Какие вещества обладают магнитными свойствами

10.3. Магнитные свойства материалов

Все вещества в разной степени обладают магнитными свойствами, так как электроны, протоны и нейтроны, из которых построены атомы, имеют магнитное взаимодействие (магнитный момент). По значению и знаку магнитной восприимчивости все вещества можно разделить на три основных группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики – вещества, у которых при внесении их в магнитное поле во всем объеме индуктируются незатухающие вихревые микротоки, создающие собственное магнитное поле, направленное навстречу внешнему. Диамагнетизм присущ всем веществам, но у некоторых он перекрывается более сильными эффектами.

К диамагнитным металлам относятся медь, серебро, золото, ртуть, цинк, кадмий, сурьма, бериллий, висмут и др.

Парамагнетики – вещества, которые, находясь во внешнем магнитном поле, приобретают намагниченность, совпадающую по направлению с напряженностью этого поля. Парамагнетизм обусловлен ориентацией во внешнем магнитном поле постоянных магнитных моментов атомов парамагнитного вещества, которыми они обладают независимо от напряженности намагничивающего поля.

К парамагнитным металлам относятся молибден, вольфрам, алюминий, кальций, барий и др.

Ферромагнетики – вещества, которые самопроизвольно намагничиваются, обладают высокими значениями магнитной проницаемости (до 10 5 …10 6 ), изменяют форму и размеры под действием магнитного поля (магнитострикция). Характерными представителями ферромагнетиков являются железо, никель, кобальт и их славы, а также ряд редкоземельных металлов – гадолиний, тербий и их сплавы.

Магнитотвердые (магнитожесткие) материалы – ферромагнитные материалы, которые намагничиваются и перемагничиваются в сильных магнитных полях, характеризующиеся высокой коэрцитивной силой и остаточной магнитной индукцией. В технике используют литые и порошковые магнитные материалы на основе железа и кобальта с добавлением других веществ (в т. ч. и редкоземельных). Из магнитотвердых материалов делают постоянные магниты, используемые в измерительных приборах, электродвигателях и других устройствах.

Ални – общее название группы магнитотвердых сплавов на основе железа, образованное от первых букв главных компонентов: алюминия (11…18%) и никеля (20…34%). Легирующими элементами могут быть кобальт, медь, кремний, титан.

Кроме того, известен магнитотвердый материал магнико на основе железа, содержащий кобальт (24%), никель (14%), алюминий (8%) и медь(3%). Этот сплав имеет высокое значение остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силы. Анизотропию магнитных свойств магнико получают термической обработкой в магнитном поле.

Постоянные магниты изготовляют из материалов, которые способны намагничиваться и сохранять намагниченность. Для сердечников электромагнитов применяют металл, который намагничивается во включенном состоянии и размагничивается в выключенном. Мощные магниты отливают из сплавов железо – никель – кобальт и алюминий – никель – кобальт (альнико), содержащий 10…12% алюминия, 20…21% никеля и 5…10% кобальта. Поскольку этот материал хрупок, обработку отливки выполняют шлифованием.

Магнитомягкие материалы – это ферромагнитные материалы, которые намагничиваются до насыщения и перемагничиваются в слабых магнитных полях. Эти материалы характеризуются высокими значениями магнитной проницаемости (10 2 …10 5 ) и небольшой коэрцитивной силой (напряженность магнитного поля для полного размагничивания). К ним относятся широко известные сплавы – железоникелевые (пермаллой), железокобальтовые (пермендюр), смешанные ферриты, а также электротехнические стали для электрических машин и специального назначения термомагнитные сплавы и магнитострикционные материалы.

Магнитострикция – это явление, связанное с изменением размеров и формы тела при его намагничивании. По своему значению магнитострикция значительна у ферромагнитных материалов и может быть продольной, когда удлинение образца происходит в направлении магнитного поля, и поперечной, когда это явление происходит перпендикулярно направлению магнитного поля. Кроме того, этот эффект может быть обратимым, т. е. магнитоупругим (эффект Вилари), когда происходит изменение намагниченности образца при его деформации.

