Презентация «Типы магнетиков»

Магнетик Диамагнетики Диамагнитный эффект ПарамагнетикиПарамагнитный эффект Ферромагнетики Необычные свойства ферромагнетиков Природа ферромагнетизма Классификация магнитных материалов Магнитомягкие ферромагнетики Магнитотвердые ферромагнетики Список литературы

Магнетик – вещество, способное под действием магнитного поля приобретать магнитный момент(намагничиваться). В зависимости от величины магнитной восприимчивости χ магнетики делятся на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

диамагнетиками. Вещества, у которых χ<0, а |χ|<<1, т.е. |χ| порядка 10 -8, называются диамагнетиками. К ним относятся все инертные газы, Cu, Ca, Zn, Au, Ag, Sb, Si, P, Hg, вода, бензолы и др. Диамагнетики намагничиваются противоположно внешнему магнитному полю Н. Кривая намагничивания показана на рис. 2. Диамагнитные атомы не обладают результирующим магнитным моментом ( m =0).

Пусть в некотором атоме два электрона вращаются по одинаковым круговым орбитам в противоположные стороны (Рис. 72). На электроны действует кулоновская сила со стороны ядра, которая и обеспечивает центростремительное ускорение электронов. Каждый из движущихся электронов представляет собой круговой ток, который обладает магнитным моментом. Понятно, что в данной модели, так как электроны вращаются в противоположных направлениях, суммарный магнитный момент данной системы равен нулю. Если же этот атом поместить в магнитное поле (для простоты перпендикулярное плоскости орбит), то на движущиеся электроны начнет действовать сила Лоренца (Рис. 73), причем эта сила для одного электрона будет направлена к центру окружности, а для другого - от центра. Эти силы изменят скорости движения электронов: скорость одного возрастет, а другого уменьшится, в результате чего магнитные моменты электронов изменяться, а атом в целом приобретет магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю.

Электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома [он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов] равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Au, Си), большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д. Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

парамагнетиками. Если 1>χ>0, но χ порядка , то такие вещества называются парамагнетиками. Это О 2, Н 2, лютеций Lu, иттрий Y, щелочные металлы, Mg, Al, Ti, V, Mo, многие химические соединения, FeC, MnO и другие. Атомы, ионы, молекулы этих элементов обладают результирующим магнитным моментом. Кривая намагничивания показана на рис.3. У парамагнетиков магнитная восприимчивость зависит от температуры: χ = С/Т, где С – постоянная Кюри. Парамагнетики намагничиваются вдоль магнитного поля Н.

В отсутствии магнитного поля магнитные моменты атомов и молекул вследствие теплового движения ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 75). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы магнитный момент был ориентирован параллельно полю. Поведение контура с током в магнитном поле мы рассматривали ранее, при определении вектора индукции поля. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается, то есть приобретает магнитный момент. Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным магнитным моментом направлено так же, как и внешнее поле. То есть, парамагнетики усиливают внешнее поле. Позже мы покажем, что указанное намагничивание приводит к тому, что парамагнетики втягиваются в область более сильного магнитного поля.

Во всех веществах помимо ориентации молекул в магнитном поле, индуцируется магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю, то есть присутствует диамагнитный эффект. Однако, намагниченность, возникающая благодаря ориентации, значительно превышает диамагнитный эффект. Строго говоря, поведение молекул, обладающих собственным магнитным моментом, в магнитном поле значительно сложнее, описанного выше. Дело в том, что такие атомы и молекулы в свободном состоянии обладают и собственным моментом импульса (механическим моментом) L. Поэтому их поведение подобно поведению вращающегося волчка (для тех, кто не забыл детство – юлы). Если на волчок действует момент внешних сил, то его ось начинает описывать конус, то есть прецессировать вокруг вектора индукции поля (Рис. 76). Поэтому оси прецессии всех молекул совпадают. Именно такое движение молекул приводит к возникновению намагничивания вещества

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным.

При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, А1 и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным. Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с полярными молекулами, только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничивания.

