MAGNETYCZNE WŁAŚCIWOŚCI CIAŁ STAŁYCH

Własności magnetyczne ciał stałych.

Ze względu na własności magnetyczne ciała stałe dzielimy na:

a) diamagnetyki – atomy diamagnetyków mają parzystą liczbę elektronów na powłoce walencyjnej; elektrony te wytwarzają pola magnetyczne, ale pola te wzajemnie się znoszą, dlatego atomy diamagnetyka nie wykazują namagnesowania, a tym samym cały diamagnetyk nie wytwarza pola magnetycznego; diamagnetyk umieszczony zewnętrznym polu magnetycznym osłabiają to pole; do diamagnetyków należy np. cynk, rtęć i wapń.

b) paramagnetyki – atomy paramagnetyków maja nieparzystą liczbę elektronów na powłoce walencyjnej; atomy paramagnetyka wytwarzają własne pola magnetyczne, ale pola te wzajemnie się znoszą, dlatego paramagnetyki nie wykazują namagnesowania; paramagnetyk umieszczony zewnętrznym polu magnetycznym wzmacnia to pole; do paramagnetyków należy np. aluminium, cyna i magnez.

C) ferromagnetyki – to ciała zdolne do wytwarzania własnego pola magnetycznego; charakteryzują się tym, że występują w nich obszary stałego namagnesowania tzw. domeny ferromagnetyczne; pola magnetyczne domen są różnie skierowane i kompensują się wzajemnie; umieszczenie ferromagnetyka w zewnętrznym polu magnetycznym powoduje, że pola magnetyczne domen ustawiają się zgodnie z zewnętrznym polem i staje się on silnym magnesem; niektóre ferromagnetyki magnesują się trwale (z nich wykonuje się magnesy trwałe), a niektóre wykazują silne własności magnetyczne tylko wtedy, gdy znajdują się w zewnętrznym polu magnetycznym (wykonuje się z nich rdzenie elektromagnesów i transformatorów); do ferromagnetyków należy żelazo, kobalt i nikiel.

Własności magnetyczne ciał stałych

Przy opisie własności magnetycznych ciał posługujemy się pojęciem wektora polaryzacji magnetycznej M nazywanej też namagnesowaniem lub magnetyzacją. Wektor ten określa sumę wszystkich momentów magnetycznych, czyli wypadkowy moment magnetyczny jednostki objętości. Jeżeli próbkę zawierającą elementarne dipole magnetyczne umieścimy w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji B₀ to pole to dąży do ustawienia dipoli w kierunku pola i w efekcie powstaje w próbce wypadkowe pole o indukcji

(35.1)

Względną przenikalnością magnetyczną ośrodka można na podstawie wzoru (35.1) zapisać jako

(35.2)

gdzie wielkość χ nazywana jest podatnością magnetyczną.

W zależności od wielkości i znaku podatności magnetycznej µ , dzielimy ciała na następujące trzy grupy:

• µ < 0, ciała diamagnetyczne;

• µ > 0, ciała paramagnetyczne;

• µ>> 0, ciała ferromagnetyczne.

Diamagnetyzm

Diamagnetyzm jest związany ze zmianą orbitalnego momentu pędu elektronów wywołaną zewnętrznym polem magnetycznym. Oznacza to, że diamagnetyzm występuje w każdym materiale umieszczonym w polu magnetycznym (w każdym materiale są elektrony). Jednak doświadczalnie jest on obserwowany tylko w ciałach, w których momenty magnetyczne elektronów wchodzących w skład danego atomu znoszą się wzajemnie (kompensują) tak, że moment magnetyczny atomu jest równy zeru. W innym przypadku efekt ten jest maskowany przez wypadkowy moment magnetyczny atomów. Diamagnetykami są na przykład te ciała, których atomy lub jony posiadają wypełnione powłoki elektronowe.