К магнитомягким материалам, кроме названных, относятся также никель, алфер, ряд ферритов и некоторые редкоземельные металлы, их сплавы и соединения. Из указанных материалов изготовляют магнитострикционные преобразователи, в которых энергия переменного электрического и магнитного полей преобразуется в энергию механических УЗ-колебаний или, наоборот, благодаря обратимому эффекту магнитострикции – в магнитное поле при механическом воздействии на преобразователь. Устройства с магнитострикционными преобразователями используются в УЗ-установках для очистки электронных блоков, разделения твердых и хрупких материалов, для измерения вибрации разных сооружений, в фильтрах и стабилизаторах электрических и радиотехнических устройств.

Электротехническая сталь относится к магнитомягким материалам. Ее разделяют на два вида: динамную (изотропную) и трансформаторную (анизотропную). Эта сталь кроме железа и 0,1% углерода содержит 0,3…6,0% кремния и 0,1…0,3% марганца.

3.4. Магнитные свойства материалов.

Все вещества и материалы взаимодействуют с внешним магнитным полем, то есть обладают определёнными магнитными свойствами. Это связано с тем, что любое вещество и материал содержат множество различных электрически заряженных частиц, находящихся в беспрерывном движении: электронов, протонов, ионов и т.д. Магнетизм веществ обусловлен наличием внутренних электрических токов, связанных преимущественно с движением (вращающимся по орбитам) электронов в атомах и ионах. Магнетизм, вызванный движением других заряженных частиц, ничтожно мал по сравнению с магнетизмом, вызванным движением электронов. Таким образом, магнитные свойства вещества определяются двумя факторами: а) магнитным состоянием электронов и б) взаимодействием магнитных моментов электронов соседних атомов. Для того чтобы судить о магнитных свойствах материала, необходимо знать его атомарный состав, необходимо рассмотреть электронное строение атомов, составляющих данный материал.

Любое вещество, помещённое в магнитное поле, приобретает магнитный момент М.(Уточнить, р_М А* м 2 ) Магнитный момент единицы объёма V называется намагниченностью J_m = M /V [A*м 2 /м 3 = А/м].

В каждой точке J_m может быть разной и направленной по-разному, то есть J_m является векторной величиной: J_m = dM /dV.

Намагниченность прямо пропорциональна напряжённости магнитного поля H:

J_m = k_mH, (3.19)

где k_m – безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью, Н – размерность А/м.

Электромагнитная теория Максвелла, кроме напряжённости магнитного поля H, содержит параметр B – магнитную индукцию, являющуюся суммой внешнего и собственного магнитного поля. Эти магнитные величины связаны друг с другом соотношением: (размерности, сравни 3.20 и В с/м 2 )

B = _абсH, (3.20)

где В — имеет размерность В * с/м 2 = Тесла (Т), Н – размерность А/м; _абс — абсолютная магнитная проницаемость, равная _абс = _о; _о = 410 -7 Гн/м — магнитная постоянная (или магнитная проницаемость вакуума). Чаще всего используют относительную магнитную проницаемость , которая является характеристикой материала, в котором возникает магнитное поле, эта величина безразмерная. В зависимости от магнитных свойств вещества и материалы делятся на пять типов: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики.

Диамагнетики имеют низкие отрицательные значения k_m ~ -10 -5 – они очень слабо намагничиваются, при этом их магнитный момент направлен против направления намагничивающего поля, они выталкиваются из неоднородного магнитного поля.  меньше 1 и в большинстве случаев не зависит от напряжённости магнитного поля и температуры. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, азот, вода, нефть и другие органические вещества, алмаз, NaCl, SiO₂, стекло, а также некоторые металлы – Be, Cu, Zn, Ga, Ge, Sr, Ag, Au, Bi, Si, Pb, и др.

Наиболее сильные диамагнетики – сверхпроводники. Выталкивающая сила в них настолько велика, что практически используется для создания так называемых магнитных подушек, удерживающих массивные детали, для создания «подшипников» без трения. А ротор со сверхпроводящей обмоткой диаметром 3 метра, вращающийся с большой скоростью, является хорошим накопителем электроэнергии атомных электростанций для покрытия пиковых нагрузок и заменяет гидроэлектростанцию средней мощности.

