Какие материалы называются диамагнетиками парамагнетиками ферромагнетиками

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.

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρ m .

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:

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):

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента p m → . Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B → и p m → совпадут, то величина энергии будет минимальной.

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 p m → и B → .

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:

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

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:

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.

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.

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

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:

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

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 " open=" ρ m z = ρ m L ( β ) .

Здесь L ( β ) = c t h ( β ) — 1 β означает функцию Ланжевена при β = ρ m B k T .

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .

Значит, если β ≪ 1 c t h β = 1 β + β 3 — β 3 45 + . . . , можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

" open=" ρ m z = ρ m ρ m B 3 k T = ρ m 2 B 3 k T .

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1 , получим следующее:

" open=" ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T .

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J = n " open=" ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T n .

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора ( J = χ H ), мы можем записать результат:

Читайте также:

  1. Диамагнетики. Парамагнетики. Ферромагнетики. Петля гистерезиса.
  2. Специальные ферромагнетики
  3. Ферромагнетики
  4. Ферромагнетики и их свойства

Теорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля

Аналогом вектора электрического смещения Dявляется вектор напряженности Н магнитного поля.

В случае вакуума , поэтому

Единица напряженности магнитного поля – 1 А/м – напряженность такого поля, магнитная индукция которого в вакууме равна Тл.

,

где — безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества.

,

где — магнитная проницаемость вещества.

Тогда .

Парамагнетики – вещества, собственные магнитные моменты атомов которых в отсутствие внешнего магнитного поля отличны от нуля. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

Парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его.

К парамагнетикам относятся редкоземельные элементы, платина, алюминий и т.д.

Диамагнетики – вещества, молекулы которых не обладают магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле индуцируются элементарные круговые токи. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле.

К диамагнетикам относятся многие металлы (висмут, золото, серебро, медь), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

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.

Ферромагнетики – твердые вещества, обладающие спонтанной намагниченностью даже при отсутствии внешнего магнитного поля, которая подвержена сильному влиянию внешних факторов – изменению температуры, магнитного поля, деформации.

В отличие от диа- и парамагнетиков (слабомагнитных веществ), для которых намагниченность и напряженность линейна, для ферромагнетиков (сильномагнитных веществ) эта зависимость сложная: вначале с возрастанием намагниченность растет сначала быстро, затем медленнее, достигая магнитного насыщения (см. рис.).

К ферромагнетикам, кроме основного их представителя – железа, относятся кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения. Для ферромагнетиков (например, для стали ).

Свойства ферромагнетиков обнаруживаются лишь при температурах, меньших определенной температуры для каждого из них, называемой точкой Кюри. При температуре, большей точки Кюри, ферромагнетик становится парамагнетиком. Например, точка Кюри для железа

760 0 С, для никеля – 360 0 С, для кобальта – 1000 0 С. Существуют ферромагнитные сплавы, точка Кюри для которых меньше 100 0 С (например, пермаллой – 70 0 С).

При температурах, меньших точки Кюри, ферромагнитные вещества состоят из намагниченных областей с линейными размерами порядка 10 -2 -10 -4 см – доменов. При наложении внешнего магнитного поля происходит упорядочение ориентации полей доменов, в результате чего образец оказывается намагниченным вдоль внешнего пол, причем тем сильнее, чем больше магнитная индукция внешнего поля (возрастает степень упорядоченности ориентации отдельных доменов).

Дата добавления: 2015-07-02 ; Просмотров: 6935 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Дата публикации: 20 февраля 2015 .
Категория: Электротехника.

По характеру магнитных свойств все вещества можно разделить на три группы:

Ферромагнетики

Ферромагнитные – вещества, сильно притягивающиеся к магниту. К ним принадлежат железо, сталь, чугун, никель, кобальт, редкоземельный элемент гадолиний и некоторые сплавы.

У этих веществ относительная магнитная проницаемость имеет величину от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Например, для кобальта – 150, никеля – 300, железа – до 500, пермаллоя (сплав стали с никелем) – до 100 000.

Парамагнетики

Парамагнитные — вещества, слабо притягивающиеся к магниту. К ним принадлежат алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород и другие. У этих веществ относительная магнитная проницаемость немного больше единицы. Например, у воздуха µ = 1,0000031.

Диамагнетики

Диамагнитные – вещества, слабо отталкивающиеся от магнита. К ним принадлежат цинк, ртуть, свинец, сера, медь, хлор, серебро, вода и другие. У этих веществ относительная магнитная проницаемость немного меньше единицы. Например, у меди µ = 0,999995.

Источник: Кузнецов М.И., "Основы электротехники" — 9-е издание, исправленное — Москва: Высшая школа, 1964 — 560с.

Оцените статью
Добавить комментарий