3.3.2. Магнітне поле в магнетиках. Діамагнетики і парамагнетики

При розгляді магнітного поля струму в будь-якому середовищі потрібно враховувати, що до зовнішнього намагнічуючого поля до­дається внутрішнє поле поляризованого магнетика. Ці поля дають результуюче поле, яке визначається вектором магнітної індукції:

(3.22)

За змістом величину (3.22) треба було б назвати не магнітною індукцією, а напруженістю магнітного поля в магнетику, бо це - силова характеристика магнітного поля в середовищі.

У діамагнетиках виявляється чистий діамагнітний ефект: вони намагнічуються в напрямі, протилежному до зовнішнього магнітного поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діамагнетики виштовхуються в ті області, в яких зовнішнє магнітне поле слабше. Цим пояснюється те, що підвішений на нитці діамагнітний стержень намагається повернутись і вста­новитися в напрямі, перпендикулярному до , а діа­магнітні гази в полум'ї свічки виштовхуються з міжполюсного проміжку.

До діамагнетиків належать: Zn, Си, Ві, Sb, Aq, Аи, Рb, І, С, Нq, Sі, Н₂О (слабо), СO₂, смоли, скло, мармур, віск, благородні гази і більшість органічних сполук. Для них . Отже електромагнітні сили взаємодій у діамагнітному середовищі менші, ніж у вакуумі. З цих причин діа­магнетик непридатний для побудови електромагнітів.

Парамагнетиками називають речовини, атомам або молекулам яких властиві певні магнітні моменти.

До парамагнетиків належать: Сг, Мn, Sn, А1, Рt, Nа, К, О, N, оксид азоту, рідкісноземельні елементи, луги і лужноземельні елементи. Для них .

Коли немає магнітного поля, магнітні моменти окремих атомів розташовані безладно і парамагнетик ненамагнічений. Якщо ж парамагнетик внести в магнітне поле, то на кожний атом діятиме механічний обертальний момент. Тому магнітні моменти атомів нама­гатимуться встановитися в напрямі зовнішнього магнітного поля, вико­нуючи деякий час коливання відносно положень рівноваги.

Тепловий рух дезорієнтує упорядковані атомні магнітні моменти. Орієнтація тим гірша, чим вища темпера­тура і чим слабше магнітне поле. При досить сильному магнітному полі може настати насичення, і магнітні моменти всіх атомів повністю зорієнтуються в напрямі зовнішнього магнітного поля.

Отже, парамагнетики намагнічуються в напрямі навідного зов­нішнього магнітного поля. Намагнічені парамагнетики підсилюють зовнішнє магнітне поле. Тому парамагнетик втягується в міжполюсний проміжок.

3.3.3. Феромагнетики та їх властивості

Феромагнетиками називаються речовини, в яких власне магнітне поле може бути в багато разів (у сотні й тисячі) сильніше, ніж зовнішнє поле, яке зумовило намагнічення. До феромаг­нетиків належать (у кристалічному стані): залізо, нікель, кобальт, гадоліній, їх оксид й сполуки із сіркою. При дуже низьких темпера­турах феромагнітні властивості виявляють також диспрозій і ербій. До феромагнетиків належать сплави з не феромагнітних компонентів на основі марганцю і хрому: МnВі, МnSn, СгРt, СгS та ін.

Феромагнетики, як і парамагнетики, намагнічу­ються в напрямі зовнішнього магнітного поля, але феромагнетики мають свої особливості відмінні від властивостей парамагнетиків.

Рис. 3.7. Залежність від для феромагнетика

1. Намагніченість і індукція й нелінійно залежать від напру­женості зовнішнього магнітного поля. На рис. 4.3.1 дано графічну залежність вектора намагніченості від . У слабких полях круто наростає із збільшенням , а потім сповільнюється і при досягає максимального значення, яке практично залишається не­змінним. У цьому стані, який Столєтов назвав насиченням, усі магнітні моменти атомів упорядковуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Дальше збільшення не зумовлює зростання .