Paramagnetyzm

Paramagnetykami są ciała, których atomy posiadają wypadkowy moment magnetyczny różny od zera. Przykładem mogą być atomy o nieparzystej liczbie elektronów, w których wypadkowy spin elektronów będzie zawsze większy od zera. Podatność paramagnetyków ma wartość nieznacznie większą od zera. W zewnętrznym polu magnetycznym atomowe dipole magnetyczne dążą do ustawienia równoległego do kierunku pola. Po usunięciu pola magnetycznego znika namagnesowanie i momenty dipolowe paramagnetyka są całkowicie nieuporządkowane.

Dla paramagnetyków (nie zawierających elektronów swobodnych) podatność magnetyczna zależy od temperatury zgodnie z prawem Curie

(35.3)

gdzie C jest stałą Curie.

Ferromagnetyzm

Istnieją pierwiastki takie jak Fe, Co, Ni oraz wiele różnych stopów, w których obserwujemy uporządkowanie magnetyczne pomimo, przeciwdziałających temu, ruchów termicznych atomów. Substancje te zwane ferromagnetykami charakteryzują się dużą podatnością, przy czym wielkość namagnesowania zależy zarówno od pola magnesującego jak i od tego czy były one magnesowane wcześniej. Jest to związane z silnym oddziaływaniem wymiennym jakie występuje pomiędzy spinowymi momentami magnetycznymi atomów. Ferromagnetyzm jest więc własnością kryształów, a nie pojedynczych atomów. Poszczególne atomy (tak jak w paramagnetyku) posiadają momenty magnetyczne, które podczas krystalizacji, w wyniku oddziaływania wymiennego, ustawiają się równolegle do siebie w dużych obszarach kryształu zwanych domenami. Każda domena jest więc całkowicie magnetycznie uporządkowana. Natomiast kierunki momentów magnetycznych poszczególnych domen są różne i próbka jako całość może nie mieć wypadkowego namagnesowania. Na rysunku poniżej po lewej stronie pokazano fragment nienamagnesowanego ferromagnetyka.

Linie pokazują granice domen, a strzałki oznaczają kierunek momentu magnetycznego w domenie.

Jeżeli taki materiał ferromagnetyczny umieścimy w zewnętrznym polu magnetycznym zaobserwujemy, że próbka uzyskuje duże namagnesowanie w relatywnie niskim polu magnetycznym. Dzieje się tak dlatego, że momenty magnetyczne atomów wewnątrz domen dążą do ustawienia się zgodnie z polem oraz, że przesuwają się ściany domen: domeny zorientowane zgodnie z polem rosną kosztem domen o innej orientacji. Ten proces nie jest całkowicie odwracalny. Po usunięciu pola granice domen nie wracają do położeń początkowych i materiał pozostaje namagnesowany trwale. Zjawisko to nazywamy histerezą magnetyczną. Na rysunku, poniżej prawej pokazana jest krzywa (ab) namagnesowania ferromagnetyka (początkowo nienamagnesowanego) i towarzysząca jej pętla histerezy (bcdeb).

Nienamagnesowany (punkt a) materiał ferromagnetyczny magnesujemy zewnętrznym polem magnetycznym B₀ aż do wartości odpowiadającej punktowi b. Następnie zmniejszamy pole magnesujące do zera. Namagnesowanie materiału maleje ale nie znika całkowicie (punkt c); materiał został namagnesowany trwale. Namagnesowanie w punkcie c nosi nazwę pozostałości magnetycznej. Następnie, ponownie zwiększamy pole magnesujące ale w kierunku przeciwnym do namagnesowania. Trwałe namagnesowanie ferromagnetyka zostaje usunięte dopiero po osiągnięciu wartości pola magnetycznego nazywanego polem koercji (punkt d). Dalsze zwiększanie pola magnesującego pozwala ponownie namagnesować materiał ale w nowym kierunku (punkt e). Możemy teraz powtórzyć postępowanie opisane powyżej i w efekcie powrócić do punktu b. Krzywa (bcdeb) nosi nazwę pętli histerezy..

