Магнітні властивості речовини

Перед тим, як розглянути природу магнітних властивостей речовини, нагадаємо одиниці магнітних величин у Міжнародній системі одиниць (СІ).

Магнітне поле прямолінійного провідника зі струмом I характеризується напруженістю магнітного поля (А/м):  H = I/(2pr),  де r- відстань від провідника до точки, в якій визначається напруженість. Якщо струм проходить по обмотці з числом витків w, то він створює намагнічувальну силу (НС) (A): F = Iw. Якщо ця обмотка рівномірно намотана на феромагнітний магнітопровід з однаковим перетином s по всій його довжині l (наприклад, осердя кільцевої форми), то напруженість магнітного поля в магнітопроводі:   H = Iw/l.

Під дією НС в магнітопроводі створюється магнітний потік Ф (Вб). Поряд з напруженістю магнітне поле характеризується магнітною індукцією B (Тл), яка визначається для рівномірного поля виразом: B = Ф/s, де s -площа, через яку проходить магнітний потік.

Магнітна стала m0 (магнітна проникність вакууму) являє собою відношення магнітної індукції до напруженості магнітного поля у вакуумі: m0 =B/Н і є фізичною константою, яка чисельно дорівнює
m0 = 4p ×10^-7 Вб/м²×м/А або Гн/м. Напруженість зовнішнього магнітного поля не залежить від властивостей середовища (речовини), де створюється магнітний потік. Магнітна індукція визначається як напруженістю поля, так і властивостями речовини, що характеризується відносною магнітною проникністю m, яка показує, в скільки разів проникність речовини більша або менша проникності вакууму.

Магнітна індукція в речовині:

B = mm0 H. (1.1.1)

Оскільки будь-який струм створює магнітний момент (А·м²), що визначається формулою  m = i·s, де i – струм, А;  s – площа, яка обтікається струмом, м², то електрон, який обертається по орбіті навколо ядра, має деякий орбітальний магнітний момент. Крім того, при русі по орбіті кожний електрон має властивість близьку до властивостей зарядженого тіла, що обертається  навколо своєї осі. Цю властивість  називають спіном електрона,що зумовлює спіновий магнітний момент (рис. 1.1.1,а,б). У випадку

Рис 1.1.1. Магнітні моменти електрона в атомі

декількох електронів повний або власний магнітний момент атома визначається деякою сумою орбітальних і спінових моментів з урахуванням їх напрямків. Орбітальні і спінові магнітні моменти можуть мати лише один з двох можливих напрямків (узгоджений або протилежний). У тому випадку, коли вони направлені в протилежні боки, магнітні моменти пари електронів взаємно компенсуються. Це явище має місце в будь-якій повністю заповненій оболонці.

Магнітний момент одиниці об’єму речовини називають намагніченістю (А/м): М =åm/V, де åm-сумарний момент атомів, що займають об’єм V. Намагніченість можна розглядати як напруженість, що утворюється мікрострумами електронних оболонок речовини. Тому індукцію в речовині можна уявити як

B  = m0 (Н+М). (1.1.2)

Часто вектори Н і М мають однаковий напрямок. При цьому можна перейти до скалярного виразу. Якщо винести  Н за дужки, отримаємо:

B  = (1+)m0 Н. (1.1.3)

З порівняння (1.1.3) і (1.1.1) видно, що відносна магнітна проникність m =1+М/Н. За значенням m усі речовини поділяють на діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики і феримагнетики.

Якщо на атом діє зовнішнє магнітне поле H, то виникає прецесія орбіт електронів навколо вектора цього поля. Прецесія орбіти (на рис. 1.1.1,б пунктиром) еквівалентна деякому додатковому обертанню електрона, яке створює додатковий магнітний момент. За правилом Ленца цей магнітний момент завжди спрямований проти зовнішнього поля, що його викликало, і прагне послабити його. Це явище називають діамагнетизмом, і воно властиве атомам усіх речовин.

У діамагнітних речовин вектор намагніченості спрямований назустріч вектору напруженості зовнішнього поля (рис. 1.1.1, б), тому у них m <1.

У парамагнітних (слабкомагнітних) речовин атоми мають відмінні від нуля власні магнітні моменти, які при відсутності зовнішнього поля орієнтовані рівноймовірно в усіх напрямках; тому середній магнітний момент речовини дорівнює нулю. При накладенні зовнішнього поля виникають сили, які переборюють дезорієнтовну дію теплового руху атомів та орієнтують магнітні моменти атомів за полем подібно до магнітних стрілок, що розташовані у зовнішньому полі. Тому у парамагнетиків загальна намагніченість співпадає з напрямком зовнішнього поля і m >1.

