Диамагнетики — вещества, в которых в «чистом» виде проявляется диамагнитный эффект, являющийся результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи. Магнитный момент , возникающий при этом эффекте, направлен навстречу внешнему полю . Для диамагнетиков
k m = -(10 -6 — 10 -7 ),
k m — слабо изменяется от температуры. Диамагнетизм присущ всем веществам, однако в большинстве случаев он маскируется другими типами магнитного состояния.
Примеры диамагнетиков: все вещества с ковалентной химической связью, щелочно-галоидные кристаллы, неорганические стекла, полупроводниковые соединения А 3 В 5 , А 2 В 6 , кремний, германий, бор и другие. Ряд металлов: медь, серебро, золото, цинк, ртуть, галлий и другие, водород, азот, вода и другие.
Парамагнетики — вещества с нескомпенсированными магнитными моментами и отсутствием магнитного атомного порядка. Магнитный момент парамагнетика равен нулю. Под действием внешнего поля из-за преимущественной ориентации магнитных моментов в направлении поля появляется намагниченность. Для парамгнетиков
3 8 Диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики
k m парамагнетиков в большинстве случаев меньше зависит от температуры. При комнатной температуре k m = 10 -6 — 10 -3 .
Примеры парамагнетиков: щелочные и щелочно-земельные металлы, некоторые переходные металлы, соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных металлов, кислород, окись азота. Al, Na, Mg, Ta, W, CaO, CoO и другие.
Ферромагнетики — вещества, в которых (ниже температуры Кюри) наблюдается магнитная упорядоченность, соответствующая параллельному расположению спинов в макроскопических областях (доменах) даже в отсутствие внешнего магнитного поля. k m ферромагнетиков (также как и ) достигает больших положительных значений, сильно зависит от напряженности магнитного поля и температуры.
Примеры ферромагнетиков : железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия и др. При низких температурах некоторые редкоземельные элементы — гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий. Сплавы RCo 5 , где R редкоземельный элемент (Sm, Ce или Pr).
Антиферромагнетики — характеризуются антиферромагнитным атомным порядком, возникающим из-за антипараллельной ориентации одинаковых атомов или ионов кристаллической решетки. Для антиферромагнетиков k m =10 — 3 -10 — 5 сильно зависит от температуры. При нагревании магнитная упорядоченность исчезает при температуре, называемой точкой Нееля (антиферромагнитная точка Кюри).
Примеры антиферромагнетиков: хром, марганец, цезий, неодим, самарий и другие. Химические соединения на основе металлов переходной группы типа окислов, галогенидов, сульфидов, карбонатов и др. MnSe, FeCl 2 , FeF 2 , CuCl 2 , MnO, FeO, NiO.
Ферримагнетики — вещества с нескомпенсированным антиферромагнетизмом. Как и антиферромагнетизм существует при температуре не выше точки Нееля. Выше этой температуры ферримагнетики переходят в парамагнитное состояние.
К ферримагнетикам относятся некоторые упорядоченные металлические и различные оксидные соединения, наибольший интерес среди которых представляют ферриты MnO*Fe 2 O 3 , BaO*6Fe 2 O 3 , (NiO*ZnO)Fe 2 O 3 , Li 2 O*Fe 2 O 3 и другие.
Диамагнетики и парамагнетики
Ферро- и ферримагнетики относятся к сильномагнитным материалам, остальные группы к слабомагнитным веществам.
Аморфные магнитные материалы. Магнитный порядок наблюдается и в некоторых химических соединениях в аморфном состоянии, в которых имеет место обменное взаимодействие (обмен энергией) между ближайшими соседними атомами. Металлические магнитомягкие аморфные сплавы состоят из одного или нескольких переходных металлов (Fe, Co, Ni), сплавленных со стеклообразователем — бором, углеродом, кремнием или фосфором.
