Содержание

1.Введение 2

2. Виды магнетизма 3

2.1.1.Парамагнетизм 6

2.1.2.Диамагнетизм 6

2.1.3.Ферромагнетизм 7

2.1.4.Ферримагнетизм 8

3. Ферромагнетизм. 9

3.1.1 Обменное взаимодействие 10

3.1.2. Точка Кюри. 12

3.1.3. Намагниченность, намагничивание. 13

3.1.4. Домены. 15

3.1.5. Гистерезис. 15

3.1.6. Магнитная анизотропия. 18

3.1.7. Фазовые переходы 2-го порядка. 19

3.1.8. Магнитострикция. 24

3.1.9. Ферромагнитный резонанс. 26

3.1.10. Методы изучения. 27

4. Литература. 29

1.Введение

Магнетизм в науке и технике.Основными научными проблемами современного учения о М. является выяснение природы обменного взаимодействия и взаимодействий, обусловливающих анизотропию в различных типах магнитоупорядоченных кристаллов; спектров элементарных магнитных возбуждений (магнонов) и механизмов их взаимодействия между собой, а также сфононами(квантами колебаний кристаллической решётки). Важной проблемой остаётся создание теории перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние. Исследование М. веществ широко применяется в различных областях науки как средство изучения химических связей и структуры молекул (магнетохимия). Изучение диа- и парамагнитных свойств газов, жидкостей, растворов, соединений в твёрдой фазе позволяет разобраться в деталях физических и химических процессов, протекающих в этих телах, и в их структуре. Изучение магнитных динамических характеристик (пара-, диа- и ферромагнитный, электронный и ядерный резонансы и релаксации) помогает понять кинетику многих физических и физико-химических процессов в различных веществах.Интенсивно развиваетсямагнитобиология.

К важнейшим проблемам М. космических тел относятся: выяснение происхождения магнитных полей Земли, планет, Солнца, звёзд (в частности, пульсаров),внегалактических радиоисточников (радиогалактик, квазарови др.), а также роли магнитных полей в космических процессах.

Основные технические применения М. находит в электротехнике, радиотехнике, электронике, приборостроении, электронных счётно-решающих устройствах, морской, авиационной и космической навигации, геофизических методах разведки полезных ископаемых, автоматике и телемеханике. В технике широкое применение нашли также магнитная дефектоскопияи магнитные методы контроля.Магнитные материалыидут на изготовление магнитопроводов генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной памяти, стрелок компасов, лент магнитной записи и так далее.

2. Виды магнетизма

Магнетизм (от греческого magnetis — магнит), проявляется в макромасштабах как взаимодействие между электрическими токами, между токами и магнитами (то есть телами смагнитным моментом) и между магнитами. В наиболее общем виде М. можно определить как особую форму материальных взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами. Передача магнитного взаимодействия, реализующая связь между пространственно-разделёнными телами, осуществляется особым материальным носителем —магнитным полем.Оно представляет собой наряду с электрическим полем одно из проявлений электромагнитной формы движения материи.Между магнитным и электрическим полями нет полной симметрии. Источниками электрического поля являются электрические заряды, которыми обладают элементарные частицы — электроны, протоны, мезоны и другие. Аналогичных магнитных зарядов пока не наблюдали в природе, хотя гипотезы об их существовании высказывались.

Источником магнитного поля является движущийся электрический заряд, то есть электрический ток.В атомных масштабах для электронов и нуклонов (протонов, нейтронов) имеются два типа микроскопических токов — орбитальные, связанные с переносным движением центра тяжести этих частиц, и спиновые,связанные с внутренними степенями свободы их движения.

Количественной характеристикой М. частиц являются их орбитальный и спиновый магнитные моменты (обозначаются М).Поскольку все микроструктурные элементы веществ — электроны, протоны и нейтроны — обладают магнитными моментами, то и любые их комбинации — атомные ядра и электронные оболочки — и комбинации их комбинаций, то есть атомы, молекулы и макроскопические тела, могут в принципе быть источниками магнетизма. Таким образом, М. веществ имеет универсальный характер.

Известны два основных эффекта воздействия внешнего магнитного поля на вещества. Во-первых, диамагнитный эффект, являющийся следствием закона индукции Фарадея:внешнее магнитное поле всегда создаёт в веществе такой индукционный ток, магнитное поле которого направлено против начального поля.Поэтому создаваемый внешним полем диамагнитный момент вещества всегда отрицателен по отношению к этому полю.

