Магнитное поле в веществе

1. Магнитное поле в веществе

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ 
В ВЕЩЕСТВЕ
Намагничивание вещества. 
Описание магнитного поля в 
веществе.
Классификация магнетиков.
Механизмы намагничивания 
диамагнетиков и парамагнетиков.
Особые свойства ферромагнетиков.

2. Намагничивание вещества

НАМАГНИЧИВАНИЕ 
ВЕЩЕСТВА
Магнетики – вещества, которые под действием внешнего
поля намагничиваются, т.е. становятся источниками
собственного магнитного поля.
Гипотеза Ампера: внутри вещества существуют замкнутые
микротоки (внутри молекул и атомов).
По современным представлениям магнетизм вещества
обусловлен:
r орб
р
а) орбитальным движением
электронов
(
me ),
r cпин
б) спином электронов ( р me ),
r
r
в) магнитными свойствами ядер ( р mя << р me ).
r орб
р me
Магнитный момент атома:
r
r
r орб
r спин
p m = p mя + å (p me )i + å (p me )i
Iорб
i
i

3.

НАМАГНИЧИВАНИЕ 
ВЕЩЕСТВА
В отсутствие внешнего
магнитного поля:
магнитные моменты атомов
вследствие теплового
движения ориентированы
хаотично
u
r
å P mi = 0
r
рm
i
Во внешнем магнитном поле:
магнитные моменты атомов
ориентируются вдоль линий
магнитной индукции так, что
u
r
å P mi ¹ 0
i
r
рm
ur
B0

4.

НАМАГНИЧИВАНИЕ 
ВЕЩЕСТВА
Степень намагниченности
магнетика характеризуется
вектором намагниченности, который определяется
суммарным магнитным моментом, приходящимся на
единицу объёма вещества:
r
åi pmi é А ù [1]
r
êë м úû
J = lim
DV ®0 DV
Намагниченность вещества принято связывать с
напряжённостью магнитного поля:
r
r
J = H
[2]
– магнитная восприимчивость вещества –
безразмерная величина, зависящая от рода вещества.

5.

КЛАССИФИКАЦИЯ 
МАГНЕТИКОВ
= -(10-6 ÷ 10-5)
1) 0 – диамагнетики
(инертные
газы, H2O, H2, Si, Zn, Cu, Au, Ar, Bi)
r
ur
(J ­ ¯ H) – намагничиваются против внешнего поля.
2) 0 – парамагнетики = 10-6 ÷ 10-4
r
ur
(воздух, Al, W, Pl) (J ­ ­ H)
парамагнетики
J
В не очень сильных полях
зависимость J(H) для диа- и
парамагнетиков – линейная.
H
0
3) 0 – ферромагнетики
(Fe, Ni, Co, их сплавы)
диамагнетики
= (103 ÷ 105)
Зависимость J(H) нелинейная из-за гистерезиса.

6.

МАГНИТНАЯ 
ПРОНИЦАЕМОСТЬ
Связь между магнитной индукцией и
напряжённостью магнитного поля с учётом
магнитных свойств вещества:
ur
ur
B = 0 H
= +1
[9]
– относительная магнитная
проницаемость вещества –
зависит от рода вещества.
В диа- и парамагнетиках связь между B и H –
линейная, т.е. = const (в не очень сильных полях);
в ферромагнетиках – нелинейная ( = f(H) ).

7. Механизм намагничивания диамагнетиков

МЕХАНИЗМ НАМАГНИЧИВАНИЯ ДИАМАГНЕТИКОВ
Диамагнетики - это вещества, состоящие из молекул, в
которых орбитальные и спиновые магнитные моменты
полностью компенсируют друг друга, т.е. магнитный
момент молекулы в отсутствие внешнего магнитного поля
r
равен нулю.
В
r
рm
В отсутствие магнитного поля:
ma nкл= F
2
m 0кл
r=F
0 – угл. скорость вращения е- без
магнитного поля.
В магнитном поле:
ma nкл= F м ± F
r
Fкл
r
0
m r = Fкл ± euB
2
– угл. скорость вращения е- в магнитном поле.
r
r
u
I
е-
r
Fм

8.

МЕХАНИЗМ НАМАГНИЧИВАНИЯ ДИАМАГНЕТИКОВ
r
В
r
р mе
r
Fкл
Происходит изменение угловой
скорости е- в магнитном поле на
величину:
eB
[10]
D = L = ±
2m
r
D - ларморова частота.
Дополнительное вращение атома в
магнитном поле создаёт (индуцирует)
магнитный момент:
ur
r инд
pm ­ ¯ B
r
0
r
u
I
е-
r
Fм
r инд
pm
ur
r
J­ ¯B
Магнитная индукция в диамагнетике уменьшается!