Источник: electrofaq.com
Что такое магнетики, их виды и особенности
Вещества в магнитном поле могут вести себя различным образом — некоторые намагничиваются, а некоторые — нет. Особенности конкретного вещества в рассматриваемой ситуации выражаются при помощи коэффициента, характеризующего магнитную восприимчивость. Чтобы разобраться в особенностях влияния поля на различные вещества, нужно понимать особенности такого взаимодействия.
Магнитное поле
О его существовании человечество знает с древних времён. Однако это знание в течение сотен лет имело опытный характер. В 1831 году закон электромагнитной индукции был открыт Майклом Фарадеем. Это создало надёжную основу для дальнейшего изучения свойств магнитных и электрических полей.
Фарадей смог установить, что ток всегда создаёт магнитное поле. Неподвижные заряды создают электростатическое поле, но не могут образовывать магнитное, после нахождения в котором, вещества приобретают способность создавать свое магнитное поле. Эта способность проявляется по-разному в зависимости от используемого материала. Вещества, обладающие ею, называют магнетиками.
Различают постоянное и переменное магнитное поле. В первом случае оно не меняется с течением времени. Во втором поле имеет изменяющиеся характеристики. Примером последнего может быть такое, которое создаётся переменным током.
Принято описывать магнитное поле, используя силовые линии. В каждой точке вектор его напряжённости будет направлен по касательной к такой линии. Хотя на рисунке отображается только несколько из них, нужно понимать, что в каждой точке пространства будет проходить какая-нибудь из них.
Влияние магнитного поля на вещество
Любое вещество состоит из атомов. Каждый из них имеет ядро, вокруг которого вращаются электроны. Само ядро состоит из частиц с положительным и нейтральным зарядом. Первые называют протонами. Они имеют одинаковый по абсолютной величине заряд с электронами, но только положительный.
Движение электронов создаёт ток на микроскопическом уровне. Это приводит к образованию у каждого атома своего небольшого магнитного поля. Поскольку атомы расположены в значительной степени хаотически, то поля ориентированы в разных направлениях и их воздействие компенсируется.
Однако под воздействием электрического поля изменяется положение значительной части атомов, которые ориентируются одинаково. Их суммарное воздействие порождает своё собственное поле. По мере увеличения напряжённости внешнего поля доля тех атомов, которые ориентированы одинаково увеличивается, пока не достигнет максимального значения. При превышении этого уровня степень намагничивания материала остаётся прежней.
Одинаково ориентированные атомы образуют многочисленные домены. Под влиянием внешнего поля они способны смещаться. Одни вещества после прекращения воздействия поля переходят в свое прежнее состояние, но есть и такие у которых сохраняется остаточная намагниченность. При работе с ними можно получить поле, превышающее по своим характеристикам внешнее. Смещение может выражаться как в повороте, так и в сдвиге доменов.
Магнетиками принято считать такие материалы, которые изменяют свои свойства под воздействием внешнего магнитного поля. У различных материалов способность к намагничиванию отличается. Некоторые не получают магнитных свойств даже при воздействии сильного поля. Поэтому материалы классифицируются на слабомагнитные и сильномагнитные. К первым относят диамагнетики, парамагнетики, ко вторым —ферромагнетики.
Намагниченность
То как вещество меняет свои свойства под воздействием внешнего магнитного поля, характеризуется при помощи намагниченности, являющейся векторной величиной. Её направление может совпадать с напряжённостью магнитного поля или быть противоположной ему. Определить намагниченность можно с помощью следующей формулы:
Здесь используются следующие величины:
- Слева от знака равенства указан вектор намагниченности.
- Справа используется вектор напряжённости магнитного поля.
- Особенности воздействия магнитного поля на определённое вещество характеризуется при помощи безразмерного коэффициента.
Коэффициент kM, определяющий особенности вещества, называется магнитной восприимчивостью. Он может быть как положительным, так и отрицательным. В первом случае вектор намагниченности и вектор напряженности будут иметь одно направление, во втором — противоположное.
