27.Магнітныя ўласцівасці рэчыва

Магнитнае поле у магнетыках. Магнетыкамі называюць рэчывы, якія здольныя ўплываць на магнітнае поле. Доследы паказалі, што ўсе рэчывы, змешчаныя ў магнітнае поле, набываюць магнітныя ўласцівасці, г. зн. намагнічваюцца. Таму ўсе рэчывы з'яўляюцца магаетыкамі.

Інтэнсіўнасць намагнічвання характарызуецца намагнічанасцю І_m, што вызначаецца як магнітны момант адзінкі аб'ёму магнетыка: , дзе — магнітны момант элемента аб'ёму.

Калі магнетык змясціць у вонкавае магнітнае поле індукцыяй В_о, то пале ў ім зменіцца: намагнічанае рэчыва стварае ўласнае магнітнае поле індукцыяй В', дасое накладваецца на вонкавае поле. Індукцыя магнітнага поля ўнутры магнетыка В = В_о + В'.

Магнетыкі, у якіх В > В₀ ( ) называюць парамагнетыкамі, а магнетыкі, у якіх В < В_о ( ), — дыямагнетыкамі.

Ва ўсіх дыямагнетыках і большасці парамагнетыкаў дадатковае полё В' значна меншае за вонкавае поле В_о . Пры выключэнні вонкавага поля В_о усе яны поўнасцю размагаічваюцца.

Аднак сярод парамагнетыкаў ёсць рэчывы (напрыклад, жалеза), якія выклікаюць вельмі вялікае ўзмацненне поля, і намагнічванне іх не знікае пры выключэнні вонкавага поля. Для іх характэрна астатковае намагнічванне. Гэтыя рэчывы атрымалі назву ферамагнетыкаў. Гірамагнітныя з'явы. Момант р_т , напрамак якога, абумоўлены рухам электрона па арбіце, таму называецца арбітальным магнітным момантам электрона. Электрон, што рухаецца па арбіце, валодае і механічным момантам імпульсу:

Вектар L антыпаралельны вектару р_т. Стасунак р_т/L называевца гірамагнітным стасункам:

(знак «мінуо указвае на тое, што напрамкі момантаў процілеглыя). 3 улікам напрамку вектараў р_т і L можна запісаць:

.У гэту формулу ўваходзяць толькі фундаментальныя пастаянныя, таму ёсць падстава лічыць, што яна сапраўдная заўсёды. Сапраўды, для розных арбіт r і розныя, таму рознымі будуць р_т і L, але іх дзель заўсёды велічыня пастаянная, роўная е/(2т). Такі ж вынік атрымліваецца і тады, калі электрон рухаецца па эліптычнай арбіце. Згодна з элементарнай тэорыяй будовы атама Бора, момант імпульсу руху электрона па арбіце квантуецца, гэта азначае, што ён можа прымаць дыскрэтныя значэнні. Таму толькі дыскрэтныя значэнні можа мець і магнітны момант

Калі электрон рухаецца па першай бораўскай арбіце (n=1), то яго магнітны момант мае найменшае значэнне: , якое называецца магнетонам Бора.

Магнітны момант электрона ў атаме можа быць толькі кратным магаетону Бора: .Пры намагнічванні цела магнітныя моманты электронаў, што ўваходзяць у састаў яго атамаў, адчуваюць дзеянне з боку вонкавага магнітнага поля. Таму будуць арыентавацца і іх механічныя моманты імпульсу, што прыводзіць да ўзнікнення дадатковага моманту імпульсу электронаў. Аднак момант імпульсу замкнёнай сістэмы пастаянны, таму намагнічванне цела суправаджаецца яго вярчэннем, а пры вяр-чэнні цела павінна намагнічвацца. Гэта з'ява атрымала назву магнітамеханічнага эфекту.

Дыямагнетызм Магнітная ўспрымальнасць дыямагаетыка: , дзе n-канцэнтрацыя атамаў, z-колькасць электронаў у атамею. Усе велічыні, што ўваходзяць у правую частку формулы, дадатныя, таму заўсёды адмоўная.

3 формулы вынікае, што магнітная ўспрымальнасць дыямагнетыкаў не залежыць ад тэмпературы. Арбітальны рух электрйнаў уласцівы ўсім атамам і малекулам, таму дыямагаетызм — з'ява універсальная, характэрная для ўсіх рэчываў. Але дыямагнітныя ўласцівасці назіраюцца толькі ў тых рэчывах, у якіх пры адсутнасці вонкавага поля магнітныя моманты атамаў роўныя нулю. Дыямагнетыкамі з'яўляюцца такія элементы, як фосфар, сера, сурма, вісмут, ртуць, золата, срэбра, медзь і іншыя, а таксама болыпасць хімічных злучэнняў (у тым ліку вада і большасць арганічных рэчываў).

