Диамагнетизм, ферромагнетизм, парамагнетизм

АННОТАЦИЯ 

       В данной работе рассматриваются диамагнетизм, ферромагнетизм, парамагнетизм. В ней излагается основные свойства магнетиков; намагниченность, природа ферромагнетиков.

       Цель  работы - ознакомление с основными физико-химическими и промышленными свойствами, правильно применять знания, полученные на лекциях и при самостоятельном изучении данной темы,

       Основные  задачи данной работы: сформировать основы знаний о природе магнетизма. Ознакомить с областями применения.

       Актуальность  данной работы заключается в том, что изучение поставленной темы позволит уточнить представление о магнетиках (магнетики используется чрезвычайно широко в науке, практике, повседневной жизни).  
 
 
 
 
 
 
 
 

ОГЛАВЛЕНИЕ 
 

ВВЕДЕНИЕ           4

1. Диамагнетизм и парамагнетизм       6

  1.1 Намагниченность         8

   1.1.1Магнитное поле в веществе        8

1.2 Условия на границе раздела двух магнетиков     13

2. Ферромагнетики и их свойства        15

      2.1 Природа ферромагнетизма       19

3. Применение  в машиностроении       23

ЗАКЛЮЧЕНИЕ          25

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК      26

ЗАДАЧИ            27 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

ВВЕДЕНИЕ 

      Сколько магнитов вокруг нас? В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, -  гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный. Галактик и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование лектроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов – всё это области, где требуются грандиозные,  невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания сильных, сверхсильных, ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной  из основных в современной физике и технике.

            Магнит известен  человеку с незапамятных времён.   Естественные (или природные) магниты  встречаются в природе в виде  залежей магнитных руд. В Тартуском университете находится самый крупный известный

   естественный  магнит.  Его масса составляет 13 кг, и он способен поднять

груз  в 40 кг.  Искусственные магниты  - это магниты созданные человеком  на основе различных ферромагнетиков. Так называемые «порошковые» магниты (из железа, кобальта и некоторых других добавок) могут удержать груз более чем 5000 раз превышающий их собственную массу.

        В 1600 году в Лондоне вышла книга королевского врача В. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните - Земле”. Это сочинение явилось первой известной нам попыткой исследования магнитных явлений с позиций науки. В этом труде собраны имевшиеся тогда сведения об электричестве и магнетизме, а также результаты собственных экспериментов автора.

    Из всего, с чем сталкивается человек, он прежде всего стремится извлечь   практическую пользу. Не миновал этой судьбы и магнит.

      В моей работе я расскажу по подробнее о диамагнетизме, парамагнетизме, ферромагнетизме и их свойствах. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Диамагнетизм  и парамагнетизм

 

            Всякое вещество является магнетиком, т. е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

      Ради  простоты предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В произвольным образом, составляя с ним угол α (рис. 1), то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг В, при котором вектор магнитного момента р_m, сохраняя постоянным угол α, вращается вокруг направления В с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией.

 

Рис. 1. 

     Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через  точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

     Таким образом, электронные орбиты атома  под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

        В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома (он равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов) равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi,  Аg, Au, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д.

     Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

     У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Рt, Аl и т. д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

     Из  рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с полярными молекулами, только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничения.

     Подводя итог качественному рассмотрению диамагнетизма и парамагнетизма, еще раз отметим, что атомы всех веществ являются носителями диамагнитных свойств. Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком. 

     1.1 Намагниченность.

     1.1.1 Магнитное поле в веществе

     Подобно тому, как для количественного  описания поляризации диэлектриков вводилась поляризованность, для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину — намагниченность, определяемую магнитным моментом единицы объема магнетика:  

J=P_m/V=Σp_а/V 

где Р_m = Σp_а - магнитный момент магнетика, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул.

     Рассматривая  характеристики магнитного поля, мы вводили вектор магнитной индукции В, характеризующий результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макротоками и микротоками, и вектор напряженности Н, характеризующий магнитное поле макротоков. Следовательно, магнитное поле в веществе складывается их двух полей: внешнего поля, создаваемого током, и поля, создаваемого намагниченным веществом. Тогда вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего поля В₀ (поля, создаваемого намагничивающим током в вакууме) и поля микротоков В' (поля, создаваемого молекулярными токами):

               В = В₀+В', (1)

где В₀ = μ₀Н.

     Для описания поля, создаваемого молекулярными токами, рассмотрим магнетик в виде кругового цилиндра сечения S и длины l, внесенного в однородное внешнее магнитное поле с индукцией В₀. Возникающее в магнетике магнитное поле молекулярных токов будет направлено противоположно внешнему полю для диамагнетиков и совпадать с ним по направлению для парамагнетиков. Плоскости всех молекулярных токов расположатся перпендикулярно вектору В₀, так как векторы их магнитных моментов р_m антипараллельны вектору В₀ (для диамагнетиков) и параллельны В₀ (для парамагнетиков). Если рассмотреть любое сечение цилиндра, перпендикулярное его оси, то во внутренних участках сечения магнетика молекулярные токи соседних атомов направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются (рис.2). Нескомпенсированными будут лишь молекулярные токи, выходящие на боковую поверхность цилиндра.

   Ток, текущий по боковой поверхности  цилиндра, подобен току в соленоиде  и создает внутри него поле, магнитную индукцию В' которого можно вычислить:

                                    

          В'= μ₀I'/l                            (2)

где I' — сила молекулярного тока, l — длина рассматриваемого цилиндра, а магнитная проницаемость μ принята равной единице. 

  

  Рис.2

     С другой стороны, I'/l — ток, приходящийся на единицу длины цилиндра, или его линейная плотность, поэтому магнитный момент этого тока р = I'lS/l = 1'V/l, где V — объем магнетика. Если Р — магнитный момент магнетика объемом V, то Р/V—намагниченность магнетика J. Таким образом,

                                    J = I'/l                              (3)

Сопоставляя (2) и (3), получим, что

                                           В ' = μ₀ J

или в  векторной форме

          В ' = μ₀ J

     Подставив выражения для В₀ и В ' в (1), получим

             В = μ₀Н + μ₀ J,                       (4)

или

       В  = Н+ J                 (5)

      μ₀

     Как показывает опыт, в несильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничение, т. е.

      J =χН        (6)

где χ — безразмерная величина, называемая Для диамагнетиков χ отрицательна (поле молекулярных токов противоположно внешнему), для парамагнетиков — положительна (поле молекулярных токов совпадает с внешним).

     Используя формулу (6), выражение (4) можно записать в виде

     В = μ₀(1+χ)Н         (7) 

откуда

     Н=