O przydatności ferromagnetyka jako magnesu trwałego decyduje również zależność jego podatności od temperatury bo powyżej pewnej charakterystycznej temperatury T_C ferromagnetyk staje się paramagnetykiem. Temperaturę T_C nazywamy temperaturą Curie. Z punktu widzenia zastosowań istotne jest aby materiał ferromagnetyczny miał możliwie wysoką temperaturę przejścia w stan paramagnetyczny.

Wartość indukcji magnetycznej możemy określić przez siłę F działającą na ładunek q poruszający się w polu magnetycznym z prędkością v, prostopadle kierunku indukcji, wówczas:

Natężenie pola magnetycznego – wielkość wektorowa charakteryzująca pole magnetyczne, w ogólnym przypadku określana z użyciem prawa Ampera wzorem:

– natężenie pola magnetycznego,

I – prąd przepływający przez dowolną powierzchnię rozpiętą na zamkniętym konturze C.

Natężenie pola magnetycznego jest wielkością charakteryzującą pole magnetyczne niezależną od własności materiału – wartością zależną jest natomiast indukcja magnetyczna.

Między indukcją magnetyczną B a natężeniem pola magnetycznego H zachodzi relacja:

gdzie

– przenikalność magnetyczna ośrodka,

Magnetyzacja (namagnesowanie) jest właściwością materiałów (m.in. magnesów), która opisuje pole magnetyczne wytwarzane przez materiał. Przez magnetyzację rozumie się także wielkość fizyczną określającą wytwarzane przez materiał pole magnetyczne, definiuje się ją przez określenie momentów magnetycznych wytworzonych w jednostce objętości. Głównymi składnikami magnetyzacji są orbitalne i spinowe momenty magnetyczne elektronów.

.Magnetyzację definiujemy jako

magnetyczny moment dipolowy -Δm

Wiązek natężenia indukcji i magnetyzacji pola magnetycznego ma następującą postać

co jest równoważne:

gdzie:

- indukcja magnetyczna,

- natężenie pola magnetycznego,

μ₀ - przenikalność magnetyczna próżni,

- magnetyzacja.

Przenikalność magnetyczna jest to wielkość określająca zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany indukcji magnetycznej pod wpływem natężenia pola magnetycznego.

W paramagnetykach i diamagnetykach

Jeśli ośrodkiem jest paramagnetyk lub diamagnetyk przenikalność magnetyczna jest również skalarem, i można zapisać że:

gdzie: μ_r - względna przenikalność magnetyczna ośrodka (liczba bezwymiarowa) określana jako stosunek przenikalności magnetycznej danego ośrodka do przenikalności magnetycznej próżni.

W ferromagnetykach

W takim przypadku konkretną wartość przenikalności oblicza się jako:

gdzie: B_m - szczytowa wartość przebiegu indukcji magnetycznej, H_m - szczytowa wartość przebiegu natężenia pola magnetycznego.

Podatność magnetyczna – współczynnik proporcjonalności w równaniu określającym wielkość namagnesowania jako funkcję natężenia pola magnetycznego:

gdzie:

M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji)

χ - objętościowa podatność magnetyczna

H - natężenie pola magnetycznego

Podatność magnetyczna jest w systemie SI wielkością bezwymiarową.

W zależności od właściwości substancji jej podatność magnetyczna zmienia się dość zasadniczo. Gdy:

• χ < 0 - substancja jest diamagnetykiem, co oznacza że pole magnetyczne jest "wypychane" z takiego ciała (maleje gęstość strumienia pola magnetycznego w porównaniu z próżnią)

• χ = 0 - brak podatności, np. dla próżni

• χ > 0 - substancja jest paramagnetykiem, co oznacza że pole magnetyczne jest "wciągane" do takiego ciała (rośnie gęstość strumienia pola magnetycznego w porównaniu z próżnią)

• χ >> 0 - substancja jest ferromagnetykiem