Парамагнетики – вещества с положительной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряжённости магнитного поля. Величина k_m для парамагнетиков равна 10 -3 – 10 -5 . Парамагнетики втягиваются в неоднородное магнитное поле. В парамагнетиках магнитные моменты есть всегда, но в разупорядоченном состоянии, как диполи в полярных диэлектриках. В магнитном поле электронные орбитали ориентируются в направлении поля и результирующий магнитный момент атомов ориентирован в направлении поля. Фиксации ориентированного состояния материалов мешает тепловое движение. Чем ниже температура, тем чётче фиксируется намагниченность парамагнетика. Зависимость k_m от температуры выражается законом Кюри: k_m = С/Т, где С – постоянная Кюри, зависящая от природы материала, а Т – абсолютная температура.

К парамагнитным материалам относятся все переходные металлы с нескомпенсированными моментами свободных электронов (Ti, Cr, Mn, Pd, Pt и др.), щелочные металлы, Аl, W, Sn, соли Fe, Co, Ni и редкоземельных металлов, О₂, N₂, эбонит др.

Ферромагнетики – вещества с большой положительной магнитной восприимчивостью k_m – до 10 6 . В ферромагнетиках k_m сильно зависит от температуры, напряжённости магнитного поля, им присуща внутренняя магнитная упорядоченность в пределах так называемых «доменов» – макроскопических областей с одинаково направленными (ориентированными) магнитными моментами. Границы доменов фиксированы и, по существу, являются границами фаз. Главная особенность ферромагнетиков заключается в способности намагничиваться до насыщения в относительно слабых магнитных полях. Намагничивание ферромагнетиков происходит неравномерно в зависимости от напряжённости магнитного поля и состоит в смещении доменных границ (перестройке размеров доменов) и в самой ориентации магнитных моментов внутри доменов, причём первый процесс идёт более легко, а второй – более трудно.

В слабых полях имеет место обратимое намагничивание, состоящее в упругом смещении доменных границ (увеличение объёма доменов). На второй стадии смещение доменных границ (стенок) носит необратимый, скачкообразный характер. Если в этом диапазоне напряжённостей подсоединить наушники к ферромагнетику, то будут слышны характерные щелчки (так называемый эффект Барнгаузена). На этой стадии кривая намагничивания имеет наибольшую крутизну.

На третье стадии происходит вращение магнитных диполей – ориентация магнитных моментов доменов. Этот процесс протекает более трудно, рост магнитной проницаемости  = В/Н начинает замедляться – проходит через максимум.

На четвёртой стадии все магнитные моменты доменов ориентируются вдоль поля, наступает техническое насыщение магнитной индукции В_s.

С уменьшением напряжённости магнитного поля Н вплоть до нуля кривая намагниченности снижается, но не до нуля, а до величины В_r. При дальнейшем увеличении поля Н обратной полярности только при напряжённости Н_с происходит изменение знака намагниченности. Это напряжённость поля, при которой В = 0, называется коэрцитивной силой. Фигура, получающаяся в координатах В – Н при циклических изменениях Н называется петлёй гистерезиса. На рис. 3.15 представлена кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

Рис.3.10. Кривая намагничивания и петля гистерезиса ферромагнетика.

По величине Н_с материалы подразделяются на магнитно-мягкие (с Н_с  800 А/м) и магнитно-твёрдые. Магнитно-мягкие материалы имеют узкую петлю гистерезиса и малые потери на перемагничивание. Магнитно-твёрдые материалы, с большой Н_с, обычно больше 4000 А/м, имеют широкую петлю гистерезиса и большие потери на перемагничивание. Некоторые материалы имеют прямоугольную петлю гистерезиса (ППГ) – их выделяют в отдельную группу.

На рис. 3.16 приведены зависимости В(Н) и μ(Н) для разных типов магнитных материалов, а на рис. 3.17 – зависимость μ от температуры.