Рис. 3.8. Петля гістерезису

2. Відносна магнітна проникність — не стала величина, вона залежить від . У слабкому магнітному полі швидко зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає, наближаючись до одиниці, як для вакууму.

Максимальні значення дуже великі: для заліза - 5000, кремнистого заліза (3,3 % Sі) - 10 000, пермалою - 100 000.

3. Феромагнетики зберігають своє намагнічення після того, як перестає діяти зовнішнє магнітне поле.

Для дослідження цього явища помістимо ненамагнічений феро­магнітний стержень у котушку і збільшуватимемо в ній струм, почи­наючи від нуля. Тоді залежність вектора намагніченості від напруженості магнітного поля виразиться кривою (рис. 4.3.2). При = настає насичення. Якщо тепер зменшувати напруженість магнітного поля від до нуля, то графік вже не піде зво­ротним шляхом, а зобразиться кри­вою, яка лежить вище від первинної кривої. Отже, зменшен­ня не супроводиться відповідним зменшенням , спостерігається від­ставання розмагнічення.

Явище відставання (запізнення) змін намагнічення тіла від змін на­пруженості магнітного поля називається магнітним гістерезисом, а те намагнічення, яке зберігається після зникнення зовнішнього магнітного поля, називається залишко­вим намагніченням. При цьому частина магнітних моментів атомів залишається зорієнтованою в початковому напрямі. Залишкове на­магнічення вимірюється відрізком . Щоб знищити , збільшуватимемо у протилежному напрямі. При залишкове намагнічення зникає. Напруженість поля , при якій знищується залишкове намагні­чення , є мірою стійкості феромагнетика і називається затримую­чою, або коерцитивною силою.

Якщо ще збільшувати у протилежному напрямі, то знову настане насичення: стержень намагнітиться в протилежному до початкового напрямі. Якщо тепер зменшувати до нуля, то залишкове намагнічення стане - . Щоб його знищити, треба збільшувати .

ёКоли змінюється циклічно, крива намагнічення феромагнетика має вигляд замкнутої кривої, яка нази­вається петлею гістерезису.

Намагнічення феромагнетиків залежить від температури. З підви­щенням температури залишкове намагнічення зменшується і при певній температурі, яка називається точкою Кюрі, зникає зовсім. Це пояснюється досить інтенсивним тепловим рухом молекул феромагнетика і дезорієнтацією спінових магнітних моментів. Точка Кюрі для різних феромагнетиків неоднакова: для заліза 1053 К, нікелю 631 К, кобальту 1423 К, пермалою 823 К тощо. З переходом через точку Кюрі феромагнетик поводить себе в зовнішньому магнітному полі як парамагнетик.

При температурах нижчих від точки Кюрі феромагнетик природно розділяється на велику кількість досить малих областей самодовільного (спонтанного) намагнічення. Такі ділянки спонтанного намагнічення всередині феромагнетика називаються доменами. У межах окремих доменів магнітні моменти упорядковані й спрямовані в якомусь одному напрямі. Але домени всередині тіла зорієнтовані безладно, тому, коли зовнішнього магнітного поля немає, векторна сума магнітних моментів доменів дорівнює нулю і тіло в цілому ненамагнічене.

У випадку технічного намагнічування феромагнетика зовнішнє магнітне поле зорієнтовує магнітні моменти не окремих атомів (мо­лекул), як у парамагнетиках, а доменів

Існують речовини, в яких, на відміну від феромагнетиків, магнітні моменти зорієнтовані попарно антипарапельно. Можна ска­зати, що магнітні моменти утворюють ніби дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямах. Такі речовини, в яких намагнічення обох підрешіток однакове за величиною, називаються антиферомагнетиками. До них належать деякі сполуки марганцю (МnО, МnS), хрому (NiСr, Сr₂О₃), ванадію (VО₂) тощо. Антиферомагнітний стан спостерігається нижче від певної температури, яка називається антиферомагнітною точкою Кюрі.