Рефферат Магнетики в ферромагнитном поле. Реферат. Содержание Магнитные моменты электронов и атомов Атом в магнитном поле Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле10 Магнитное поле в магнетиках

• Название: Содержание Магнитные моменты электронов и атомов Атом в магнитном поле Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле10 Магнитное поле в магнетиках
• Анкор: Рефферат Магнетики в ферромагнитном поле
• Дата: 20.03.2022
• Размер: 183.25 Kb.
• Имя файла: Реферат.docx
• Тип: Документы; #406263

Содержание
1. Магнитные моменты электронов и атомов…………………………..3

2. Атом в магнитном поле………………………………………………..6

3. Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле…10

4. Магнитное поле в магнетиках………………………………………..13

5. Ферромагнетики……………………………………………………….15

Список использованных источников и литературы……………………16

1. Магнитные моменты электронов и атомов
Магнетиками называются вещества, способные приобретать во внешнем магнитном поле собственное магнитное поле, т.е., намагничиваться. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомами (молекулами) ве­щества. По магнитным свойствам магнетики подразделяются на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромаг­нетики.

Рассмотрим движение электрона по орбите в атоме. Его можно считать эквивалентным некоторому замкнутому контуру с током (орбитальный ток). Такой контур будет обладать магнитным моментом, значение которого будет определяться профилем кон­тура и величиной силы тока. Если поверхность контура площа­дью S плоская (орбита электрона), все нормали к поверхности имеют одинаковое направление. Магнитный момент такого “вит­ка” с током называется орбитальным магнитным моментомэлектрона. Он равен:



где I = en - сила тока, e – абсолютная величина заряда элек­трона, n - число оборотов электрона по орбите в единицу времени S - площадь орбиты электрона, n –единичный вектор нормали к площади S.



Электрон, движущийся по орбите, имеет орбитальный момент импульса L_e. Орбитальный магнитный момент пропорционален орбитальному момен­ту импульса:



Здесь m– масса электрона. Величина g называется гиромаг­нитным отношением орбитальных моментов.

Векторы p_mи L_eнаправлены в противоположные стороны и перпендикулярны к плоскости орбиты электрона (см. рис. 1).

Кроме названных выше величин электрон обладает собственным моментом импульса L_es, который называется спином элек­трона. Абсолютная величина спина электрона равна:



Важнейшей особенностью спина электрона является наличие только двух его проекций на направление вектора B индукции магнитного поля.



Спину электрона L_esсоответствует спиновой магнитный момент p_msпропорциональный спину и направленный в противо­положную сторону:



Величина g_sназывается гиромагнитным отношением спино­вых моментов:



Проекция спинового магнитного момента электрона p_msBна направление магнитного поля



Соотношения (1) – (8) справедливы для каждого из Zэлектро­нов в атоме. Число Zсовпадает с порядковым номером химиче­ского элемента в периодической системе Менделеева.

В атоме, содержащем Zэлектронов, их орбитальные магнитные моменты p_mи орбитальные моменты импульса L_esсклады­ваются векторно.

В результате каждый атом может быть охарактеризован орбитальным магнитным момен-том P_mи орбитальным моментом импульса L.

Орбитальным магнитным

моментом P_mатома называется векторная сумма орбитальных магнитных моментов p_mвсех его электронов:



Орбитальным моментом импульса L атома называется векторная сумма орбитальных моментов импульса L_eвсех Zэлектронов:



Атомные моменты P_mи L связаны соотношением:



где g – гиромагнитное отношение (3).

Все вещества, с которыми нам приходится иметь дело, состоят из атомов. Поведение вещества в целом под воздействием каких-либо физических факторов будет определяться взаимодействием составляющих его частиц, то есть, атомов с этим физическим фактором. Рассмотрим поведение атома, имеющего Zэлектро­нов, в магнитном поле.