Во-вторых, если атом обладает отличным от нуля магнитным моментом (спиновым, орбитальным или тем и другим), то внешнее поле будет стремиться ориентировать его вдоль своего направления. В результате возникает параллельный полю положительный момент, который называют парамагнитным.

Вещества, в которых атомные магнитные моменты расположены параллельно друг другу, называются ферромагнетиками;соответственноантиферромагнетикаминазываются вещества, в которых соседние атомные моменты расположены антипараллельно. Сложность атомной структуры веществ, построенных из огромного числа атомов, приводит к практически неисчерпаемому разнообразию их магнитных свойств. При рассмотрении магнитных свойств веществ для последних употребляют общий термин — «магнетики». Взаимосвязь магнитных свойств веществ с их немагнитными свойствами (электрическими, механическими, оптическими и т.д.) позволяет очень часто использовать исследования магнитных свойств как источник информации о внутренней структуре микрочастиц и тел макроскопических размеров.

Одной из основных макроскопических характеристик магнетика, определяющих его термодинамическое состояние, является вектор намагниченности J(суммарный магнитный момент единицы объёма магнетика). Опыт показывает, что вектор Jесть функция напряжённости магнитного поляН.Графически зависимостьJ (Н) изображается кривой намагничивания, имеющей различный вид у разных магнетиков. В ряде веществ междуJ  иН существует линейная зависимостьJ = Н, где — магнитная восприимчивость(у диамагнетиков < 0, у парамагнетиков > 0). У ферромагнетиков связанос Н нелинейно; у них восприимчивость зависит не только от температурыТи свойств вещества, но и от поляН.

  Термодинамически намагниченность Jмагнетика определяется черезпотенциал термодинамический Ф (Н, Т, р) по формуле

(здесь р — давление). В свою очередь, расчёт Ф (Н, Т, р) основан на соотношении Гиббса — Богуславского Ф = —kTlnZ (H, T), гдеk — Больцмана постоянная, Z (Н, Т) — статистическая сумма.

Из общих положений классической статистической физики следует, что электронные  М. атомов и молекул обусловлен спиновыми магнитными моментами их электронов, движением электронов в оболочках атомов и молекул (так называемым орбитальным М.), спиновым и орбитальным М. нуклонов ядер. В многоэлектронных атомах сложение орбитальных и спиновых магнитных моментов производится по законам пространственного квантования: результирующий магнитный момент определяется полным угловым квантовым числомjи равен

гдеg_i — множитель Ланде,_в—Бора магнетон.

Магнитные свойства веществ определяются природой атомных носителей М. и характером их взаимодействий. О существенном влиянии этих взаимодействий на магнитные свойства говорит, в частности, сравнение магнитных свойств изолированных атомов различных элементов. Так, у атомов инертных газов (Не, Ar, Ne и других) электронные оболочки магнитно нейтральны (их суммарный магнитный момент равен нулю). Во внешнем магнитном поле инертные газы проявляют диамагнитные свойства.Электронная оболочка атомов щелочных металлов (Li, Na, К и других) обладает лишь спиновым магнитным моментом валентного электрона, орбитальный момент этих атомов равен нулю. Пары щелочных металлов парамагнитны.У атомов переходных металлов (Fe, Со, Ni и других) наблюдаются, как правило, большие спиновые и орбитальные магнитные моменты, обусловленные недостроеннымиd-иf-слоями их электронной оболочки.

Количественно взаимодействие между атомными носителями М. в веществе можно охарактеризовать величиной энергии _взэтого взаимодействия, рассчитанной на отдельную пару частиц — носителей магнитного момента. Энергию_вз,обусловленную электрическим и магнитным взаимодействием микрочастиц и зависящую от их магнитных моментов, можно сопоставить с величинами энергий других атомных взаимодействий. В электронных оболочках атомов и молекул, а также в электронной системе конденсированных веществ (жидкости, кристаллы) действуют 2 типа сил — электрические и магнитные. Мерой электрического взаимодействия может служить электростатическая энергия_элдвух электронов, находящихся на атомном расстоянии (а = 10^-8 см):_эле²/a ~ 10^-12эрг(здесь е — заряд электрона). Мерой магнитного взаимодействия служит энергия связи двух микрочастиц, обладающих магнитными моментамив и находящихся на расстоянии а, то есть_магн ²_в/а³ ~ 10^-16эрг. Таким образом,_элпревосходит энергию_магнпо крайней мере на три порядка.

