§ 22.15. Парамагнітні, діамагнітниє і феромагнітні речовини.
Речовини, намагнічуватися під впливом магнітного поля, називаються Магнетика. Одні речовини при своєму намагничивании зовнішнім полем підсилюють його, а інші послаблюють. Розглянемо спочатку речовини, молекули яких мають власне магнітне поле, обумовлене орбітальним рухом електронів навколо ядер. Це магнітне поле подібно полю кругового струму. Тому такі молекули можна уявити собі у вигляді дуже маленьких магнітиків з північним і південним полюсами.
Якщо така речовина потрапляє в зовнішнє магнітне поле, то на його молекули діють обертаючі моменти, які створюють впорядковане розташування молекул уздовж ліній магнітної індукції. При цьому лінії індукцін входять в молекулу з боку її південного полюса, а виходять з неї з боку північного полюса. Отже, всередині речовини відбувається посилення магнітного поля. Тіла, зроблені з подібних речовин, намагнічуються зовнішнім полем так, як показано на рис. 22.21, а. При накладенні створеного речовиною поля на зовнішнє поле виходить результуюче магнітне поле, показане на рис. 22.21, б, де видно, що лінії індукції виявилися ніби втягнутими всередину тіла. Стрижень з такої речовини в зовнішньому полі розташовується уздовж ліній індукції,
З рис. 22.21 видно, що стрижень повинен втягуватися в зовнішнє магнітне поле, оскільки різнойменні полюси магнітів притягуються.
Оскільки тепловий рух молекул речовини тіла порушує їх впорядковане розташування, намагніченість при підвищенні температури зменшується. Якщо це тіло видалити з зовнішнього поля, то хаотичний рух молекул призведе до його повного розмагнічування.
З описаного вище випливає, що відносна магнітна проникність такого магнетика більше одиниці. (Так, у марганцю алюмінію азоту) Речовини, у яких магнітна проникність трохи більше називаються парамагнетиками.
Отже, парамагнітні властивості речовини пояснюють орбітальним рухом електронів навколо ядер атомів, що створює власне магнітне поле молекул. Зауважимо, що парамагнетики намагнічуються дуже слабко.
По-іншому поводяться в зовнішньому магнітному полі речовини, молекули яких не мають власного магнітного поля. Тіло з такої речовини намагничивается так, що всередині тіла його власне магнітне поле направлено назустріч зовнішньому полю (рис. 22.22, а).
Отже, всередині речовини поле дещо слабше, ніж зовні; лінії індукції як би витісняються з тіла (рис. 22.22, б). Відносна магнітна проникність таких магнетиків трохи менше одиниці. (Наприклад, у вісмуту кремнію води водню)
Речовини, у яких магнітна проникність трохи менше називають Магнетика і. Діамагнітні властивості речовини виявляються набагато слабкіше, ніж парамагнітні властивості. Типовим представником діамагнетіков є вісмут. З рис. 22.22, б видно, що діамагнетик повинен, виштовхувати з зовнішнього магнітного поля, оскільки однойменні полюси магнітів відштовхуються. Причина діамагнітних властивостей речовин буде розглянута в наступному розділі (§ 23.5).
Крім описаних вище, є невелика група речовин, у яких відносна магнітна проникність у багато разів більше одиниці. Речовини, у яких магнітна проникність у багато разів більше називають феромагнетика і. Найбільш яскравим представником цих речовин є залізо. Воно може посилювати зовнішнє магнітне поле в тисячі разів. Феромагнетиками також є сталь, чавун, нікель, кобальт, рідкісний метал гадоліній і деякі сплави феромагнітних металів. Ефект «втягування» ліній індукції зовнішнього поля в ферромагнетик виражений дуже сильно (рис. 22.23).
Вивчення будови феромагнетиків за допомогою мікроскопа показало, що феромагнетик складається з безлічі мимовільно (спонтанно) намагнічених областей розмірами близько 0,001 мм,
які стали називати доменами. У кожному з доменів магнітні моменти всіх його молекул спрямовані в одну сторону.
Якщо феромагнетик НЕ намагнічений, то домени в ньому розташовані хаотично (рис. 22.24, а). Коли ферромагнетик поміщають в зовнішнє магнітне поле, то його домени перемагнічуються таким чином, що їх магнітні моменти виявляються спрямованими по лініям індукції зовнішнього поля (орієнтуються за напрямком поля) і цим підсилюють його у багато разів (рис. 22.24, б).
До феромагнетика належать тільки такі речовини, які складаються з доменів. Коли напрямки магнітних полів всіх доменів співпадуть з напрямком зовнішнього поля, ферромагнетик буде намагнічений до межі. Такий стан феромагнетика називають магнітним насиченням. Ошетім, що кожен окремий домен завжди намагнічений до насичення.
Пояснення феромагнітних властивостей було знайдено після того, як встановили, що електрони, крім орбітального руху навколо ядер, обертаються навколо своєї осі, т. Е. Мають власний момент кількості руху, який отримав назву «спін» (англійське слово, що означає «вертіння»).
Оскільки електрон заряджений, то він повинен мати і власний магнітний момент. Магнітні моменти електронів в атомі можуть мати тільки два взаємно протилежні напрямки: паралельне і антипаралельними. У більшості випадків магнітні моменти електронів в атомах мають попарно протилежні напрямки, тому їх магнітні поля компенсовані.
У феромагнетиків в атомах є по кілька електронів, магнітні моменти яких не компенсовані, оскільки спрямовані в одну сторону. Ці електрони підсилюють магнітне поле навколо атомів. Так як сусідні атоми взаімрдействуют один з одним, обмінюючись валентними електронами, то магнітні моменти цих атомів розташовуються паралельно, т. Е. В речовині виникають домени.
Таким чином, магнітні властивості феромагнетиків пояснюються наявністю не компенсуються спинив електронів у їх атомів і електричним взаємодією між атомами, що виникають при обміні валентними електронами.