Магнитные свойства вещества определяются реакцией его атомных и электронных магнитных моментов на внешнее магнитное поле — по характеру этой реакции материалы делят на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики (а также антиферро- и ферримагнетики) с разными значениями восприимчивости и проницаемости.
Магнитный момент отдельных электронов (орбитальный и спиновый) создаёт в веществе суммарный магнитный эффект; при помещении в внешнее поле эти моменты могут индуцировать дополнительное поле в том же или противоположном направлении, что и внешнее поле, — именно это даёт наблюдаемые виды магнитного поведения.
Хотя далеко не из каждого вещества можно изготовить постоянный магнит, все вещества будучи помещены во внешнее магнитное поле так или иначе намагничиваются. Некоторые из веществ намагничиваются сильнее, а некоторые так слабо, что этого и не заметить без специальных приборов.
Говоря "вещество намагнитилось", мы имеем ввиду тот факт, что вещество само стало источником магнитного поля вследствие воздействия на него внешним магнитным полем. То есть параметры вектора магнитной индукции B при наличии в данном пространстве этого вещества не соответствуют вектору магнитной индукции B0 в вакууме, если бы вещество отсутствовало.
В связи с данным явлением в физике введено такое понятие как магнитная проницаемость вещества. Этот параметр вещества показывает, во сколько раз величина вектора магнитной индукции B в данном веществе больше чем в вакууме при одной и той же напряженности приложенного магнитного поля H.
По характеру реакции на внешнее магнитное поле определяют магнитные свойства вещества, которые зависят от того как упорядоченна внутренняя структура данных веществ. Таким образом можно выделить три класса веществ, магнитные свойства которых ярко выражены (данные вещества называются магнетиками): ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Ферромагнетики и точка Кюри
У ферромагнетиков магнитная проницаемость много больше единицы. К ферромагнетикам относятся например: железо, никель и кобальт. Из них, как легко заметить, чаще всего и изготавливают постоянные магниты. Здесь стоит отметить, что магнитная проницаемость ферромагнетиков зависит от магнитной индукции внешнего магнитного поля.
Главная особенность ферромагнетиков заключается в том, что им свойственен остаточный магнетизм, то есть будучи намагничен, ферромагнетик остается таковым даже после отключения источника внешнего магнитного поля.
Но если намагниченный ферромагнетик подвергнуть нагреванию до определенной температуры, то он снова размагнитится. Данная критическая температура называется точкой Кюри или температурой Кюри - это такая температура, при которой вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Для железа точка Кюри равна 770°C, для никеля 365°C , для кобальта 1000°C. Если взять постоянный магнит и нагреть его до температуры Кюри, он перестанет быть магнитом.
Ферромагнетики обладают высокой магнитной проницаемостью, остаточным магнетизмом и критической температурой Кюри, при достижении которой происходит переход к парамагнитному состоянию и исчезновение ферромагнитных свойств.
Парамагнетики
Ряд веществ, ведущих себя во внешнем магнитном поле подобно железу, то есть намагничиваются по направлению намагничивающего поля и втягиваются в него, называют парамагнетиками. Их магнитная проницаемость немного больше единицы, ее порядок 10-6.
Магнитная проницаемость парамагнетиков также зависит от температуры и уменьшается с её повышением, что описывается законом Кюри — магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре.
В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетики не обладают остаточной намагниченностью, то есть не имеют собственного магнитного поля, поскольку магнитные моменты атомов ориентированы хаотично и взаимно компенсируются. Из парамагнетиков постоянные магниты не изготавливают, так как они не способны сохранять намагниченность без внешнего поля.
К парамагнетикам относятся, например, алюминий, вольфрам, платина, азот, а также некоторые газы и растворы. Эбонит же является диамагнетиком, то есть веществом, которое слабо отталкивается от магнитного поля, поэтому его обычно не относят к парамагнетикам.
Парамагнетизм обусловлен наличием в атомах или молекулах неспаренных электронов, магнитные моменты которых ориентируются вдоль внешнего поля, создавая слабое намагничивание. Однако при прекращении действия поля эти моменты возвращаются в случайное состояние, что и объясняет отсутствие остаточного магнетизма.
Парамагнетики характеризуются слабой положительной магнитной восприимчивостью, температурной зависимостью и отсутствием собственного магнитного поля в отсутствии внешнего воздействия.
Диамагнетики
Но есть среди магнетиков и такие вещества, которые намагничиваются против приложенного к ним внешнего магнитного поля. Они называются диамагнетиками. Магнитная проницаемость диамагнетиков немного меньше единицы, ее порядок 10-6.
Магнитная проницаемость диамагнетиков практически не зависит ни от индукции прилагаемого к ним магнитного поля, ни от температуры. Это связано с тем, что диамагнетизм возникает из-за индукции слабого магнитного момента, противоположного внешнему полю, вследствие изменения орбитального движения электронов в атомах под действием поля (эффект Ленца). Когда диамагнетик оказывается вынесен из намагничивающего магнитного поля, он полностью размагничивается и собственного магнитного поля не несёт.