Разновидности магнетиков
При помещении в магнитное поле вещества могут реагировать различным образом. По своему поведению они делятся на несколько категорий. Классификация магнетиков выделяет три основных типа веществ — парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. Существуют еще ферримагнетики, антиферромагнетики, сверхдиамагнетики.
Диамагнетики
Если диамагнетики поместить в магнитное поле, то они начнут намагничиваться. Это будет происходить с разной интенсивностью в зависимости от вида материала. После прекращения воздействия внешнего поля прежнее состояние диамагнетика восстановится. В результате намагниченность пропадёт.
Механизм воздействия на диамагнитный тип веществ заключается в том, что при их помещении в магнитное поле возникает магнитный момент, вектор которого противоположно направлен вектору напряжённости магнитного поля.
Если убрать внешнее поле, то индукционный ток исчезнет, а вектор напряжённости образуемого им поля станет равным нулю. Природа диамагнетизма не связана с интенсивностью теплового движения, поэтому температура не влияет на поведение диамагнетиков в определенном магнитном поле.
Диамагнитные свойства присущи многим веществам. Они характеризуются слабым воздействием, которое часто очень сложно обнаружить. Обычно диамагнетиками считают те вещества, у которых намагничивание можно легко зафиксировать.
Парамагнетики
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентированы хаотически. Нагрев этих веществ приводит к разнонаправленности магнитных моментов, в результате намагниченности не происходит.
При наличии слабого внешнего магнитного поля у атомов парамагнетиков появляется вектор напряженности, параллельный тому, который имеется у внешнего магнитного поля. При этом тепловое движение будет снижать степень намагниченности.
Особенность парамагнетизма заключается в том, что вектор напряженности возникающего магнитного поля сонаправлен аналогичному вектору первоначального, а не направлен противоположно, как у диамагнетиков. Одним из материалов, имеющим парамагнитные свойства, является алюминий.
Ферромагнетики
К этой группе относят вещества, пребывающие в твёрдом состоянии. Отличие ферромагнетиков в том, что они характеризуются высокой степенью намагниченности и способностью сохранять её после удаления внешнего поля. Показатели созданного магнитного поля могут превышать показатели первоначального в сотни раз.
Ещё одной особенностью является нелинейная зависимость величины магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля. Существует точка Кюри, которая представляет собой температуру, при превышении которой эти вещества становятся парамагнетиками.
Ферримагнетики
В этих веществах атомы образуют подструктуры с противоположно направленными магнитными моментами. По сравнению с ферромагнетиками они обладают меньшей магнитной восприимчивостью. На нее существенное влияние оказывают напряженность магнитного поля и температура. Ферримагнетики не являются металлами, поэтому обладают меньшей индукцией насыщения и довольно высоким значением удельного электрического сопротивления.
Типичными ферримагнетиками являются оксидные соединения. Наибольшее применение получили ферриты — химические соединения различных металлов с оксидом железа.
Антиферромагнетики
Рассматриваемые вещества отличаются небольшой положительной магнитной восприимчивостью, сильно зависящей от температуры. Антиферромагнетик в процессе нагревания переходит в состояние парамагнетика. Значение температуры, при которой это происходит, называют антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля.
Существует около тысячи веществ, обладающих антиферромагнитными свойствами. Самые известные — хром и марганец. К этой группе относятся такие простейшие химические соединения, как окислы металлов, галогениды, сульфиды, карбонаты, ряд редкоземельных элементов.
Сверхдиамагнетики
Эти вещества характеризуются нулевой магнитной проницаемостью. Для них существует эффект Мейсснера-Оксенфельда, который заключается в том, что внутри сверхдиамагнетика напряжённость магнитного поля нулевая.
Примером таких материалов являются низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Кроме них существует только одно вещество сверхдиамагнетического типа, которое может существовать при обычных температурах — хлорид меди. Этот факт был открыт и исследован в 1986 году.