9.

МЕХАНИЗМ НАМАГНИЧИВАНИЯ ДИАМАГНЕТИКОВ
В случае произвольной ориентации орбиты
электрона относительно вектора В
возникает прецессия орбиты вокруг
направления индукции внешнего поля с .
частотой Лармора [10].
Диамагнитная левитация –
диамагнитные объекты выталкиваются и
области сильного магнитного поля.
r
L
Мощный магнит из сплавов с
редкоземельными металлы (В 1
Тл) может висеть между двумя
блоками из диамагнитного
висмута.

10. Механизм намагничивания парамагнетиков

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ПАРАМАГНЕТИКОВ
Парамагнетики – это вещества, состоящие из атомов
(молекул), имеющих магнитный момент и в отсутствие
внешнего магнитного поля.
В отсутствие магнитного поля магнитные моменты
всех атомов разориентированы.
Внешнее магнитное поле стремится установить
магнитные моменты атомов вдоль В.
r
рm
r
рm
ur
B

11.

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ПАРАМАГНЕТИКОВ
Атом обладает
в магнитном поле потенциальной
r ur
энергией:
W = -(p m ,В) = р mВсоs q
r
r
Минимум энергии достигается при p m ­ ­ B
Переориентация магнитных моментов и их равновесное
распределение по направлениям происходит при
столкновении и взаимодействии атомов друг с другом
С ростом температуры магнитная восприимчивость
парамагнетиков уменьшается:
: 1/ T
- закон Кюри.

12. Механизм намагничивания ферромагнетиков

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Ферромагнетики – вещества, способные обладать
намагниченностью и в отсутствие внешнего поля.
петля
гистерезиса
J
Jнас
0
H
Вост – остаточная намагниченность;
Нс – коэрцитивная сила – поле,
способное размагнитить
ферромагнетик.

13. Механизм намагничивания ферромагнетиков

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
В неоднородном магнитном поле:
Диамагнетики выталкиваются из области сильного поля
Парамагнетики и ферромагнетики притягиваются

14.

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
Ферромагнетики:
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Мягкие - с малой Нс (от 10-3 до 1-2 А/см) и узкой петлей
гистерезиса (мягкое железо, сплав железа с никелем)
сердечники трансформаторов и катушек индуктивности.
Жесткие - с большой Нс (от 10 до 103 А/см) и широкой
петлей гистерезиса (углеродистые и вольфрамовые
стали). Из них изготавливают постоянные магниты.
Для ферромагнетиков характерно:
большие значения (железо 5000, супермаллой - 800 000);
зависимость от Н:
B
J
=
=1+
0 H
H

15.

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
Ферромагнетик
состоит из доменов – областей размером
1÷10 мкм, обладающих спонтанной намагниченностью:
Внутри каждого домена магнитные моменты
всех атомов сонаправлены;
Без внешнего магнитного поля магнитные
моменты доменов разориентированы.
Домены в чистом
железе (а),
кремнистом железе(б)
и кобальте (в).

16.

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
а) В пределах домена ферромагнетик намагничен до
насыщения и имеет определённый магнитный момент. В
отсутствии внешнего поля суммарный момент образца
равен нулю.
б) Смещение границ доменов. В слабых полях - это
обратимый процесс.
в,г) Поворот магнитных моментов доменов в направлении
поля – необратимый процесс (служит причиной
гистерезиса).

17.

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
В атомах ферромагнетиков
орбитальные магнитные
моменты имеют такие же значения (по порядку
величины), как и у парамагнетиков.
Опыты показывают, что ферромагнетизм вызывается
спиновыми моментами электронов.
Ферромагнитными могут быть те элементы, атомы
которых имеют нескомпенсированные спины.
При образовании кристалла между атомами возникают
обменные силы, которые ориентируют спиновые
магнитные моменты параллельно.
Параллельная ориентация спинов в ферромагнетике
соответствует минимуму потенциальной энергии.

18.

МЕХАНИЗМ 
НАМАГНИЧИВАНИЯ 
Магнитная ФЕРРОМАГНЕТИКОВ
восприимчивость ферромагнетиков зависит
от температуры:
C
=
T-q
С – постоянная Кюри,
q - температура Кюри.
При Т > q ферромагнетик
становится
парамагнетиком, т.к.
нарушается спонтанная
намагниченность
Закон Кюри – Вейса