Парамагнетызм ен назіраецца ў тых рэчывах, атамы і малекулы якіх маюць уласныя магнітныя моманты. Пры адсутнасці вонкавага магнітнага поля магнітныя моманты атама арыентаваны хаатычна, магаітны момант адзінкі аб'ёму цела роўны нулю. Пры наяўнасці вонкавага магнітнага поля магнітныя моманты атама імкнуцца раз-мясціцца ўздоўж поля. Цеплавы рух атамаў перашкаджае такой іх арыентацыі. У выніку ўзнікае некаторая пераважная арыентацыя магнітных момантаў атамаў у напрамку пшя. Яна тым большая, чым болыпая індукцыя поля В, і тым меншая, чым болыпая тэмпература ТП. Кюры) у 1895 г. эксперыментальна ўстанавіў закон, зіудна з якім магнітная ўспрымальнасць парамагнітнага рэчыва дзе С — пастаянная Кюры, што залежыць ад роду рэчыва; Т — абсалютная тэмпература. . Да парамагнетыкаў адносяцда некаторыя газы (кісларод, азот), металы (алюміній, вальфрам, плаціна, магній, кальцый, хром), солі кобальту, нікеяю, жалеза і інш. ФерамагнетыкіСярод парамагнетыкаў ёсць клас рэчываў, у якіх назіраецца спан-таннае намагнічванне, г. зн. яны могуць быць намагнічаныя і пры адсутнасці вонкавага магнітнага поля. Гэтыя рэчывы атрымалі назву ферамагнетыкаў. Ферамагаетыкамі з'яўляюцца наступныя хімічныя элементы: жалеза, кобальт, нікель, гадаліній, тэрбій, дыспрозій, гольмій, эрбій, тулій. Ферамагнітныя ўласцівасці апошніх пяці рэдказямельных элементаў назіраюцца толькі пры вельмі нізкіх тэмпературах. Ферамагнетыкамі з'яўляюцца таксама сплавы некалькіх ферамагнітных элементаў, сплавы ферамагнітных элементаў з нефе-рамагнітнымі і некаторыя сплавы неферамагнітных элементаў, у састаў якіх уваходзяць пераходныя элементы марганец або хром.

Ферамагнітныя . ўласцівасці назіраюцца толькі тады, калі рэчывы знаходзяцца ў крышталічным стане. У вадкім або газападобным стане ферамагнітныя рэчывы з'яўляюцца парамагнетыкамі. Магнітныя ўласцівасці ферамагнетыкаў праяўляюцца выключна моцна. Іх намагнічанасць можа перавышаць намагнічанасць парамагаетыкаў у сотні тысяч разоў. Характэрнай асаблівасцю ферамаг-нетыкаў з'яўляюцца выключна вялікія магнітныя пранікальнасць і ўспрымальнасць, а таксама нелінейная залежнасць магнітнай івдукцыі В і намагнічанасці І_т ад напружанасці магнітнага поля Н.

Гістэрэзіс. Першыя сіетэматычныя доследы па вывучэнні магнітных уласцівасцей ферамагаетыкаў выканаў у 1872 г. выдатны рускі фізік А. Р. Сталетаў (І839—1896). Каб пазбегнуць унлыву формы ўзору ферамагаетыка на вынікі доследаў, ён прапанаваў два вельмі важныя метады магнітных вымярэнняў — метад таройда з замкнёным магнітным ланцугом і балістычнае вымярэнне намагнічанасці. Карыстаючыся гэтымі метадамі, Сталетаў вывучаў намагнічванне мяккага жалеза і ўстанавіў залежнасць магнітнай пранікалькасці ад напружа-насці магнітнага поля Н (рыс. 13.12). 3 рысунка відаць, што пры малых напружанасцях поля магнітная пранікальнасць рэзка ўзрастае з павелічэннем Н і дасягае максімуму, а ў моцных палях імкнецца да адзінкі ( ). Пачынаецца крывая з некаторай велічыні , што называецца пачатковай пранікальнасцю. Гэта крывая носіць назву крывой Сталетава. А. Р. Сталетаў заўважыў, што на велічыню уплывае папярэдняе намагнічванне ферамагнетыка. Разгледзім гэту.з'яву.

З месцім поўнасцю размагнічаны ферамагнітны стрыжань унутр доўгай катушкі і будзем павялічваць у ёй ток, пачынаючы з нуля. Пры нарастанні току будуць павялічвацца магнітнае поле току і намагнічванне стрыжня. Калі напружанасць поля павялічваецца ад нуля да Н₁ , то залежнасць апісваецца крывой ОВ₁ (рыс. 13.13), якая называецца пачатковай крывой намагнічвання. Пачнём памяншаць ток у катушцы, а разам з ім і напружанасць поля ад Н₁ да 0. Тады змяненне магнітнай індукцыі будзе апісвацца крывой B₁ В_r. Змяненне магнітнай індукцыі адстае ад змянення напружанасці поля. Гэта з'ява называецца магнітным гістэрэзісам. Пры Н=0 намагнічванне не знікае, застаецца астатковая індукцыя В₂ .

Каб размагніціць ферамагнетык, патрэбна прыкласці магнітнае поле процілеглага напрамку, што можна зрабіць, калі змяніць напрамак току ў катушцы.

Напружанасць поля -Н_с , пры якой індукцыя В роўная нулю, называецца каэрцытыўнай сілай. Пры напружанасці поля —Н₁ магнітная індукцыя роўная В₂. Калі напружанасць поля змяняць ад —Н₁ да 0, то пры H=0 індукцыя магнітнага поля роўная —В_г, ферамагнетык застаецца яамагнічаным, але напрамак намагнічанасці процілеглы таму, што быў у полі +Н₁ . 3 ростам напружанасці ад 0 да H₁ індукцыя змяняецца па крывой —В_rН_CВ₁ . Атрымалася замкнёная крывая, якая называецца пятлёй гістэрэзіса. Пятля гістэрэзіса, якая апісвае намагнічванне ферамагнетыка ад насычэння ў адным напрамку да насычэння ў другім напрамку, называецца максімальнай.

Сапраўдныя значэнні каэрцытыўнайсілы Н_с і астатковай індукцыі В_r можyа атрымаць толькі на максімальнай пятлі гістэрэзісу.