Магнетики

Магне́тики, природные или искусственно созданные материалы или среды, в которых обнаруживаются какие-либо магнитные свойства. Этот термин применяют ко всем природным или искусственно созданным материалам и средам при рассмотрении их магнитных свойств. В широком понимании все вещества являются магнетиками, так как они обладают магнитными свойствами и определённым образом взаимодействуют с внешним магнитным полем . Разнообразие магнитных свойств магнетиков обусловлено различием магнитных свойств микрочастиц , образующих вещество или среду, особенностями их взаимодействий, фазовым (в том числе агрегатным ) состоянием вещества и другими факторами.

Магнетики классифицируются в зависимости от характера магнитного взаимодействия микрочастиц в материале: выделяются некооперативный (отдельные магнитные моменты ведут себя независимо) и кооперативный (взаимодействие между магнитными моментами играет определяющую роль) типы. В некооперативном магнитном состоянии приложенное внешнее магнитное поле оказывает упорядочивающее действие на магнитные моменты или индуцирует их появление, тогда как в кооперативном упорядочение происходит в результате взаимодействия между моментами. В этом случае внешнее поле часто является лишь средством, позволяющим сделать очевидным микроскопическое упорядочение в макроскопическом масштабе.

К магнетикам с некооперативным магнетизмом относятся диамагнетики , характеризующиеся отрицательной магнитной восприимчивостью . Механизмы, приводящие к такому отклику, сводятся либо к ланжевеновскому диамагнетизму электронов заполненных оболочек атомов (ионов), либо к диамагнетизму Ландау – свободных электронов в металлах , полуметаллах и полупроводниках . Идеальными диамагнетиками являются сверхпроводники .

Другой класс материалов с некооперативным магнетизмом составляют парамагнетики , обладающие малой по величине положительной магнитной восприимчивостью. В диэлектриках парамагнитная восприимчивость связана с локализованными магнитными моментами (восприимчивости Ланжевена и Ван Флека ); в металлах существует дополнительный парамагнитный вклад, обусловленный электронами проводимости ( парамагнетизм Паули ). Вклад в магнитную восприимчивость от обладающих магнитным моментом ядер атомов крайне мал.

К магнетикам с кооперативным магнетизмом традиционно относят ферромагнетики , антиферромагнетики и ферримагнетики , в которых ниже критической температуры ( точки Кюри или точки Нееля ) имеет место упорядоченное расположение магнитных моментов. Существуют магнетики с более сложным расположением магнитных моментов, например геликомагнетики , асперомагнетики , сперомагнетики , кластерные и спиновые стёкла и др.

При нагревании выше критической температуры магнитного упорядочения кооперативный магнетизм разрушается тепловыми колебаниями и магнетик переходит в парамагнитное состояние. Во всех магнетиках с кооперативным магнетизмом микроскопические магнитные моменты взаимодействуют через квантово-механические силы обменной природы . К ним относятся прямой обмен Гейзенберга , косвенные обменные взаимодействия ( сверхобмен Крамерса – Андерсона и взаимодействие Рудермана – Киттеля – Касуи – Иосиды ), антисимметричный обмен Дзялошинского – Мория и двойной обмен Зенера .

Опубликовано 8 сентября 2022 г. в 13:35 (GMT+3). Последнее обновление 8 сентября 2022 г. в 13:35 (GMT+3). Связаться с редакцией

МАГНЕТИ́ЗМ

МАГНЕТИ́ЗМ (от греч. μαγνῆτις , от Μαγ νῆτις λίϑος , букв. – ка­мень из Маг­не­сии-на-Ме­ан­д­ре), 1) со­во­куп­ность яв­ле­ний, свя­зан­ных с осо­бой фор­мой ма­те­ри­аль­ных взаи­мо­дей­ст­вий, воз­ни­каю­щих ме­ж­ду час­ти­ца­ми, об­ла­даю­щи­ми маг­нит­ным мо­мен­том . 2) Раз­дел фи­зи­ки, изу­чаю­щий эти взаи­мо­дей­ст­вия и свой­ст­ва тел (маг­не­ти­ков), в ко­то­рых они про­яв­ля­ют­ся. В мак­ро­ско­пич. мас­шта­бах М. про­яв­ля­ет­ся как взаи­мо­дей­ст­вие ме­ж­ду элек­трич. то­ка­ми, ме­ж­ду то­ка­ми и маг­ни­та­ми, меж­ду маг­ни­та­ми.