Діа-, пара- і феромагнетики#
Магнітне поле в середовищі#
Коли будь-яке тіло потрапляє у зовнішнє електричне поле, в ньому відбувається перерозподіл електричних зарядів, що призводить до утворення власного електричного поля з напрямком, протилежним до зовнішнього. Через це інтенсивність електричного поля в речовині завжди менша, ніж у вакуумі.
Фізичну величину, яка показує, у скільки разів напруженість \(\vec{E}\) електричного поля в речовині слабкіша від напруженості \(\vec{E}_0\) електричного поля у вакуумі, називають діелектричною проникністю середовища ε:
Діелектрична проникність середовища завжди більша за одиницю. Так, вода послаблює електричне поле у 81 раз (\(\varepsilon = 81\)), гас - у 2.7 рази, слюда - у 5-7 разів.
Аналогічно середовище впливає і на магнітне поле. Будь-яка речовина, розташована в зовнішньому магнітному полі, набуває намагніченості та створює власне магнітне поле. Особливість полягає в тому, що власне магнітне поле деяких речовин спрямоване так само, як зовнішнє, а в інших - у протилежному напрямку. Це означає, що середовище може як підсилювати, так і послаблювати зовнішнє магнітне поле.
Для характеристики магнітних властивостей середовища введено поняття відносної магнітної проникності \(\mu\). Це фізична величина, що дорівнює відношенню магнітної індукції \(B\) поля в середовищі до магнітної індукції \(B_0\) того ж поля у вакуумі:
Намагнічування речовини#
Фундаментальною властивістю елементарних частинок, які формують атом, є наявність власного магнітного поля. Цю властивість кількісно описують за допомогою власного магнітного моменту - характеристики, аналогічної магнітному моменту контуру зі струмом.
У випадку плоского контуру зі струмом магнітний момент \(\vec{p}_m\) представляє собою векторну величину, напрямок якої визначають за правилом свердлика, а за модулем він дорівнює добутку сили струму \(I\) в контурі на площу \(S\) цього контуру:
На відміну від контурів зі струмом, власні магнітні моменти \(\vec{p}_m\) елементарних частинок є їх невід'ємною характеристикою, подібно до маси чи електричного заряду, і не пов'язані з наявністю струму. Серед субатомних частинок найбільшим магнітним моментом володіє електрон, тоді як магнітні моменти протона і нейтрона приблизно в тисячу разів менші. Сукупність власних магнітних моментів частинок формує сумарний магнітний момент атома чи молекули. Магнітні моменти атомів і молекул, у свою чергу, створюють результуюче магнітне поле всередині речовини. Оскільки структура і склад різних речовин суттєво відрізняються, їхні магнітні властивості також різняться. За величиною відносної магнітної проникності виділяють слабомагнітні та сильномагнітні речовини.
Слабомагнітні речовини#
Слабомагнітні речовини характеризуються тим, що при намагнічуванні створюють невелике за інтенсивністю власне магнітне поле, яке миттєво зникає після видалення речовини із зовнішнього магнітного поля. Для таких речовин відносна магнітна проникність лише незначно відхиляється від одиниці: \(\mu \approx 1\). До слабомагнітних речовин належать діамагнетики та парамагнетики.
Діамагнетики - це речовини, які при намагнічуванні утворюють слабке власне магнітне поле, орієнтоване протилежно до зовнішнього магнітного поля.
До діамагнетиків відносяться інертні гази (гелій, неон та інші), численні метали (золото, мідь, ртуть, срібло), вісмут, вода, ацетон, кухонна сіль тощо.
Атоми і молекули діамагнітних речовин не володіють власними магнітними моментами (примітка: складові атома/молекули можуть мати власні магнітні моменти, а сам атом/молекула власного магнітного моменту може й не мати). Їх намагнічування пояснюється виникненням індукованих (наведених) магнітних моментів в атомах під дією зовнішнього магнітного поля. Ці наведені магнітні моменти завжди спрямовані проти вектора магнітної індукції зовнішнього поля: \(\vec{p}_m \uparrow \downarrow \vec{B}_0\). Це зумовлює специфічні магнітні властивості діамагнетиків:
Діамагнетики трохи послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція поля всередині діамагнетика \((B_d)\) дещо менша за магнітну індукцію зовнішнього поля \((B_0)\):
Діамагнітні речовини виштовхуються з області магнітного поля. Цікавий факт: людське тіло поводиться як діамагнетик, оскільки приблизно на 70% складається з води.
Відносна магнітна проникність діамагнетиків залишається сталою при зміні температури.