К диамагнетикам относятся, например, медь, висмут, кварц, стекло, каменная соль. Идеальными диамагнетиками называют сверхпроводники, поскольку внешнее магнитное поле не проникает в них вовсе — это явление известно как эффект Мейснера. Это значит, что можно считать магнитную проницаемость сверхпроводника равной нулю, а его магнитную восприимчивость — равной 1, что соответствует полному вытеснению магнитного поля из объёма сверхпроводника.
Диамагнетики характеризуются слабой отрицательной магнитной восприимчивостью, отсутствием остаточного магнетизма и независимостью магнитных свойств от температуры и величины внешнего поля. Их поведение противоположно парамагнетикам и ферромагнетикам, что делает диамагнетизм универсальным и присущим практически всем веществам в той или иной степени.
Практическое применение и примеры:
- Диамагнетизм используют в высокоточных измерениях и экспериментах (например, левитация сильных диамагнетиков как графита и висмута).
- Парамагнетики встречаются в сольвент-средах, в парамагнитных добавках и в некоторых переходных соединениях; их температуразависимость учитывают в магнитных исследованиях.
- Ферромагнитные материалы — основа электротехники: сердечники трансформаторов, двигателей, постоянные магниты, носители данных и т. п.; выбор сплава определяется требуемой коэрцитивностью и магнитной проницаемостью.
Пример. При нагреве ферромагнетика до температуры Кюри его спонтанный порядок разрушается и материал становится парамагнитным. Это объясняет, почему некоторые магнитные свойства исчезают при сильном нагреве.
Часто задаваемые вопросы
Вопрос: Почему вообще все вещества по-разному реагируют на магнитное поле?
Ответ: Потому что внутри атомов и молекул по-разному устроены электронные оболочки, а значит по-разному складываются их магнитные моменты. Внешнее поле лишь выявляет эту внутреннюю структуру, поэтому одни вещества усиливают поле, другие ослабляют его, а третьи почти не меняют картину.
Вопрос: Что показывает магнитная проницаемость, если сказать совсем просто?
Ответ: Она показывает, как сильно вещество изменяет магнитное поле по сравнению с вакуумом. Иначе говоря, это удобный способ численно описать, насколько среда "пропускает" или "ослабляет" магнитное поле.
Вопрос: Почему ферромагнетики так хорошо подходят для магнитов?
Ответ: Потому что они способны сильно намагничиваться и сохранять намагниченность после снятия внешнего поля. Именно остаточный магнетизм делает возможными постоянные магниты, сердечники трансформаторов и другие сильномагнитные устройства.
Вопрос: Что происходит с ферромагнетиком при нагреве до точки Кюри?
Ответ: При этой температуре тепловое движение разрушает упорядоченность магнитных доменов, и ферромагнетик теряет свои сильные магнитные свойства. После перехода через точку Кюри он ведёт себя уже как парамагнетик.
Вопрос: Почему парамагнетики слабо притягиваются к магниту, но не становятся постоянными магнитами?
Ответ: У них есть собственные магнитные моменты, но без внешнего поля они ориентированы хаотично и взаимно компенсируют друг друга. Поле немного упорядочивает эти моменты, но после снятия поля порядок исчезает, поэтому остаточной намагниченности не остаётся.
Вопрос: Чем диамагнетики отличаются от остальных магнетиков?
Ответ: Они не усиливают поле, а, наоборот, создают слабое противоположное поле. Из-за этого диамагнетики слабо выталкиваются из зоны действия магнита, а их магнитная восприимчивость отрицательна.
Вопрос: Правда ли, что диамагнетизм есть почти у всех веществ?
Ответ: Да, в том или ином виде он присущ очень многим веществам. Просто у ферромагнетиков и парамагнетиков этот эффект маскируется более сильными магнитными свойствами, поэтому заметен только у диамагнетиков или в специальных измерениях.
Вопрос: Почему у сверхпроводников магнитное поле не проникает в объём?
Ответ: Потому что ниже критической температуры они проявляют эффект Мейснера и вытесняют магнитное поле изнутри. Поэтому сверхпроводник считают идеальным диамагнетиком с практически нулевой магнитной индукцией в объёме.
Вопрос: От чего зависит магнитная проницаемость одного и того же материала?
Ответ: Не только от природы вещества, но и от температуры, структуры, состояния образца и даже от величины внешнего поля. Особенно заметно это у ферромагнетиков, где проницаемость уже нельзя считать постоянной величиной во всём диапазоне условий.
Вопрос: Где знание магнитных свойств вещества особенно важно на практике?
Ответ: В трансформаторах, электрических машинах, магнитных системах аппаратов, экранировании, датчиках и накопителях энергии. Выбор материала здесь определяет потери, нагрев, чувствительность и долговечность устройства.
Смотрите также:
Магнитные явления в физике - история, примеры и интересные факты
В чем разница между искусственным и естественным магнитами?
Что такое диамагнетизм и диамагнитные материалы
Андрей Повный