На основе квантовой механики было показано, что наряду с кулоновским электростатическим взаимодействием заряженных частиц существует также чисто квантовое электростатическое обменное взаимодействие,зависящее от взаимной ориентации магнитных моментов электронов. Таким образом, эта часть электрического по своей природе взаимодействия оказывает существенное влияние на магнитное состояние электронных систем. В частности, это взаимодействие благоприятствует упорядоченной ориентации магнитных моментов атомных носителей М. Верхний предел энергии обменного взаимодействия_об~ 10^-13эрг.

Значение _об> 0 соответствует параллельной ориентации атомных магнитных моментов, то есть самопроизвольной (спонтанной) намагниченности тел (ферромагнетиков). При_об< 0 имеет место тенденция к антипараллельной ориентации соседних магнитных моментов, характерной для атомной магнитной структуры антиферромагнетиков. Изложенное позволяет провести следующую физическую классификацию М. веществ.

I. Магнетизм слабовзаимодействующих частиц (_вз _вНили_вз кТ)

А. Преобладание диамагнетизма. К веществам с диамагнитными свойствами относятся:

а) все инертные газы, а также газы, атомы или молекулы которых не имеют собственного результирующего магнитного момента

б) органические соединения с неполярной связью, в которых молекулы или радикалы либо не имеют магнитного момента, либо парамагнитный эффект в них подавлен диамагнитным

Б. Преобладание парамагнетизма характерно:

а) для свободных атомов, ионов и молекул, обладающих результирующим магнитным моментом.

б) для ионов переходных элементов в жидких растворах, а также в кристаллах при условии, что магнитно-активные ионы слабо взаимодействуют друг с другом и их ближайшее окружение в конденсированной фазе слабо влияет на их парамагнетизм.

в) для ферро- и антиферромагнитных веществ выше точки Кюри .

  II. Магнетизм электронов проводимости в металлах и полупроводниках

А. Парамагнетизм электронов проводимости в металлах (спиновый парамагнетизм) наблюдается у щелочных (Li, К, Na и другие), щёлочноземельных (Ca, Sr, Ba, Ra) и переходных металлов (Pd, Pt), а также у металлов Sc, Ti, V. Восприимчивость их мала (~ 10^-5), не зависит от поля и слабо меняется с температурой. У ряда металлов (Cu, Ag, Au и других) этот парамагнетизм маскируется более сильным диамагнетизмом ионных остовов.

Б. Диамагнетизм электронов проводимости в металлах присущ всем металлам, но, как правило, его маскирует либо более сильный спиновый электронный парамагнетизм, либо диа- или парамагнетизм ионных остовов.

В. Пара- и диамагнетизм электронов проводимости в полупроводниках. По сравнению с металлами в полупроводниках мало электронов проводимости, но число их растет с повышением температуры; в этом случае также зависит отТ.

  III. Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (_вз _вНили_вз кТ)

А. Ферромагнетизм имеет место в веществах с положительной обменной энергией (_об> 0): кристаллах Fe, Со, Ni, ряде редкоземельных металлов (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb), сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Сг, Mn и в соединениях урана. Для ферромагнетизма характерна самопроизвольная намагниченность при температурах ниже точки Кюри, приT > ферромагнетики переходят либо в парамагнитное, либо в антиферромагнитное состояние (последний случай наблюдается, например, в некоторых редкоземельных металлах). В отсутствии внешнего поля ферромагнитные тела не обладают результирующей намагниченностью. Это объясняется тем, что приН = 0 ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей самопроизвольного намагничивания (доменов).Векторы намагниченности отдельных доменов ориентированы так, что суммарная намагниченность ферромагнетика равна нулю. Во внешнем поле доменная структура изменяется, ферромагнитный образец приобретает результирующую намагниченность.

Магнитное состояние ферро- или антиферромагнетика во внешнем магнитном поле Н определяется, помимо величины поля, ещё и предшествующими состояниями магнетика (магнитной предысторией образца). Это явление называется гистерезисом.Магнитный гистерезис проявляется в неоднозначности зависимостиJ отН (в наличии петли гистерезиса). Благодаря гистерезису для размагничивания образца оказывается недостаточным устранить внешнее поле, приН = 0 образец сохранит остаточную намагниченностьJ_r. Для размагничивания образца нужно приложить обратное магнитное полеH_c, которое называетсякоэрцитивной силой.