На какие классы делятся все вещества по магнитным свойствам
Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.
Что такое диамагнетики
Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.
Определение 1
Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.
Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.
Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:
Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.
Диамагнетики бывают следующих видов:
- классические;
- аномальные;
- сверхпроводники.
Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.
Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):
Рисунок 1
Что такое парамагнетики
Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:
Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.
Определение 2
Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.
Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.
Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.
В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше.
Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:
- нормальные;
- парамагнитные металлы;
- антиферромагнетики.
Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.
Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.
Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.
Определение 3
При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.
Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:
Рисунок 2
Что такое ферромагнетики
В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.
Определение 4
Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.
Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:
Рисунок 3
Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.
В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.
Пример 1
Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.
Решение
Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.
B→=J→+μ0H→.
Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:
Рисунок 4
Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.
Пример 2
Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).
Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.
Решение
Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:
ρmB≪kT,→β≪1.
Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:
ρmB≪kT,→β≪1.
Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:
ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.
Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:
ρmz=ρm2μ0H3kT.
В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:
J=nρmz=ρm2μ0H3kTn.
Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:
χ=ρm2м0n3kT.
Ответ: χ=ρm2м0n3kT.
Источник
По реакции на внешнее магнитное поле и характеру внутреннего магнитного упорядочения все вещества в природе подразделяют на пять групп: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.
Перечисленным видам магнетиков соответствуют пять разных типов магнитного состояния вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, антиферромагнетизм и ферримагнетизм.
1) Диамагнетики.
К диамагнетикам относят вещества, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.
Диамагнетизм обусловлен небольшим изменением угловой скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное поле. Диамагнитный эффект является проявлением закона электромагнитной индукции на атомном уровне.
Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением.
Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этот момент направлен навстречу внешнему полю.
Если плоскость электронной орбиты расположена не перпендикулярно Н, то внешнее магнитное поле вызывает прецессионное движение орбиты вокруг направления Н.
При этом вектор орбитального магнитного момента (Морб) описывает конус. Угловая скорость прецессии определяет значение отрицательного магнитного момента ДМ.
Рисунок 1. – Прецессия электронной орбиты под действием магнитного поля:
Диамагнитный эффект является универсальным, присущим всем веществам. Однако в большинстве случаев он, маскируется более сильными магнитными эффектами. Диамагнетизм электронных оболочек выступает на первый план, когда собственный магнитный момент атомов равен нулю (т. е., спиновые магнитные моменты попарно скомпенсированы).
Диамагнетиками являются инертные газы, водород, азот, многие жидкости (вода, нефть и ее производные), ряд металлов (медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и др.), большинство полупроводников (кремний, германий) и органических соединений, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла и др. Диамагнетиками являются все вещества с ковалентной химической связью и вещества в сверхпроводящем состоянии. Численное значение магнитной восприимчивости диамагнетиков составляет 10-6 – 10-7. Поскольку
диамагнетики намагничиваются против направления поля, для них выполняется неравенство µ1.
Однако относительная магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы (за исключением сверхпроводников). Магнитная восприимчивость диамагнетиков незначительно изменяется с температурой. Это объясняется тем, что диамагнитный эффект обусловлен внутриатомными процессами, на которые тепловое движение частиц не оказывает влияния. Внешним проявлением диамагнетизма является выталкивание диамагнетиков из неоднородного магнитного поля.
2) Парамагнетики.
К парамагнетикам относят вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля. В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность вещества в целом равна нулю.
Внешнее магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности.
Поэтому парамагнитная восприимчивость зависит от температуры. Для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется законуКюри-Вейсса:
Где:
Си и – постоянные величины для данного вещества.
При комнатной температуре магнитная восприимчивость парамагнетиков равна 10-3 – 10-6.
Поэтому их магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Благодаря положительной намагниченности парамагнетики, помещенные в неоднородное магнитное поле, втягиваются в него. В сильных полях и при низких температурах в парамагнетиках наступает состояние магнитного насыщения, при котором все элементарные магнитные моментыориентируются параллельно Н. К парамагнетикам относят кислород, оксид азота, щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы, солижелеза, кобальта, никеля и редкоземельных элементов. Парамагнитный эффект по физической природе аналогичен дипольно-релаксационной поляризации диэлектриков.
3) Ферромагнетики.
К ферромагнетикам относят вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью (до 106), которая зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Ферромагнетикам присуща внутренняя магнитная упорядоченность, выражающаяся в существовании макроскопических областей с параллельно ориентированными магнитными моментами атомов. Важнейшая особенность ферромагнетиков заключается в их способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях.
4) Антиферромагнетики.
Антиферромагнетиками являются вещества, в которых ниже некоторой температуры спонтанновозникает антипараллельная ориентация элементарных магнитных моментов одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков характерна небольшая положительная магнитная восприимчивость 10-3 – 10-5, которая значительно зависит от температуры. При нагревании антиферромагнетик испытывает фазовый переход в парамагнитное состояние. Температура перехода, при которой исчезает магнитная упорядоченность, получила название точки Нееля (или антиферромагнитной точки Кюри).
