Виды вещества

По значению магнитной проницаемости все материалы делятся на три группы:

Диамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей меньше 1: μ ≤ 1. К ним относятся: висмут, цинк, свинец, медь, серебро, золото, воск, большая часть солей, некоторые газы.

Парамагнитные, у которых μ на несколько миллионных или тысячных долей больше 1: μ > 1. К таким материалам относятся: марганец, хром, платина, алюминий и др.

Парамагнитные вещества характеризуются следующими свойствами:

• магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна и значительно меньше единицы;
• при не слишком высоких температурах парамагнетики обладают самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий;
• для парамагнетиков характерно явление гистерезиса;
• парамагнетики притягиваются магнитом в присутствии сильного магнитного поля, но в отсутствии не притягиваются.

Ферромагнитные, у которых μ велико, выражается сотнями, тысячами, и изменяется в зависимости от интенсивности магнитного поля: μ >> 1. К таким веществам принадлежат только четыре элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний и некоторые сплавы металлов.

Ферромагнитные вещества имеют свойства:

• магнитная восприимчивость ферромагнетиков положительна и значительно больше единицы.
• при не слишком высоких температурах ферромагнетики обладают самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий.
• для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса.
• ферромагнетики притягиваются магнитом.

Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от индукции B₀ внешнего поля, что представлено на рисунке ниже.

Свойства ферромагнетиков:

а) обладают остаточным магнетизмом;

б) μ зависит от индукция внешнего магнитного поля;

в) температура, при которой исчезают магнитные свойства ферромагнетика, называется точкой Кюри (t° стали = 700-800°С).

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции B магнитного поля в ферромагнетике от индукции B₀ внешнего магнитного поля. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (B₀) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса:

Из рисунка видно, что при В₀ > B_s наступает магнитное насыщение - намагниченность образца достигает максимального значения. Если теперь уменьшать магнитную индукцию B₀ внешнего поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность - поле внутри образца будет равно B_r. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты.

Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести магнитную индукцию B₀ до значения -B_0c, которое принято называть коэрцитивной силой. Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рисунке.

У магнитомягких материалов значения коэрцитивной силы B_0c невелико - петля гистерезиса таких материалов достаточно узкая. Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие широкую петлю гистерезиса, относятся к магнитожестким.

Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация. В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10^–2 - 10^–4 см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем оказывается ненамагниченным.

При наложении внешнего магнитного поля В₀ происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение. Рисунок ниже может служить качественной иллюстрацией процесса намагничивания ферромагнитного образца: