6.1 Класифікація магнетиків

 

Магнетизм - це універсальна властивість усіх тіл, яка виявляється у процесі їхньої взаємодії із зовнішнім магнітним полем. Така універсальність зумовлена тим, що довільне середовище містить рухомі заряди, а рухома частинка з електричним зарядом створює власне магнітне поле. Магнітне поле такої частинки обов'язково взаємодіятиме із зовнішнім магнітним полем.

Відомо, що ізольовані магнітні полюси в природі не виявлені, вони завжди існують парами, один з яких називають позитивним, а інший - негативним. Таку пару полюсів називають диполем. Мікроскопічна (атомна) теорія показує, що магнітний дипольний момент, який виникає у матеріалах, зумовлюється такими рухами заряджених частинок в атомах:

орбітальним рухом електронів навколо ядер;

спіном електронів, тобто обертанням електронів навколо власної осі;

спіном ядер, який зумовлений існуванням спінів у протонів та нейтронів.

Якщо помістити речовину у магнітне поле напруженістю , то вона намагнічуватиметься, тобто в речовині виникатиме результуючий магнітний момент, який складається з елементарних магнітних моментів окремих заряджених частинок . Мірою намагнічення речовини є намагніченість , що дорівнює магнітному моменту  одиниці об'єму речовини         

.

У невеликих полях між намагніченістю та магнітним полем лінійна залежність:

,                                    (6.1)

де  - об'ємна магнітна сприйнятливість речовини.

Крім об'ємної сприйнятливості, іноді використовують молярну сприйнятливість  або  - питому сприйнятливість. Ці величини пов'язані між собою такими співвідношеннями:

, ,

де , - відповідно густина та молярна маса речовини.

Очевидно, що всередині намагніченої речовини створюється власне внутрішнє поле, тому для опису магнітного поля у речовині вводять ще один вектор - магнітну індукцію :

,                          (6.2)

де  називають магнітною проникністю середовища;  - магнітна стала.

Магнетики - клас речовин, які можуть породжувати магнітне поле або видозмінювати зовнішнє магнітне поле.

Усі речовини в природі відносять до слабомагнітних або сильномагнітних магнетиків. Традиційна класифікація магнітних речовин ґрунтується на поділі їх за величиною та знаком магнітної сприйнятливості . Ізотропні речовини, для яких <0 (напрями  та  є антипаралельними), називають діамагнетиками. Для всіх інших речовин  (напрями  та  є паралельними) , при цьому матеріали, для яких сприйнятливість коливається в межах 10-4 -10-6, називають парамагнетиками. Якщо >>1, то реалізується випадок феромагнітних матеріалів.

Слабомагнітними магнетиками є пара- і діамагнетики. Основною різницею між ними є те, що атоми парамагнетиків на відміну від діамагнетиків мають власні магнітні моменти, які орієнтуються вздовж силових ліній зовнішнього магнітного поля, тобто парамагнетик намагнічується. За відсутності цього поля магнітні моменти у зв'язку з коливальним рухом розорієнтовані і вектор намагніченості . Властивості намагнічування мають і діамагнетики, але особливість цього процесу в них полягає у тому, що під дією сили Лоренца виникає індукований, магнітний момент, який завжди спрямований проти зовнішнього магнітного поля (із цієї причини на діамагнетики діє виштовхувальна сила з боку зовнішнього магнітного поля). Оскільки у пара- і діамагнетиків відносно мала намагніченість (), а магнітна сприйнятливість має величину порядку 10-4 -10-6, то їх віднесли до слабомагнітних речовин.

Отже, поведінка таких речовин неоднакова в неоднорідному зовнішньому полі: діамагнетик буде виштовхуватись із поля, а парамагнетик - втягуватися в область найбільшої напруженості.

Суттєва взаємодія між магнітними моментами зумовлює такі ефекти:

-              феромагнетизм, який реалізується тоді, коли всі атомні магнітні моменти розміщуються паралельно;

антиферомагнетизм спостерігається в кристалах, в яких пари рівних атомних магнітних моментів розміщуються антипаралельно;

феримагнетизм реалізується тоді, коли значення магнітних моментів, які є антипаралельними, не рівні між собою, внаслідок чого немає повної компенсації антипаралельних магнітних моментів сусідніх атомів

Відповідно речовини з такими типами розміщення магнітних моментів називають феромагнетиками, аитиферомагнетиками та феримагнетиками і відносять до класу сильномагнітних речовин.

Наведена схема класифікації магнітних речовин не є універсальною, оскільки не враховує всі можливі взаємодії у матеріалах. Так, зокрема, існують речовини, які важко однозначно віднести до одного з перелічених типів магнетиків. Відомі монокристали, які є парамагнітними вздовж однієї осі та діамагнітними відносно іншої. Деякі кристали намагнічуються вздовж однієї осі як феромагнетики, а стосовно іншої - як слабомагнітні речовини (парамагнетики, феримагнетики). Крім того, антиферомагнітні кристали за поведінкою в магнітному полі відносять до слабомагнітних речовин, тоді як за природою виникнення феримагнетики близькі до феромагнетиків.

У фізиці твердого тіла, яка використовує симетричні аспекти, застосовують також класифікацію магнетиків, в основу якої покладено наявність (або відсутність) упорядкування магнітних моментів атомів. Згідно з цим критерієм усі кристали поділяють на дві групи: впорядковані магнетики (феромагнетики, феримагнетики, антиферомагнетики) та невпорядковані магнетики (діамагнетики, парамагнетики).