yavor1 (553178), страница 87
Текст из файла (страница 87)
Учитывая весьма приближенный характер нашей модели, следует признать такое совпадение расчета и эксперимента очень хорошим. 5. На модели атома гелия нам удалось объяснить механизм диамагнитных явлений. Обобщая, можно утверждать, что диамагнетиками являются все вещества, у которых атомы при отсутствии внешнего магнитного поля не имеют магнитного момента. Так как радиусы электронных орбит у атомов разных веществ не отличаются очень сильно, то и магнитные восприимчивости разных веществ при одном и том же агрегатном состоянии примерно равны.
В самом деле, магнитная восприимчивость азота равна — 6,76 10 ', аргона 10,9 10 ', водорода — 2,25 10-' и т. п. У жидкостей и твердых тел концентрация атомов примерно в 1000 раз больше, соответственно возрастает и их магнитная восприимчивость. Так, у воды восприимчивость равна — 9 10 ', у серебра — 25 10 " и т.
п, 9 42.5. Парамагнетизм 1. Рассмотренный в предыдущем параграфе механизм намагничивания диамагнегиков сводится к наведению дополнительного магнитного момента у атома под действием внешнего магнитного поля. Это явление характерно для атомов любого вещества, следо. вательно, все вещества должны обладать диамагнитными свойствами. Откуда же берутся парамагнетики? Оказывается, что в отличие от диамагнетиков, у которых магнитные моменты электронов внутри атома скомпенсированы, атомы парамагнетиков имеют нескомпенсированные магнитные моменты.
Под действием внешнего магнитного поля эти магнитные моменты поворачиваются, стремясь расположиться вдоль силовых линий поля. Тепловое движение, естественно, расстраивает этот порядок. Мы видим, что механизм намагничивания парамагнетиков вполне аналогичен механизму поляризации диэлектриков с полярными молекулами (9 38.6). Если провести такие же рассуждения, как и при выводе формулы (38.25), получим выражение для !4~ 419 намагниченности парамагнетиков: ~~РтВ» РРпРо»» ЗИ злт (42.16) 2. Магнитная восприимчивость парамагнегиков является положительной величиной: лРтго 3ЬТ Как видно, при неизменной концентрации атомов (т. е. при неиз- менной плотности вещества) магнитная восприимчивость парамаг- нетиков меняется обратно пропорционально абсолютной темпера- туре (закон Кюри): соя»! Х т Это явление подтверждается экспериментально.
Заметим, что выражение (42.16) справедливо при условии, если р В,ЙТ 41, т. е. если энергия диполя в магнитном поле кг =р В, много меньше энергии теплового движения частицы е =йТ. Поскольку р ж рз — — 9,27.10 " А м', а максимально достижимая индукцня магнитного поля В„,„,ж1,3 Т, то при комнатных температурах это условие всегда выполняется.
Лишь при очень низких температурах можно получить р В,(лТт!; для этого парамагнетик следует охладить до температуры РтВ» !»зВ»»»о 9,27 10-оо 1,3 т. е. близка к абсолютному нулю. В этом случае намагниченность парамагнетииа будет близка к насыщению, так как все магнитные моменты атомов расположатся вдоль поля, а слабое тепловое движение это! порядок разрушить не сможет.
3. Оценим величину магнитной восприимчивости парамагнетиков при комнатных температурах. Для газов и=2,69 1О" м-'! полагая Тж300 К, получим 2,69 !Оо'9,27» 10 — оо 4я кт 3 133 10, 300 10, ж2,3 10 Опыт дает для кислорода при 20 'С значение магнитной восприимчивости 18,6.10 ', для окиси азота (ХО) 0,8.10 '. У твердых парамагнетиков восприимчивость должна быть примерно в 1000 раз больше. Опыт дает для платины 2,58 10 ', для натрия 8,3 10-'; для лития 2,3 10 ', а для других материалов — значительно меньшие значения. Итак, магнитная восприимчивость парамагнетиков примерно в сто раз больше восприимчивости диамагнетиков.
Это позволяет объяснить, почему у парамагнетиков не проявляются диамагнитные свойства. Оказывается, что более сильный парамагнитный эффект перекрывает слабый диамагнитный. 420 3 42.6, Ферромагнетизм. Точка Кюри 1. В отличие от парамагнетнков и диамагнетиков, у которых вектор намагниченности пропорционален напряженности намагиичивающего поля, у ферромагнетиков намагниченность является весьма сложной нелинейной функцией напряженности. Для никеля зта зависимость изображена на рис. 42.5.
Для удобства изобра- ~ ат жения масштаб нарушен: область напряженности поля от 0,1 10' (~'У: до 2 10' А!м растянута. Как ь7ч3 гсг видно из чертежа, намагниченность никеля сначала быстро нарастает с ростом напряженности г в~» магнитного поля. Затем насту. пает магнитное насыщение, когда намагниченность уже практически перестает зависеть от величины намагничивающего поля. 2. Поскольку намагниченность ферромагнетика не пропорциональна напряженности намагничивающего поля, выражения (42.6) и (42.8) теряют смысл. Формально, однако, ими можно пользоваться, учитывая, что для ферромагнегиков магнитная восприимчивость и =М~Й и магнитная проницаемость р=В!рзН являются не постоянными величинами, а довольно сложными функциями напряженности намагничивающего поля.