2. Атом в магнитном поле
Если вещество находится во внешнем магнитном поле, то в пределах атома можно считать магнитное поле однородным. Это следует из малости линейных размеров атома. Предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите, плоскость которой перпендикулярна к вектору индукции B магнитного поля. Действие на электрон силы Лоренца F_Лприведет к уменьшению силы притяжения электрона к ядру. Центростремительная сила окажется равной разности F_e- F_Л, где F_e- кулоновская сила притяжения электрона к ядру (см. рис. 2). В результате изменится угловая скорость w движение электрона по круговой орбите. Она станет отличной от той, которую электрон имел в отсутствии внешнего магнитного поля.

Если внешнее магнитное поле переменное, то изменение угло­вой скорости движения электрона происходит в процессе нарас­тания магнитного поля, в которое вносится атом. Нарастание магнитного поля, действующего на атом, происходит за конечное время.

При этом возникает индукционное вихревое электрическое поле действующее на электрон в атоме. Напряженность E этого поля направлена по касательной к орбите электрона, а сила действующая на электрон, равна

F = eE.

При произвольном расположении орбиты электрона относительно вектора B, орбитальный магнитный момент p_mэлектро­на (1) составляет угол a с направлением магнитного поля (см. рис. 3). В этом случае орбита прецессирует вокруг направления вектора B.


Это означает, что вектор p_m, перпендикулярный к плоскости орбиты, сохраняя неизменный угол a наклона к полю, вращается вокруг направления B с угловой скоростью w_L:



Это вращение вектора p_mвокруг направления B при неизмен­ном угле a называется ларморовской прецессией. Величина w_Lназывается угловой скоростью ларморовской прецессии.

Влияние магнитного поля на орбиту электрона отражено в тео­реме Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на орбиту электрона в атоме является прецессия орбиты и r вектора p_mс угловой скоростью w_Lвокруг оси, проходящей через ядро атома и параллельной вектору B индукции магнитного поля.

Прецессионное движение орбиты приводит к появлению до­полнительного орбитального тока I_орб(см. рис.3) и соответст­вующего ему наведенного орбитального магнитного момента p_m, модуль которого равен:


где S_^ - площадь проекции орбиты электрона на плоскость, перпендикулярную к направлению B. Вектор p_mнаправлен противоположно вектору магнитной индукции B:



Общий, наведенный внешним магнитным полем, орбитальный магнитный момент P_mатома



где Z– число электронов в атоме, средняя площадь проекции орбит электронов в атоме на плоскость, перпендикулярную к направлению вектора B.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток ин­дуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, на­правленная противоположно внешнему полю, наведенные со­ставляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамаг­нитного эффекта. Вещества, у которых магнитные моменты ато­мов (или молекул) в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю и намагничивающиеся во внешнем магнитном поле про­тив направления поля называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик не­магнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты элек­тронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный мо­мент атома равен нулю. Диамагнетиками являются многие ме­таллы (Bi, Ag, Au, Cu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и такие вещества, у которых в отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (или молекулы) в отсутствии внешнего магнитного поля всегда обладают некоторым постоянным магнитным моментом P_m. Однако вследствие теплового движения молекул их магнит­ные моменты ориентированы беспорядочно. Поэтому такие ве­щества магнитными свойствами не обладают. Их называют па­рамагнетиками.

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг вектора B с ларморовской угловой скоростью w_L, устанавливается преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов P_miпо направлению внешнего поля (полной ориен­тации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усили­вающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаб­лении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамаг­нетик размагничивается. Парамагнетиками являются редкозе­мельные элементы, Pt, Al и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитно­го и поэтому остается незаметным.

3. Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле
Диамагнетиками называются такие вещества, у которых магнитные моменты атомов (или молекул) в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Это означает, что у диамагнетиков векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех элек­тронов атома равна нулю и только при включении магнитного поля возникают наведенные магнитные моменты. Диамагнетиками являются многие металлы (Bi, Ag, Au, Cu), большинство ор­ганических соединений, смолы, углерод и т.д.

Парамагнетиками называются вещества, у которых атомы (или молекулы) в отсутствии внешнего поля обладают некоторым постоянным магнитным моментом P_m. Это означает, что вектор­ная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (молекулы) отлична от нуля.

Итак, в результате воздействия внешнего магнитного поля у каждого атома возникает наведенный орбитальный магнитный момент (15). Выделим малый объем DV вещества. Магнитный момент выделенного объема будет

-магнитный момент i - го атома (молекулы), N – общее число атомов (моле­кул) в малом объеме V . В пределах выделенного объема V магнитное поле можно считать однородным. Одновременно в этом объеме должно содержатся достаточно большое число час­тиц N , (N >>1), чтобы имело смысл усреднение физических ве­личин, характеризующих систему частиц.

Отношение магнитного момента малого объема V вещества к величине этого объема является характеристикой намагничива­ния вещества. Эта величина называется вектором намагничености (интенсивность намагничивания) J:



Поместим изотропный диамагнетик в магнитное поле с индукцией B. В объеме V такого диамагнетика наведенные моменты P_mвсех атомов (молекул) одинаковы и будут направлены противоположно вектору B.



Вектор намагниченности J равен:

- безразмерная величина, характеризующая магнитные свойства магнетиков. Для всех диамагнетиков < 0.

Обычно для характеристики магнитных свойств веществ ис­пользуют величину, называемую относительной магнитной вос­приимчивостью χ_m, связанную с соотношением:



Практически для диамагнетиков , ибо абсолютная ве­личина очень мала: 10^-6.

При внесении парамагнитного вещества в однородное магнит­ное поле постоянные магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг направления вектора B индукции магнитного поля с ларморовской угловой скоростью w_L(12).

Тепловое движение и взаимные столкновения атомов (моле­кул) парамагнетика приведут к постоянному затуханию прецес­сии магнитных моментов и уменьшению углов между направлениями векторов магнитных моментов и вектора B. Совместное действие межатомных столкновений и магнитного поля приведут к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов по направлению внешнего поля. Хотя постоянный магнитный момент P_mатома (молекулы) имеет величину порядка 10^-23 Дж/Тл магнитные моменты всех частиц в единице объема создают на­магничение, значительно превосходящее диамагнитные явления. В парамагнитном веществе, находящемся во внешнем магнитном поле, существует собственное магнитное поле, направленное вдоль внешнего магнитного поля.

Модуль вектора намагниченности в классической теории парамагнетизма выражается формулой:



обусловленная наличием теплового движения в парамагнетике.

Его влияние определено значением параметра:

Здесь k– постоянная Больцмана, T– абсолютная температура. При ком­натных температурах и при не очень сильных внешних полях a<<1 и функ-

ция L_(a) после разложения в ряд упрощается:

При этом вектор намагниченности равен:



Величина связана с магнитной восприимчивостью χ_mпарамагнетика (22). Значения величин для парамагнетиков положительны и находятся в пределах от 10^-5 до 10^-3, поэтому с высокой точностью.

Выражение (26) называется законом Кюри: парамагнитная восприимчивость вещества обратно пропорциональна абсолют­ной температуре.

В очень сильных магнитных полях наступает насыщение на­магниченности: при a >>1 функция Ланжевена L_(a) - 1. Это оз­начает, что магнитные моменты всех атомов (молекул) ориенти­рованны вдоль внешнего магнитного поля и J = n₀P_m.

4. Магнитное поле в магнетиках
а) В веществе различают два типа токов, создающих магнитное поле, - макротоки или токи проводимости и микротоки - молеку­лярные токи Макротоки возникают, благодаря наличию в веще­стве свободных зарядов и определяются как направленное дви­жение этих зарядов. Микротоками называются токи, обуслов­ленные движением связанных зарядов, например электронов в атомах и молекулах.

Магнитное поле в веществе является векторной суммой двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемого макротоками и внутреннего или собственного магнитного поля, которое создается микротоками. Вектор магнитной индукции B магнитного поля в веществе характеризует результирующее магнитное поле и равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего B₀ и внутреннего B_внутр магнитных полей:



Первичным источником магнитного поля в магнетиках явля­ются макротоки. Их магнитные поля являются причиной намаг­ничивания вещества, помещенного во внешнее магнитное поле.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе является обобщением закона о циркуляции магнитного поля в вакууме:



где I_макрои I_микро- алгебраические суммы сил макро - и микрото­ков сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контур L.