Таким образом, можно сделать вывод, что парамагнетики, ферромагнетики и диамагнетики намагничиваются по-разному. С диамагнетиками это происходит под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики отличаются ориентационным механизмом намагничивания. Ферромагнетикам присущ такой же механизм намагничивания, но у них намагниченность не исчезает после их удаления из внешнего поля, как это происходит с парамагнетиками.
Источник: profazu.ru
Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики
По свои магнитным свойствам все вещества делятся на слабомагнитные и сильномагнитные. Кром того магнетики классифицируют в зависимости от механизма намагничивания.
Диамагнетики
Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):
где $S$ — площадь витка с током.
Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как:
Диамагнетизмом обладает любое вещество.
Магнитная проницаемость диамагнетиков очень незначительно отличается от единицы. Для твердых тел и жидкостей диамагнитная восприимчивость имеет порядок приблизительно $^, $для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри.
Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $varkappa
В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($overrightarrow$):
где $varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях.
Парамагнетики
Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($overrightarrow$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:
Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $overrightarrow$ совпадает с $overrightarrow$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества.
Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $overrightarrow$ и $overrightarrow$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом. Парамагнитная восприимчивость ($varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:
«Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики»
Готовые курсовые работы и рефераты
Решение учебных вопросов в 2 клика
Помощь в написании учебной работы
или закону Кюри — Вейсса:
где C и C’ — постоянные Кюри, $triangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.
Магнитная восприимчивость ($varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.
Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.
У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны $varkappa approx ^.$
У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля. В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($overrightarrow$), который стремится изменить угол между $overrightarrow$ и $overrightarrow.$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $overrightarrow$ и $overrightarrow$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.
В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).
Ферромагнетики
Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность.
Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения ($J_$).
Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).
Ферромагнетики в свою очередь делят на:
- Мягкие в магнитном отношении. Вещества с большой магнитной проницаемостью, легко намагничивающиеся и размагничивающиеся. Их используют в электротехнике, там, где работают с переменными полями, например в трансформаторах.
- Жесткие в магнитном отношении. Вещества с относительно небольшой магнитной проницаемостью, трудно намагничивающиеся и размагничивающиеся. Эти вещества используют при создании постоянных магнитов.
Задание: Зависимость намагниченности для ферромагнетика показана на рис. 3. J(H). Изобразите кривую зависимости B(H). Существует ли насыщение для магнитной индукции, почему?
Так как вектор магнитной индукции связан с вектором намагниченности соотношением:
то кривая B(H) не достигает насыщения. График зависимости индукции магнитного поля от напряженности внешнего магнитного поля можно представить, как изображено на рис. 5. Такая кривая называется кривой намагничивания.
Ответ: Насыщения для кривой индукции нет.
Задание: Получите формулу парамагнитной восприимчивости $(varkappa)$, зная, что механизм намагничивания парамагнетика аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков. Для среднего значения магнитного момента молекулы в проекции на ось Z можно записать формулу:
[leftlangle p_rightrangle =p_mLleft(beta right)left(2.1right),]
где $Lleft(beta right)=cthleft(beta right)-frac$ — функция Ланжевена при $beta =frac.$
При высоких температурах и небольших полях, мы получим, что:
[p_mBll kT, to beta ll 1 left(2.2right).]
Следовательно, при $beta ll 1$ $cthleft(beta right)=frac+frac-frac<^3>+dots $ , ограничение функции линейным членом по $beta $ получим:
Подставим в (2.1) результат (2.3), получим:
Используя связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией ($overrightarrow=mu <mu >_0overrightarrow$), приняв во внимание, что магнитная проницаемость парамагнетиков мало отличается от единицы, можем записать:
[leftlangle p_rightrangle =frac^2<mu >_0H>left(2.5right).]
Тогда намагниченность будет иметь вид:
[J=nleftlangle p_rightrangle =frac^2<mu >_0H>n left(2.6right).]
Зная, что связь модуль намагниченности с модулем вектора напряженности имеет вид:
[J=varkappa H left(2.7right).]
Имеем для парамагнитной восприимчивости:
Источник: spravochnick.ru