Исследование магнитных свойств ферромагнетиков методом баллистического гальванометра: Методическое пособие к лабораторной работе № 10

Министерство образования Российской Федерации

ХАБАРОВСКИЙ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ

УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра общей физики

Доц. В.Г.Довбило

ЛАБОРАТОРНЫЙ

ПРАКТИКУМ

ПО ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ

ФИЗИКЕ

 

ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ

 «ИССЛЕДОВАНИЕ МАГНИТНЫХ

СВОЙСТВ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ МЕТОДОМ

БАЛЛИСТИЧЕСКОГО ГАЛЬВАНОМЕТРА»

Хабаровск 2000

§ 1. Магнитные свойства

вещества

Все вещества по магнитным свойствам подразделяются на пять видов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики, ферримагнетики (ферриты).

Магнитную активность проявляют все вещества без исключе-ния, поэтому естественно предполагать, что магнитные свойства вещества определяются элементарными частицами, входящими в состав каждого атома (электроны, протоны, нейтроны). Исследо-вания показали, что магнитные моменты протона и нейтрона поч-ти на три порядка ниже наименьшего магнитного момента элект-рона, поэтому в первом приближении можно пренебречь магнит-ным полем ядра, состоящего из протонов и нейтронов и полагать, что магнитные свойства целиком определяются электронами. Это положение является фундаментальным в электронной теории магнетизма, которая общепринята в настоящее время.

Всякий атом представляет собой динамичную систему, сос-тоящую из ядра и электронного облака. Каждый электрон облада-ет собственным моментом количества движения (называе-мым спином) и собственным магнитным моментом  Р_сп. Кроме того, движение электрона по замкнутой орбите внутри атома соз-даёт орбитальный магнитный момент  Р_орб. Следовательно, полный магнитный момент атома будет представлять геометри-ческую сумму орбитальных и спиновых моментов электронов, принадлежащих данному атому

 

где  n – число электронов в атоме.

Рассмотрим кратко процессы в атомах, которые определяют принадлежность данного вещества к одному из пяти видов.

§ 2. Парамагнетизм

Вещества, ослабляющие магнитное поле (μ < 1), называ-ются диамагнетиками, усиливающие (μ > 1) – парамагнетика-ми.

Парамагнитными свойствами обладают вещества, маг-нитные моменты атомов которых не равны нулю (Р_ат ≠ 0).

В отсутствие магнитного поля магнитные моменты атомов в парамагнетике вследствие теплового движения ориентированы совершенно беспорядочно (РИС.1а). Поэтому магнитный момент тела, рввный векторной сумме моментов отдельных атомов, бли-зок к нулю, а, следовательно, тело не намагничено.

Во внешнем магнитном поле на каждый атом действует пара сил, стремящихся установить магнитные моменты атомов параллельно полю. В результате этого внутри парамаг-нетика возникает упорядочное рас-положение магнитных моментов атомов и намагничение (J) магнети-ка становится не равным нулю (РИС.1б). При этом направление ве-ктора намагничения (от южного по-люса к северному) оказывается параллельным направлению вектора магнитной индукции намагничивающего поля. Именно эта особенность характерна для парамагнетиков.

Чем выше температура парамагнетика, тем сильнее тепловое движение атомов и, следовательно, тем слабее их ориентация в данном поле, т.е. тем слабее намагничивание. Этим объясняется уменьшение магнитной восприимчивости  χ  (μ = 1+χ) парамагне-тика при нагревании.

Теория парамагнетизма была развита Ланжевеном

§ 3. Диамагнетизм

Характерным для диамагнетиков является то обстоятельство, что вектор намагничивания  J  направлен в них противоположно намагничивающему полю (РИС.2а). Такое поведение диамагнети-ка невозможно объяснить при помощи формальной теории маг-нетизма, т.е. в предположении, что внутри магнетиков существуют магнитные диполи.

Действительно, в этом случае нужно было бы допустить, что диполи во внешнем поле устанавливливаются так, что северные их концы обращаются к северному же полюсу влияющего магнита, а южные концы – к южному полюсу или иначе, что одноимённые магнитные полюсы притягиваются, а не отталкиваются.

Существование диамагнетиков, естественно, объясняется на-личием молекулярных токов.

Объяснение диамагнетизма было дано впервые также Ланже-веном на основе представления о ларморовой прецессии электронных орбит под действием внешнего магнитного поля.

Диамагнетизм также полно объясняется и законом элек-тромагнитной индукции Фарадея-Максвелла-Ленца.

Действительно: при создании внешнего магнитного поля  В в пространстве (РИС.2б) происходит изменение потока магнитной индукции. При этом возникает э.д.с. индукции (вихревое электри-ческое поле), порождающее ток (в данном случае – дополнитель-ное движение электронов в атоме), направленный таким образом, что он создаёт собственное магнитное поле  В^/, противоположное полю его вызвавшему.