Алгебраическая сумма сил микротоков связана с вектором на­магниченности:



где L Jdl - циркуляция вектора намагниченности J (16) вдоль замкнутого контура L, схватывающего микротоки.

Подставляя (28) в (27) получаем:

называется напряженностью магнитного поля, а из (29) следует, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура равна (или пропорциональна) алгебраической сумме макротоков сквозь поверхность, натяну­тую на этот контур.

Для изотропной среды связь между векторами магнитной индукции B и намагниченности J (25) приводит для вектора H к выражению:


которая называется относительной магнитной проницаемостью вещества, для H получим:



5. Ферромагнетики
Ферромагнетиками называются такие вещества, в которых внутреннее

магнитное поле в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных ме­таллов – железа, кобальта и никеля и у ряда сплавов, при условии

выполнения неравенства – диаметр атома, a - диаметр незаполненной электронной оболочки атома. Основные свойства ферромагнитных веществ, отличающие их от других типов магнетиков:

а) Зависимость намагниченности от напряженности H внешнего магнитного поля характеризуется наличием магнитного насыщения J_н, наступающего при H і H_н(см. рис.4).

б) Зависимость магнитной индукции B от H отличается возрастанием по линейному закону при H і H_н(см. рис.5).


в) Зависимость относительной магнитной проницаемости m от напряженности H имеет сложный характер (см. рис.6).



Рис.6

г) Существование магнитного гистере­зиса ферромагнетиков – отставания из­менения намагниченности от изменения напряженности переменного по величине и направлению внешнего намагничиваю­щего поля. Это отставание объясняется зависимостью J от предыстории намагничивания вещества.

д) перечисленные выше свойства ферромагнитных веществ обнаруживаются при температурах, меньших точки Кюри$_к.

При температурах Т ³ *_к тепловое движение разрушает области спонтанной намагниченности и ферромагнетик, теряя свои свой­ства, превращается в парамагнитное вещество. Точка Кюри для железа 1063 К, для никеля 623 К, для кобальта 1423 К, для пермаллоя 823 К.

Петлей гистерезиса - называется кривая изменения намагни­ченности ферромагнетика, находящегося во внешнем магнитном поле, при изменении напряженности этого поля от + Н_н до - Н_н и обратно, где Н_н - напряженность поля, соответствующая маг­нитному насыщению (см. рис.7). Величина ± JП намагниченности при Н = ±Н_Н называется намагниченностью насыщения.Величина намагниченности ±J_R, сохраняющейся у ферромагнетика в отсутствии внешнего поля (при H = 0) называется остаточной намагниченностью.



Рис. 7

Наличие J_R является основной для создания постоянных магни­тов. Напряженность ±H_K внешнего поля, которое пол­ностью размагничивает веще­ство, называется коэрцитив­ной силой (задерживающей напряженностью).Коэрци­тивная сила определяет свой­ство ферромагнетика сохра­нять остаточную намагни­ченность. Большой коэрцитивной силой обладают «твердые» магнитные материалы, даю­щие широкую петлю гистерезиса и используемые для создания постоянных магнитов. Малую коэрцитивную силу имеют «мяг­кие» магнитные материалы, дающие мягкую петлю гистерезиса и используемые для изготовления сердечников трансформаторов.

Перемагничивание ферромагнетика связано с изменением ори­ентации областей спонтанной намагниченности и требует совер­шения работы за счет внешнего магнитного поля. Количество те­плоты, выделяющейся при перемагничивании, пропорционально площади петли гистерезиса.

При температурах ниже точки Кюри ферромагнетик разбива­ется на малые области однородной самопроизвольной (спонтан­ной)намагниченности - домены. Линейные размеры доменов -(10- ