Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики

    Министерство  образования и науки Российской Федерации 

    Государственное образовательное учреждение

    высшего профессионального образования 

    «,,,,» 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    Кафедра «Физики»

    Предмет «Концепция современного естествознания»

    Контрольная работа

      на тему: «Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики» 
 
 
 
 
 
 
 

    Выполнил  студент гр. ,,,, 

    Проверил  преподаватель: 
 
 
 
 
 

    Уфа 2011

    Содержание: 

1. Магнетики в магнитном поле………………………………………..3
2. Диамагнетики…………………………………………………………6
3. Парамагнетики………………………………………………………..8
4. Ферромагнетики………………………………………………………9

    Список  использованной литературы…………………………………..14 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Магнетики в магнитном поле.

     Магнетиками называются вещества, способные приобретать  во внешнем магнитном поле собственное  магнитное поле, т.е. намагничиваться.

     Все тела при внесении их во внешнее  магнитное поле намагничиваются в той или иной степени.

       Рассмотрим  причину этого явления с точки  зрения строения атомов и молекул, положив  в основу гипотезу Ампера, согласно которой в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

       Для качественного объяснения магнитных  явлений с достаточным приближением можно считать, что электрон движется в атоме по круговым орбитам. Электрон, движущийся по одной из таких орбит, эквивалентен круговому току, поэтому он обладает орбитальным магнитным моментом p_m=ISn, модуль которого

(1)

где I=en — сила тока,

n — частота вращения электрона по орбите,

S — площадь орбиты.

       Если  электрон движется по часовой стрелке (рис. 1), то ток направлен против часовой стрелки и вектор р_m (в соответствии с правилом правого винта) направлен перпендикулярно плоскости орбиты электрона, как указано на рисунке.

 

(рис.1) 
 

       С другой стороны, движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса L_e, модуль которого,

       

(2)

       где v = 2pn, pr² = S.

       Вектор  L_e (его направление также определяется по правилу правого винта) называется орбитальным механическим моментом электрона.

       Из  рис. 1 следует, что направления р_m и L_e, противоположны, поэтому, учитывая выражения получим

       

(3)

       где величина

       

(4)

       называется  гиромагнитным отношением орбитальных  моментов (общепринято писать со знаком «–», указывающим на то, что направления  моментов противоположны) [3,с. 467-468].

       Кроме орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса L_es, называемым спином. Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси, что привело к целому ряду противоречий. В настоящее время установлено, что спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно его заряду и массе. Спину электрона L_es, соответствует собственный (сотовый) магнитный момент р_ms, пропорциональный L_es  и направленный в противоположную сторону:

       

(5)

       Величина  g_s называется гиромагнитным отношением спиновых моментов.

       Проекция собственного магнитного момента на направление вектора В может принимать только одно из следующих двух значений:

       

       где ħ=h/(2p) (h—постоянная Планка), m_b—магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона.

       В общем случае магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома, следовательно, складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра (обусловлен магнитными моментами входящих в ядро протонов и нейтронов). Общий магнитный момент атома (молекулы)  p_a равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:

       

(6)

       Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомами вещества. По магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы : диамагнетики, парамагнетики, и ферромагнетики [5, с.164-167]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

     2.Диамагнетики.

     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 a (рис. 2), то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг В, при котором вектор магнитного момента р_m, сохраняя постоянным угол a, вращается вокруг вектора В с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

     

     (рис.2)

     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[1,c. 316-318].

     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, Ag, 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. Диамагнетики выталкиваются из магнитного поля[4,c.172]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

       3.Парамагнетики.

       Однако  наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные —  вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

       Парамагнетики втягиваются в область более  сильного поля[2,c.189].

       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 да нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, Pt, Аl и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

       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[3,c.471-472]. 
 
 
 

       3.Феррамагнетики. 

       Помимо  рассмотренных двух классов веществ  — диа- и парамагнетиков, называемых слабомагнитными веществами, существуют еще сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. Это такие вещества , в которых внутреннее магнитное поле в сотни тысяч раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле. К ферромагнетикам кроме основного их представителя — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, например, кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения.

       

       (рис.3)

       Ферромагнетики  помимо способности сильно намагничиваться  обладают еще и другими свойствами, существенно отличающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависимость J от Н линейна (рис. 4), то для ферромагнетиков эта зависимость, является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быстро, затем медленнее и, наконец, достигается так называемое магнитное насыщение J_нас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от Н можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля увеличивается степень ориентации молекулярных магнитных моментов по полю, однако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше неориентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J прекращается и наступает магнитное насыщение. 

       

       (рис.4)

       Магнитная индукция B= m₀ (H+J) в слабых полях растет быстро с ростом H вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе слагаемое постоянно (J=J_нас), В растет с увеличением Н по линейному закону (рис. 5).

       

       (рис.5)

       Существенная  особенность ферромагнетиков —  не только большие значения m (например, для железа — 5000, для сплава супермаллоя — 800 000!), но и зависимость m от Н (рис. 6). Вначале m растет с увеличением Н, затем, достигая максимума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (m = B/(m₀H) = 1 + J/H, поэтому при J = J_нас = const с ростом Н отношение J/H ® 0, m ® 1).