3. Следующее важное отличие ферромагнетиков заключается в том, что если парамагнитные или диамагнитные свойства вещества проявляются в любом агрегатном состоянии, то ферромагнитные свойства наблюдаются только у кристаллов. В жидком или газообразном состоянии ферромагнитные вещества ведут себя как обычные парамагнетики. Отсюда следует, что ферромагнитные свойства некоторых веществ определяются не особыми свойствами их атомов,— последние ничем не отличаются от атомов парамагнетиков,— а особой структурой их кристаллической решетки. При изменении структуры решетки должны меняться и магнитные свойства ферромагнетиков.
Опыт подтверждает зто предположение. Оказывается, что для каждого ферромагнетика имеется определенная температура — точка Кюри, выше которой ферромагнитные свойства исчезают и вешество становится обычным парамагнетиком. Для железа точка Кюри составляет 770'С, для никеля 360 'С, а для пермаллоя (сплав 70% Ге и 30% )ч 1) всего лишь 70 'С. 4. Как показал академик Л. Д. Ландау, точка Кюри у ферромагнетнков— это температура фазового перехода второго рода. При фазовых переходах первого рода меняется структура вещества; например, при плавлении кристалла дальний порядок меняется иа ближний. В результате меняется внутренняя энергия и энтропия тела, что требует затраты некоторой энергии — теплоты фазового перехода (см.
гл. 36). Фазовые переходы второго о. Ферромагнетизм присущ только кристаллам, а последние обладают анизотропией (см. 5 32.)), поэтому монокристалл ферромагнитного веп(ества должен обладать анизотропией намагннчения — его магнитные свойства должпы быть разными в разных направлениях. Опыт подтверждает зто предположение. Ф, ггсввд вдим 1,2 12 У2 вю . Н,ювв гдг Рнс. 42.7. 1 2 2 т г,' 11 Рис.
42.б. На рис, 42.7 изображены графики намагниченности монокристалла железа, имеющего решетку типа объемноцентрированного куба (см. $ 33.4). Оказывается, что в направлении ребра куба намагниченность вещества при данном значении напряженности поля наибольшая (а), меньше она в направлении диагонали грани (б) и наименьшая намагниченность — в направлении пространствен.
ной диагонали куба (в), Поэтому ребро куба называется направлением легкого намагничивания, а диагональ куба — направлением трудного намагничивания. Естественно, что в поликристалле анизотропия намагниченности не проявляется, поскольку отдельные микрокристаллики ориентированы беспорядочно (см, 5 32.2). 422 рода, например. исчезновение ферромагнитных свойств вещества при переходе через точку Кюри, не сопровождаются изменением агрегатного состояния. В частности, прн этом кристаллическая решетка не разрушается, хотя тип симметрии решетки меняется. В результате фазовые переходы второго рода не сопроеожда.
ются изменением энтропии и внутренней энергии тела, следовательно, здесь нет и теплоты фазового перехода. Ландау показал, что при фазовых переходах второго рода скачком меняются такие характеристики вещества, как теплоемкостгч козффициент теплового расширения, сжнмаемость н т.
п., что подтверждается экспериментом, На рис, 42.6 показаны графики изменения намагниченности и теплоемкостн некоторого вещества. Как видно, при температуре 4,2 К намагниченность резко падает, следовательно, эта температура есть точка Кюри для данного вещества. При етой тем. пературе теплоемкость вначале быстро возрастает, а затем падает. $42.7. Хистерезнс 1. Характерным свойством ферромагиетиков является гисэерезис. Явление заключается в том, что намагниченность ферромагнетика зависит не только от напряженности намагничивающего поля в данный момент, но н от предварительного намагничивания образца.
Поэтому вообще нельзя указать, какая намагниченность ферромагнетика соответствует данному значению напряженности намагничивающего поля, если не известно, в каком состоянии он до этого находился. То же, естественно, относится к значениям магнитной восприимчивости и проницаемости. Ю График рис. 42.5 характеризует 1 ход первоначальной намагниченно- е 1 сти, когда ферромагнетик был сначала нагрет выше точки Кюри и тем самым полностью размагничеи, а за- -ф Н тем охлажден и подвергнут намаг. о н, н, иичиванию. Совершенно иной вид будет иметь кривая намагниченности, если ферромагнетнк был уже ранее намагничен.
2. Изготовим сердечник в форме таранда из размагниченного ферромагнетика и обмотаем его равномерно Рвс. 42 В. проводником. Меняя ток в обмотке, мы тем самым меняем напряженность намагничивающего поля. Пусть напряженность поля возрастет до значения Н, (рис. 42.8). Этому значению поля соответствует намагниченность насыщения, равная М,.
Будем уменьшать ток в обмотке, уменьшая тем самым напряженность намагиичивающего поля. Мы убедимся, что намагниченность сердечника в процессе размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда ток в обмотке станет равен нулю, исчезнет и намагничявающее поле. Но намагниченность ферромагнетика не обратится в нуль — сердечник сохранит некоторую остаточную намагниченность М,. И только в том случае, когда по обмотке будет пропущен ток обратного направления и возникнет поле с напряженностью — Н„намагниченность сердечника обратится в нуль.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