Антиферромагнетизм обнаружен у хрома, марганца и ряда редкоземельных элементов (Се, Nd, Sm, Tmи др.). Типичными антиферро-магнетикамн являются простейшие химические соединения на основе металлов переходной группытипа оксидов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и т. п.
5) Ферримагнетики.
К ферримагнетикам относят вещества, магнитные свойства которых обусловлены нескомпенсированвым антиферромагнетизмом. Подобно ферромагнетикам они обладают высокой магнитной восприимчивостью, которая существенно зависит от напряженности магнитного поля и температуры. Свойствами ферримагнетиков обладают некоторые металлические сплавы, но, главным образом – оксидные соединения, среди которых наибольший практический интерес представляют ферриты.
Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, тогда как ферро- и ферримагнетики представляют сильномагнитные материалы.
Источник
Что такое магнетики
Магнетиками называются вещества, способные изменяться под действием магнитного поля таким образом, что преобразуются в источники магнитного поля.
В процессе приобретения свойств магнетика материалы характеризуются индукцией магнитного поля, равной сумме индукций внешнего и внутреннего магнитных полей. Такое явление получило название намагничивание.
Примечание
В 1831 М.Фарадеем был открыт закон электромагнитной индукции. Ученый первым определил понятие магнитного поля и открыл магнетики в 1845 году.
Классификация по магнитной проницаемости
Все материалы отличаются по магнитным свойствам. В зависимости от степени их проявления вещества классифицируются на следующие категории:
- сильномагнитные;
- слабомагнитные.
Общепринятым является деление магнетиков, исходя из механизма намагничивания. Состояние намагниченности вещества определяют с помощью вектора намагниченности, обозначаемого ($$bar{J}$$)
Намагниченность материала является физической величиной и определяется по формуле:
($$bar{J}=frac{1}{Delta V}sum_{Delta V}^{}{vec{pmi}}$$)
где ($${Delta V}$$) обозначает элементарный объем, ($${vec{pmi}}$$) представляет собой магнитные молекулярные моменты.
Суммирование выполняется с учетом каждой молекулы, которая присутствует в объеме ($$Delta V$$). Исходя из данной формулы, можно представить следующее уравнение:
($$p_{m}=vec{J}dV$$)
Парамагнетики и диамагнетики при помещении в слабые магнитные поля обладают намагниченностью, которая является пропорциональной величиной напряженности поля, обозначаемой ($$vec{H}$$). Для парамагнетиков и диамагнетиков корреляция вектора намагниченности представляет собой линейный параметр в соотношении с напряженностью поля.
В ситуации, когда магнетики отсутствуют, магнитное поле формируется следующим образом:
($$rotvec{B}=mu 0vec{j}$$)
При появлении магнетиков магнитное поле образуется с помощью токов проводимости и молекулярных токов. В этом случае формула будет преобразована:
($$rotvec{B}=mu 0(vec{j}+vec{j_{mol}})=mu 0vec{j}+rotvec{J}$$)
Диамагнетики, описание
Диамагнетиками называют вещества, в которых наблюдается изменение вектора движения электронов, составляющих атомы и молекулы, при воздействии внешнего магнитного поля, что приводит к образованию ориентированного тока кругового характера.
Магнитный момент в этом случае определяется следующим образом:
($$p_{m}=IS$$)
S представляет собой площадь витка с током.
В условиях существования магнитного поля молекулы материала обладают индуцированным магнитным моментом. Они играют роль источника дополнительного поля, индукцию которого можно определить по формуле:
($$vec{B}=frac{mu 0}{4pi}left{frac{3left(vec{p_{m}} times vec{r}right)vec{r}}{r^{5}}-frac{vec{p_{m}}}{r^{3}} right}$$)
На диамагнетические материалы внешнее поле воздействует относительно к противоположному магнитному полю извне. Показатели магнитной восприимчивости меньше ноля и значительно меньше, чем единица. Диамагнетики классифицируют на следующие виды:
- классические;
- аномальные;
- сверхпроводники.
К классическим диамагнетикам относят инертные газообразные вещества с замкнутыми внешними электронными оболочками:
- гелий;
- неон;
- аргон;
- криптон;
- ксенон.
Диамагнетиками также являются:
- инертные газы с жидкими и кристаллическими структурами;
- соединения с ионами, которые подобны атомам инертных газов;
- газообразные, жидкие, твердые галоиды;
- некоторые разновидности металлов, включая цинк, золото, ртуть.
Сверхпроводники относятся к категории сверхдиамагнетиков. Данные материалы характеризуются диамагнитным эффектом, обусловленным наличием поверхностных макроскопических токов. В группу диамагнетических веществ включены органические соединения. Для многоатомных материалов данного вида характерна анизотропность магнитной восприимчивости.