ферромагнетиков У ферромагнетиков магнитная восприимчивость велика и достигает величины до Это железо Fe, никель Ni, кобальт Co, гадолиний Gd, редкоземельные металлы (РЗМ), такие как гольмий Ho, диспрозий Dy, тербий Tb и др., а также их сплавы, химические соединения, например: SmCo 5, TbFe 2, Fe+Ni+Co и другие.

Ферромагнетики обладают необычными физическими свойствами: они имеют нелинейную сложную кривую намагничивания (рис. 4), которая называется петлей гистерезиса: Н с - коэрцитивная сила, это величина напряженности обратного магнитного поля, при котором намагниченность I ферромагнетика равна нулю; I R называется остаточной намагниченностью;

намагниченность насыщения I S зависит от температуры (рис. 5); Т c – это температура Кюри, т.е. такая температура, ниже которой ферромагнетик находится в ферромагнитном состоянии, а выше – в парамагнитном (т.е. в размагниченном) состоянии;

магнитная восприимчивость χ ферромагнетика зависит от температуры (рис. 7) и магнитного поля Н (рис. 6), выше температуры Кюри Т c зависимость восприимчивости определяется по формуле χ = С/(Т-Тс) (рис. 7)(рис. 6)

При температуре Кюри Тс теплоемкость C V при постоянном объеме испытывает скачок (рис. 8). Ферромагнетики обладают и другими необычными свойствами, например электрическими и упругими.При перемагничивании ферромагнетика затрачивается энергия W, Дж/м^3. Величина энергии, затрачиваемой на совершение одного цикла перемагничивания единицы объема ферромагнетика, определяется формулой (рис. 8)

18 Материал м = -1 Тк о СТк о СКоличество неспаренных электронов 26 Fe 27 Co 28 Ni Природа ферромагнетизма

19 Классификация магнитных материалов Магнитомягкие материалы - это материалы, которые имеют относительно небольшое значение коэрцитивной силы, не превышающее 4 кА/м и, в связи с этим, характеризующиеся узкой петлей гистерезиса. Магнитотвердые материалы характеризуются высокими значениями коэрцитивной силы (более 4 кА/м) и обладают широкой петлей гистерезиса. Материалы с прямоугольной петлей гистерезиса (ППГ) имеют форму петли гистерезиса, близкую к прямоугольной.

У магнитомягких ферромагнетиков Н c мала, приближенно меньше 10 А/м, и петля узкая, поэтому при перемагничивании они нагреваются меньше. Используются, главным образом, для изготовления магнитных сердечников, трансформаторов и дросселей. Примером магнитомягких ферромагнетиков является электротехническая сталь, никель Ni, пермаллой Ni(40%)+Si(0,15%)+Mn(0,8%)++Fe(53%) и другие.

У магнитотвердых ферромагнетиков Н с очень велика, достигает до 10 А/м, петля широкая; они характеризуются большей магнитной энергией. Используются для изготовления постоянных магнитов, аудио- и видеокассет, памяти ЭВМ и др. Пример магнитотвердых ферромагнетиков – SmCo 5, Fe 3 O 4, TbFe 2, ферриты-гранаты; 5Fe 2 O 3 3Me 2 O 3, где Me=Y, Gd, Tb, Dy, Ho и т.д. Необычные магнитные свойства (т.е. ферромагнетизм) у ферромагнетиков обусловлены наличием в них доменов.

Список литературы: Пономаренко Е.В. Физика: учебное пособие – Шымкент: ЮКГУ им. М. Ауэзова, – 176 с. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа,2003. – 432 с. Боков В.А., Физика магнетиков. Учебное пособие.- М.:Невский Диалект, БХВ-Петербург, – 272 с. И.П. Жеребцов «Электрические и магнитные цепи, основы электротехники», 1982 г.-338 с. И.А. Данилов П.М. Иванов «Общая электротехника с основами электроники», 2005 г с. Б.М. Яровский Ю.А. Селезнев «Справочное руководство по физике», 1975 г. – 125 с.