На какие типы делятся вещества по своим магнитным свойствам
Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.
Что такое диамагнетики
Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.
Определение 1
Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.
Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.
Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:
Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.
Диамагнетики бывают следующих видов:
- классические;
- аномальные;
- сверхпроводники.
Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.
Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):
Рисунок 1
Что такое парамагнетики
Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:
Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.
Определение 2
Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.
Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.
Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.
В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше.
Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:
- нормальные;
- парамагнитные металлы;
- антиферромагнетики.
Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.
Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.
Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.
Определение 3
При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.
Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:
Рисунок 2
Что такое ферромагнетики
В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.
Определение 4
Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.
Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:
Рисунок 3
Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.
В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.
Пример 1
Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.
Решение
Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.
B→=J→+μ0H→.
Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:
Рисунок 4
Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.
Пример 2
Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).
Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.
Решение
Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:
ρmB≪kT,→β≪1.
Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:
ρmB≪kT,→β≪1.
Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:
ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.
Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:
ρmz=ρm2μ0H3kT.
В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:
J=nρmz=ρm2μ0H3kTn.
Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:
χ=ρm2м0n3kT.
Ответ: χ=ρm2м0n3kT.
Источник
По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе подразделяют на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять разных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
1) Диамагнетики.
К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне.
Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением.
Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю.
Если плоскость электронной орбиты расположена не перпендикулярно Н, то внешнее магнитное поле вызывает прецессионное движение орбиты вокруг направления Н.
При этом вектор орбитального магнитного момента (Морб) описывает конус. Угловая скорость прецессии определяет значение отрицательного магнитного момента ДМ.
Рисунок 1. – Прецессия электронной орбиты под действием магнитного поля:
Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он, маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен нулю (т. е., спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы).
Диамагнетиками являются инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Численное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет 10-6 – 10-7. Поскольку
диамагнетики намагничиваются против направления поля, для них выполняется неравенство µ1.
Однако относительная магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков незначительно изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.
2) Парамагнетики.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю.
Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности.
Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется законуКюри-Вейсса:
Где:
Си и – постоянные величины для данного вещества.
При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков равна 10-3 – 10-6.
Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках наступает состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моментыориентируются параллельно Н. К парамагнетикам относят кислород, оксид азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, солижелеза, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.
3) Ферромагнетики.
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.
4) Антиферромагнетики.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанновозникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость 10-3 – 10-5, которая значительно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).
Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tmи др.). Типичными антиферро-магнетикамн являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группытипа оксидов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т. п.
5) Ферримагнетики.
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированвым антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, но, главным образом – оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.
Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют сильномагнитные материалы.
Источник
По реакции на
внешнее магнитное поле и характеру
магнитного упорядочения все вещества
делятся на пять групп: диамагнетики,
парамагнетики, ферромагнетики,
антиферромагнетики и ферримагнетики
(ферриты).
К диамагнетикам
относятся вещества, в которых магнитная
проницаемость меньше единицы и не
зависит от напряженности внешнего
магнитного поля. Обычно магнитная
проницаемость близка к единице.
Диамагнетизм обусловлен небольшим
изменением угловой скорости орбитального
обращения электронов при внесении атома
в магнитное поле и присутствует в любом
веществе.
Парамагнетики –
это вещества с магнитной проницаемостью,
немного больше единицы и не зависящей
от напряженности внешнего магнитного
поля. Парамагнетизм обусловлен
преобладающей ориентацией магнитных
моментов отдельных атомов, которые
находятся в тепловом хаотичном движении,
в одном направлении при внесении вещества
в магнитное поле (рис. 4.3, а).
Ферромагнетики –
вещества со значительной магнитной
проницаемостью, которая сильно зависит
от напряженности внешнего магнитного
поля. Ферромагнетизму присуща внутренняя
упорядоченность, которая выражается в
существовании макроскопических областей,
внутри которых существует параллельная
ориентация магнитных моментов атомов
даже при отсутствии внешнего магнитного
поля (рис. 4.3, б). Такие области называются
доменами. Важнейшая особенность
ферромагнетиков – их способность
намагничиваться до насыщения в
относительно слабых магнитных полях.
В антиферромагнетиках,
в отличие от ферромагнетиков, ниже
некоторой критической температуры
Нееля возникает антипараллельная
ориентация элементарных магнитных
моментов одинаковых атомов или ионов
(см. рис. 4.3, в). Поэтому, несмотря на
магнитное упорядочение, суммарная
намагниченность антиферромагнетика
при отсутствии магнитного поля равняется
нулю.
К
ферримагнетикам (ферритам) относятся
вещества, магнитные свойства которых
обусловлены нескомпенсированным
антиферромагнетизмом (см. рис. 4.3, г). Они
имеют свойства, характерные для
ферромагнетиков, но отличаются от них
больше высоким удельным сопротивлением
и низкой индукцией насыщения. Их высокое
удельное сопротивление обусловлено
тем, что это оксиды металлов: MeО•Fe2O3,
где Me
– символ двухвалентного металла. Низкая
индукция насыщения связана с
антипараллельной ориентацией магнитных
моментов отдельных атомов.
В технике
получили применение в качестве магнитных
материалов только ферромагнетики и
ферриты.
Известно, что
магнитные свойства вещества определяются
спиновыми и орбитальными магнитными
моментами электронов, а также магнитными
моментами ядер атомов. Для того чтобы
атом имел результирующий магнитный
момент, отличный от нуля во время
отсутствия магнитного поля, должны быть
нескомпенсированы магнитные моменты
спинов электронов. Это возможно только
в атомах с незаполненными внешними
оболочками. К ним относятся атомы
элементов переходной группы: железа,
никеля, кобальта и редкоземельных
элементов.
Однако наличие
магнитных моментов атомов еще не является
достаточным условием для существования
ферромагнетизма. Явление ферромагнетизма
возможно при наличии взаимной ориентации
постоянных магнитных моментов групп
атомов в одном направлении. Поэтому
между магнитными моментами отдельных
соседних атомов должно существовать
сильное взаимодействие. Подобное
обменное взаимодействие нельзя описать
с помощью классических моделей, оно
представляет собой квантовый эффект,
При
взаимодействии атомов с нескомпенсированными
спинами с моментом количества движения
и
обменная энергия пропорциональна этим
моментам:
(4.16)
где
А
– обменный интеграл.
Если
расстояние между атомами мало, то
обменный интеграл отрицательный и
энергетически выгодным является
размагниченное состояние вещества,
т.е. антипараллельная ориентация соседних
спинов атомов. Если обменный интеграл
значителен и положителен, что возможно
при большем расстоянии между атомами,
то минимуму энергии системы отвечает
намагниченное до насыщения состояние
вещества, т.е. параллельная ориентация
спинов у соседних атомов. Если же обменный
интеграл мал (расстояние между атомами
большое), то преобладающая ориентация
спинов отдельных атомов отсутствует и
вещество имеет слабые магнитные свойства
(рис.4.4). На основании изложенного критерий
перехода от антиферромагнитного
состояния к ферромагнитному состоянию:
а/d
> 1,5. Это позволяет создавать
ферромагнитные сплавы, которые состоят
даже из целиком немагнитных материалов
– сплавы Гейслера, например Cu2MnAl.
Наличие ферромагнитных
свойств у таких сплавов легко объяснить
из рис. 4.4. Небольшое увеличение межатомных
расстояний между ионами марганца за
счет внедрения в решетку немагнитных
компонентов приводит к появлению
ферромагнетизма.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Источник
1. Диамагнетики – материалы, в которых магнитные моменты всех атомов скомпенсированы, т.е. внешне без действия на них поля они проявляют себя как немагнитные материалы. Когда на такие материалы действует внешнее магнитное поле, это приводит к деформации электронных оболочек, в результате чего индуцируется магнитный момент, который направлен встречно по отношению к внешнему полю и ослабляет его действие.
У диамагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры не зависят от температуры и напряженности магнитного поля:
.
К диамагнетикам относятся: водород ( ), вода ( ), медь (Cu), цинк (Zn), свинец (Pb), ртуть (Hg), золото (Au), серебро (Ag), а также полупроводники: германий (Ge), селен (Se), кремний (Si).
2. Парамагнетики – материалы, атомы которых обладают определенными неупорядоченными магнитными моментами, поэтому без действия на такие материалы внешнего магнитного поля они являются немагнитными.Если на парамагнетики действует внешнее магнитное поле, их результирующий магнитный момент будет сонаправлен с действием вектора магнитного поля, и будет усиливать его действие.
У парамагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры обратно пропорционально зависят от температуры:
, т.е. .
К парамагнетикам относятся: алюминий (Al), магний (Mg), платина (Pt), натрий (Na), вольфрам (W), кислород (O2) и некоторые оксиды (СоО, , CuO).
3. Ферромагнетики – твердые кристаллические материалы, у которых в результате квантово-механического взаимодействия между атомами происходит параллельная ориентация векторов магнитных моментов в доменах, благодаря чему даже без действия внешнего магнитного поля такой материал оказывается спонтанно намагниченным.
У ферромагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры зависят от температуры и напряженности магнитного поля:
.
К ним относятся: железо (Fe), кобальт (Co), никель (Ni), гадолиний (Gd) и некоторые другие редкоземельные металлы, сплавы на их основе, а также оксиды на их основе и некоторые соединения марганца (Mn) с серебром и алюминием, и с медью и алюминием.
При превышении температуры выше температуры (точки) Кюри ферромагнетики теряют доменную структуру и становятся парамагнетиками.
4. Антиферромагнетики – это такие материалы, в которых благодаря антипараллельной направленности векторов магнитных моментов в пределах главных доменов получается, что они не обладают результирующим магнитным моментом. При действии на такой материал повышенной температуры, это его свойство нарушается, и если превысить пороговую температуру, называемую температурой Нееля (антиферромагнитной температурой Кюри), то такой материал становится парамагнетиком.
К ним относятся: марганец (Mn), хром (Cr) и некоторые соединения на их основе.
5. Ферримагнетики (ферриты) – твердые кристаллические порошкообразные соединения, характеризуемые общей химической формулой (где Me – название металла, n – количество молекул оксида трехвалентного железа, входящего в феррит) и имеющие сложную кристаллическую решетку, которая состоит из ряда подрешеток. В пределах каждой подрешетки наблюдается антипараллельная ориентация векторов магнитных моментов. В результате результирующий магнитный момент будет иметь большое значение и значительно отличаться от нуля.
У ферримагнитных материалов относительная магнитная проницаемость , а относительная магнитная восприимчивость .
Эти параметры зависят от температуры и напряженности магнитного поля:
.
6. Метамагнетики – материалы на основе редкоземельных металлов и их соединений: гольмия (Но), тербия (Tr), эрбия (Er), диспрозия (Dy), которые в слабых магнитных полях ведут себя как антиферромагнетики, а в сильных – как ферромагнетики или наоборот.
Антиферромагнитными в слабых полях являются МnАu2, диспрозий и эрбий. Ферромагнитными в слабых полях являются МnАs, МnВi, гольмий и тербий.
В электротехнике в качестве магнитных материалов используются, главным образом, ферромагнетики .и ферримагнетики.
По значению коэрцитивной (задерживающей) силы Hс они делятся на две большие группы – магнитомягкие материалы с малой Нс и магнитотвердые материалы с большим значением Нс .
Магнитомягкими называются магнитные материалы с коэрцитивной силой не более 4 кА/м, а магнитотвердыми — с коэрцитивной силой не менее 4 кА/м.
Магнитомягкие материалы предназначены прежде всего для работы в переменных магнитных полях или в динамических режимах, магнитотвердые материалы — для работы в статическом режиме.
Источник