Діамагнітна левітація. Наочною ілюстрацією діамагнітних ефектів є дослід, де пластина піролітичного графіту, поміщена над системою потужних неодимових магнітів, починає левітувати, виштовхуючись із зони дії магнітного поля. Схожий принцип застосували британські дослідники Андрій Гейм та Майкл Беррі. Їм вдалося примусити жабу левітувати в магнітному полі надзвичайної потужності (B ≈ 16 Тл), вони були нагороджені Шнобелівською премією з фізики у 2000 році.
Рис. 1. Діамагнітна левітація. Піролітичний вуглецевий лист піднімається вгору завдяки відштовхуванню від сильного магнітного поля неодимових магнітів.
Public Domain, Link. Wiki
Рис. 2. Взаємодія діамагнітного матеріалу в магнітному полі. Утримуючи діамагнітні матеріали в магнітному полі, орбітальний рух електрона змінюється таким чином, що магнітні дипольні моменти індукуються на атомах/молекулах у напрямку, протилежному зовнішньому магнітному полю.
CC BY-SA 4.0, Link. Wiki
Зверніть увагу: зовнішнє магнітне поле викликає появу наведених магнітних моментів в атомах усіх речовин, але ці індуковані моменти суттєво менші за власні магнітні моменти атомів.
Парамагнетики - це речовини, які при намагнічуванні утворюють слабке власне магнітне поле, орієнтоване в тому ж напрямку, що й зовнішнє магнітне поле (рис. 15.4).
До парамагнетиків відносяться кисень, повітря, платина, алюміній, ебоніт, вольфрам, магній, літій та інші речовини.
Атоми або молекули парамагнітних речовин мають власні магнітні моменти, які за відсутності зовнішнього магнітного поля розташовані хаотично. При внесенні парамагнетика в магнітне поле його частинки починають упорядковуватись таким чином, що їхні власні магнітні моменти орієнтуються вздовж зовнішнього магнітного поля, подібно до орієнтації молекул полярного діелектрика в електричному полі. Таке впорядкування зумовлює характерні магнітні властивості парамагнетиків:
Парамагнетики незначно підсилюють зовнішнє магнітне поле:
Парамагнітні речовини втягуються в магнітне поле, рухаючись у напрямку збільшення магнітної індукції.
Відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується при підвищенні температури через інтенсифікацію теплового руху атомів або молекул, що порушує їх упорядковану орієнтацію.
Феромагнетики#
Феромагнетики - це матеріали, які при намагнічуванні створюють потужне власне магнітне поле, орієнтоване в тому ж напрямку, що й зовнішнє магнітне поле; важливою особливістю феромагнетиків є збереження намагніченості навіть після припинення дії зовнішнього магнітного поля.
До феромагнетиків належить обмежена кількість речовин: залізо, нікель, кобальт, деякі рідкоземельні елементи та певні сплави.
Іони феромагнітних речовин характеризуються наявністю власних магнітних моментів. Структура феромагнітного матеріалу складається з доменів - макроскопічних областей розміром 1-10 мкм, всередині яких магнітні моменти іонів орієнтовані паралельно, що забезпечує доменам власну намагніченість. У відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти різних доменів орієнтовані випадковим чином, завдяки чому зразки феромагнітних матеріалів зазвичай перебувають у розмагніченому стані.
При розташуванні феромагнітного зразка в зовнішньому магнітному полі відбуваються два процеси: домени, магнітні моменти яких співнапрямлені з зовнішнім полем, збільшуються за рахунок зменшення доменів з іншою орієнтацією магнітних моментів; одночасно відбувається часткове обертання магнітного моменту в кожному домені. Ці механізми забезпечують намагнічування всього зразка. Доменна структура визначає типові магнітні властивості феромагнетиків:
Магнітна індукція всередині феромагнетиків у сотні й тисячі разів перевищує магнітну індукцію зовнішнього поля, яке спричинило намагнічування: \(B_f \gg B_0\), \(μ_f \gg 1\).
Феромагнетики, подібно до парамагнетиків, притягуються до джерела магнітного поля.
При нагріванні феромагнетика до певної температури - так званої температури Кюрі (див. таблицю) - його феромагнітні властивості зникають, і речовина перетворюється на парамагнетик.
Метал |
\(T_C\), K |
|---|---|
Кобальт |
1403 |
Залізо |
1043 |
Нікель |
631 |
Гадоліній |
289 |
Тербій |
223 |
Диспрозій |
87 |
Гольмій |
20 |
Феромагнітні матеріали класифікують на дві категорії. Матеріали, які зберігають намагніченість тривалий час після припинення дії зовнішнього магнітного поля, називають магнітножорсткими феромагнетиками. Вони використовуються для виготовлення постійних магнітів.
Матеріали, які швидко намагнічуються та легко втрачають намагніченість, називають магнітном'якими феромагнетиками. Їх застосовують як осердя в електромагнітах, електродвигунах, трансформаторах, електрогенераторах та інших електротехнічних пристроях.