сильну орієнтацію магнітних полів атомів зумовлюють так звані сили обмінної взаємодії. Природа цих сил пояснюється лише квантовою теорією атома.

Магнітний гістерезис. Характерною особливістю феромагнетиків є складна залежність індукції внутрішнього поля намагніченого феромагнетика В від індукції зовнішнього поля намагнічуючих струмів В0. До того ж намагнічування феромагнетика залежить не лише від індукції намагнічуючого поля, а й від того, намагнічувався даний феромагнетик раніше чи ні.

Кількісне дослідження залежності В = f(В0) проводять, як правило, за допомогою залізного кільця, на яке намотана обмотка, якою пропускають електричний струм (мал. 88). Обмотку такої форми називають тороїдом.

Мал. 88. Тороїдальна котушка

Нехай залізне осердя тороїдальної котушки раніше не намагнічувалось і струму в котушці немає. Почнемо поступово збільшувати силу струму. Індукція зовнішнього поля В0 буде зростати пропорційно силі струму.

Індукція внутрішнього поля також починає зростати, але не лінійно, а так, як показано на малюнку 89. Спочатку (точка а) домени невпорядковані. Зі зростанням В0 орієнтація доменів впорядковується, і в точці b майже всі домени зорієнтовані по полю. Намагнічення осердя, як кажуть, досягає насичення. Точка b на графіку відповідає приблизно 70 % повного насичення, оскільки останні домени впорядковуються досить важко.

Мал. 89. Петля гістерезису

Будемо зменшувати В0, зменшуючи силу струму в обмотці. Коли струм зменшується до нуля (точка с), домени ще зберігають деяку впорядкованість, і осердя зберігає залишкове намагнічення. У такий спосіб виготовляють постійні магніти. Змінимо напрямок струму в обмотці, і знову будемо його монотонно збільшувати. Протилежно напрямлене до залишкового намагнічування осердя магнітне поле (-В0) почне переорієнтовувати домени, і в точці d внутрішнє поле зникає, В = 0. Подальше зростання сили струму спричиняє нову повну орієнтацію доменів (точка е). Зверніть увагу на те, що крива розмагнічування (bd) спадає повільніше, ніж зростала в процесі намагнічування феромагнетика. Це явище називають магнітним гістерезисом (від грец. гістерезис — запізнення).

Якщо знову зменшувати струм до нуля, а потім збільшувати його у протилежному напрямку, то індукція В буде змінюватись згідно з кривою efqb, допоки знову не досягне насичення в точці Ь.

Утворена на графіку внаслідок цього замкнена крива дістала назву петлі гістерезису.

У такому циклі велика кількість енергії перетворюється на тепло (через внутрішнє тертя під час переорієнтації доменів); можна довести, що втрати тепла пропорційні площі петлі гістерезису.

Феромагнетики з великою площею петлі гістерезису називають жорсткими, а з малою площею — м’якими.

Про застосування магнітних матеріалів читайте в електронному додатку.

ЗНАЮ, ВМІЮ, РОЗУМІЮ

  • 1. Які речовини називають діамагнетиками; парамагнетиками; феромагнетиками?
  • 2. Що таке домен? Як поводять себе домени під час намагнічування феромагнетика?
  • 3. Які основні властивості мають феромагнетики? Наведіть приклади практичного використання феромагнетиків у техніці.