Парамагнетики, описание
Парамагнетиками называют вещества с молекулами, обладающими стабильным магнитным моментом без магнитного поля в электронах.
В параманетических материалах молекулы являются источником магнитного поля, в отсутствии которого наблюдается хаотичность моментов тех или иных молекул. Значение результирующей индукции в этом случае будет соответствовать нулевой отметке, а предмет являться не намагниченным. Образование актуального направления ориентации моментов связано с определением регулярных магнитных моментов молекул внешним полем. Для небольших объемов веществ характерны магнитные моменты, которые складываются из магнитных моментов определенных молекул. В результате парамагнетический материал преобразуется в источник магнитного поля, намагничиваясь в соответствии с направлением к внешнему полю. Показатели магнитной восприимчивости парамагнетика достаточно малы, но больше ноля.
Примечание
Определение парамагнетизма впервые было представлено в 1845 году Майклом Фарадеем. Ученый классифицировал все вещества, за исключением ферромагнитных, на диамагнетики и парамагнетики.
Основные виды парамагнетиков:
- нормальные;
- металлы;
- антиферромагнетики.
К первой группе парамагнетических веществ относятся:
- оксид азота;
- платина;
- кислород;
- палладий.
Парамагнитные металлы обладают важной особенностью: их магнитная восприимчивость не определяется температурой. Это слабомагнитные вещества. Если температура антиферромагнетических материалов превышает значение в точке Кюри, то такие вещества преобразуются в нормальные парамагнетики.
Ферромагнетики, описание
Ферромагнетиками называют вещества, для которых характерна высокая магнитная проницаемость, определяемая внешним магнитным полем.
Ферримагнетики и ферромагнетики намагничиваются, благодаря наличию магнитного момента в электронах. Момент характеризует конкретное соотношение с механическим моментом (спин). Ориентация спинов под действием магнитного поля происходит определенным образом. Как правило, такие магнетики являются кристаллическими веществами. Спонтанная намагниченность у ферромагнетиков наблюдается при невысокой температуре. Данный показатель может кардинально меняться в следующих условиях:
- Воздействие внешнего магнитного поля.
- Деформационные нагрузки на материал.
- Перепады температуры.
Ферромагнетики относятся к сильномагнитным веществам. Такие материалы могут характеризоваться остаточной намагниченностью. Степень намагниченности ферромагнетических веществ обладает пределами насыщения, что говорит о природе ее возникновения. Намагниченность происходит в результате изменения векторов магнитных моментов вещества. Ферромагнетики также подвержены гистерезису.
Классификация ферромагнетиков:
- мягкие;
- жесткие.
Первая группа ферромагнетических материалов характеризуется высокой магнитной проницаемостью и способностью к быстрому намагничиванию или размагничиванию. Такие материалы широко востребованы в производстве электротехнического оборудования и приборов, принцип работы которых базируется на взаимодействии переменных полей. К примеру, к подобным агрегатам относятся трансформаторы. Жесткие ферромагнетические вещества обладают небольшой проницаемостью. Такие материалы достаточно сложно намагничивать. Благодаря уникальным свойствам, ферромагнетики жесткого типа используются для изготовления постоянных магнитов.
Примеры ферромагнетических веществ:
- переходные элементы железа, кобальта, никеля;
- редкоземельные металлы, включая гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий;
- бинарные и многокомпонентные сплавы металлов и их соединений, включая хром, марганец, сплавы Гейслера;
- металлические сплавы актиноидов;
- сильно разбавленные растворы замещения парамагнитных атомов железа или кобальта в диамагнитной матрице палладия;
- аморфные или метастабильные сплавы и соединения металлов;
- аморфные полупроводники;
- обычные органические и неорганические стекла, халькогениды, включая сульфиды, селениды, теллуриды.
Отличия диа- пара- и ферромагнетиков
Магнетиками являются вещества, которые взаимодействуют с магнитным полем. В результате происходит его изменение, и могут наблюдаться преобразования в других физических явлениях:
- габаритные размеры;
- температура;
- проводимость;
- электрический потенциал.
Исходя из данного факта, к магнетикам можно отнести практически все материалы, что связано с их магнитной восприимчивостью, отличной от ноля. Вещества обладают определенным характером взаимодействия с магнитным полем. Этим объясняются их отличия:
- Диамагнетики характеризуются небольшой отрицательной магнитной восприимчивостью, способны в определенной степени ослаблять магнитное поле.
- Парамагнетики обладают небольшой положительной магнитной восприимчивостью, могут усиливать магнитное поле.
- Ферромагнетики – редкий класс магнетических веществ с большой положительной магнитной восприимчивостью, способностью значительно усиливать магнитное поле.
Источник