Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

19 июня 2023
8 минут
10 668

Преподаватель физики

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 $ρ_{m}$ .

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:

классические;
аномальные;
сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля $\vec{H}$ .

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Что такое диамагнетики

Рисунок $1$

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента $\vec{p_{m}}$ . Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов $\vec{B}$ и $\vec{p_{m}}$ 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 $χ \approx 10^{- 6}$ .

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 $\vec{M}$ .

Данный момент стремится к смене угла между $\vec{p_{m}}$ и $\vec{B}$ .

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:

Что такое парамагнетики

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:

Что такое ферромагнетики

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 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 $<ρ_{m z}> = ρ_{m} L (β)$ .

Здесь $L (β) = c t h (β) - \frac{1}{β}$ означает функцию Ланжевена при $β = \frac{ρ_{m} B}{k T}$ .

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

$ρ_{m} B ≪ k T, \to β ≪ 1$ .

Значит, если $β ≪ 1 c t h (β) = \frac{1}{β} + \frac{β}{3} - \frac{β^{3}}{45} + . . .$ , можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

$ρ_{m} B ≪ k T, \to β ≪ 1$ .

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

$<ρ_{m z}> = ρ_{m} \frac{ρ_{m} B}{3 k T} = \frac{{ρ_{m}}^{2} B}{3 k T}$ .

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

$<ρ_{m z}> = \frac{ρ_{m}^{2} μ_{0} H}{3 k T}$ .

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

$J = n <ρ_{m z}> = \frac{ρ_{m}^{2} μ_{0} H}{3 k T} n$ .

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

$χ = \frac{{ρ_{m}}^{2} м_{0} n}{3 k T}$ .

Ответ: $χ = \frac{{ρ_{m}}^{2} м_{0} n}{3 k T}$ .