У діамагнетиків і парамагнетиків намагніченість невелика і є наведеною зовнішнім полем намагніченістю та зникає разом із зникненням цього поля.

Феромагнетики – сильномагнітні речовини, в яких відносна магнітна проникність m >>1 і може досягати десятків і навіть сотень тисяч. З хімічно чистих елементів феромагнітні властивості мають тільки дев’ять: залізо, нікель, кобальт, гадоліній і при температурах значно нижче 0 °С п’ять рідкоземельних елементів: ербій, диспрозій, тулій, гольмій і тербій. Проте чисельність феромагнітних матеріалів дуже велика, тому що до феромагнітних матеріалів відносяться сплави самих феромагнітних елементів і їхні сплави з неферомагнітними елементами. Крім того, відомі феромагнітні сплави з неферомагнітних елементів.

Фізичні експерименти показали, що феромагнітні властивості визначаються нескомпенсованими спінами електронів, розташованими в одному із внутрішніх шарів, який у феромагнетиків обов’язково заповнений неповністю. Як відомо, в більшості елементів внутрішні шари заповнені повністю, а зовнішній незаповнений шар у феромагнетиків, як і у всіх елементів, визначає валентність елемента в хімічних реакціях.

Наявність нескомпенсованих спінів у внутрішніх шарах є необхідною, але недостатньою умовою феромагнетизму. Крім того, ізольовані один від одного атоми таких речовин не виявляють феромагнітних властивостей. Вони спостерігаються лише в кристалічному стані при обмінній взаємодії атомів у кристалі, коли електрони внутрішніх незаповнених шарів належать одночасно і своїм, і сусіднім атомам (атоми “обмінюються” електронами). Їхня взаємодія характеризується інтегралом обміну, величина і знак якого в значній мірі залежать від відносної відстані між атомами в кристалічній решітці. При позитивному значенні цього інтегралу обмінна взаємодія атомів призводить до паралельної орієнтації нескомпенсованих спінів, що зумовлює спонтанну (тобто самодовільну) намагніченість речовини Ms, яка характеризує його феромагнітні властивості. Термін “спонтанна” підкреслює, що ця намагніченість є наслідком сил міжатомної взаємодії, а не з’являється, як наведена намагніченість у діа- і парамагнетиків, лише в результаті впливу на речовину зовнішнього магнітного поля. При негативному значенні інтегралу обміну нескомпенсовані спіни електронів встановлюються антипаралельно і, таким чином, взаємно компенсуються, так що власний магнітний момент речовини стає рівним нулю і спонтанна намагніченість відсутня. У цьому полягає явище антиферомагнетизму На рис. 1.1.2, де в дужках поруч із позначеннями елементів вказані числа нескомпенсованих спінів, видно, що залізо, кобальт, нікель і гадоліній.

Рис. 1.1.2. Залежність інтегралу обміну від                Рис. 1.1.3. Залежність спонтанної

відношення відстані між атомами а намагніченості від

до діаметра незаповненого шару d температури

мають феромагнітні властивості; а марганець, незважаючи на наявність п’ятьох нескомпенсованих спінів, – антиферомагнітний. Межею областей феромагнетизму й антиферомагнетизму є відношення відстані між атомами а до діаметру незаповненого шару d, яке дорівнює 1,5. Цим пояснюється, зокрема, що марганець набуває феромагнітних властивостей у сплавах із таким неферомагнітним елементом, як магній, атоми якого розсувають решітку марганцю, збільшуючи відстань між атомами. Так одержують магній-марганцеві ферити, які широко використовуються в запам’ятовувальних пристроях ЕОМ. Кристалічну решітку антиферомагнетика можна розглядати як решітку, що складається з двох підрешіток, які намагнічені протилежно (скомпенсовані). У деяких речовин компенсація може виявитися неповною. Це явище, яке називається феримагнетизмом, призводить до того, що в феримагнетиках виникає деяка підсумкова спонтанна намагніченість (їх відносна магнітна проникність        m>>1 і  може досягати декількох тисяч). Тому феримагнітні матеріали – ферити, які складаються з оксидів металів, часто називають неметалевими феромагнетиками.

При підвищенні температури речовини енергія теплового руху прагне зруйнувати стан спонтанної намагніченості. При температурі, яку називають точкою Кюрі енергія теплового руху стає достатньою для подолання орієнтувальної дії обмінної енергії і речовина втрачає феромагнітні властивості (рис. 1.1.3).

Васюра А.С. – книга “Елементи та пристрої систем управління автоматики”