Магнитные свойства материалов. Носители магнетизма. Диамагнетизм электронного газа. Намагничивание ферромагнетиков. Магнитные свойства гетерогенных сплавов

5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА МАТЕРИАЛОВ

5.1.  Основные понятия

Рассмотрим основные магнитные свойства материала на примере намагниченного стержня, имеющего два полюса: северный и южный. Возникновение двух полюсов называется магнитной поляризацией. Представим, что на одном конце намагниченного стержня сосредоточен весь северный магнетизм, а на другом – южный (рис. 5.1). Обозначая магнитный заряд в каждом полюсе данного магнита m и расстояние между ними L, можно рассчитать магнитный момент M

Рис. 5.1. К определению основных магнитных свойств материала

                                                                                       (5.1)

Величина магнитного заряда определяется как

                                                                                        (5.2)

где τ – плотность магнитного заряда; S – площадь поперечного сечения намагниченного стержня.

Тогда магнитный момент можно представить

                                                                                              (5.3)

Намагниченностью называется величина магнитного момента, отнесенная к единице объема, или

                                                                                    (3.4)

Из (3.4) следует, что для намагниченного стержня намагниченность равна поверхностной плотности магнитного заряда.

Намагниченность может представляться так же как магнитный момент, отнесенный к единице массы вещества, т.е.

                                                                                   (5.5)

где  d – плотность материала; μ₀ = 4π^.10^-7 Гн/м  - магнитная проницаемость вакуума.

Между напряженностью магнитного поля, в котором тело намагничивается, и его намагниченностью имеется зависимость

                                                                                      (5.6)

где Н – напряженность магнитного поля;  χ – магнитная восприимчивость.

Все неметаллы и металлы по их магнетизму можно разбить на два класса: магнитно-неупорядоченные и магнитно-упорядоченные. В первый класс попадают диамагнитные и парамагнитные материалы, а во второй - ферромагнитные и антиферромагнитные.

Магнитная восприимчивость материалов первого класса очень мала (порядка 10^-5…10^-6) и в обычных условиях является величиной постоянной, не зависящей от величины магнитной напряженности приложенного поля. Для парамагнитных материалов магнитная восприимчивость является положительной, а для диамагнитных материалов – отрицательной. Это означает, что намагниченность парамагнитных материалов совпадает по своему направлению с внешним полем, а диамагнитных – намагниченность направлена навстречу полю.

У ферромагнитных материалов (как правило, металлов) магнитная восприимчивость в 10⁷…10⁸ раз и больше превышает магнитную восприимчивость парамагнетиков. Это означает, что при воздействии внешнего магнитного поля на ферромагнетик в нем наводится намагниченность значительно превосходящее поле.

Наименование и размерность основных магнитных величин в системе СИ:

- магнитный момент, А^.м²;

- намагниченность, А/м;

- магнитный поток, Вб = м³кг^.А^-1.сек^-2 (вебер)

- напряженность магнитного поля, А/м;

- магнитная сила, А;

- индуктивность,  Гн = м^2.кг^.А^-2.сек^-2 (генри);

- магнитная индукция, Т = кг^.А^-1.сек^-2 (тесла).

5.2.  Носители магнетизма

Наблюдения за магнитным действием электрического тока доказывают, что появление любого магнитного поля обусловлено электрическим током, протекающим внутри частиц вещества. Другими словами, нет особых элементарных частиц, ответственных за магнитные свойства материала, и замкнутые токи атомарного масштаба являются элементарными носителями магнетизма.

В магнитном отношении атом представляет сложную магнитную систему, суммарный магнитный момент которого складывается из магнитного момента ядра, а также орбитального и спинового магнитных моментов электрона. Магнитный момент ядра почти в 2000 раз меньше магнитного момента электрона, поэтому при рассмотрении магнитных свойств вещества им пренебрегают. Можно считать, что магнитные свойства вещества определяются магнитным моментом электрона.

При описании магнетизма используется представление о вращении электрона по орбите и вокруг своей оси, в результате чего образуются орбитальный и спиновой магнитные моменты. При вращении электрона вокруг собственной оси создается механический момент количества движения (спин) параллельный оси вращения, величина которого равна

                                                                                      (5.7)

где   h – постоянная Планка.

Два знака в выражении (3.7) указывают на то, что спин может иметь только две ориентации относительно внешнего магнитного поля. Спину электрона соответствует магнитный момент – так называемый магнетон Бора

                                  =   9,2740951^.10^-24 А^.м².                         (5.8)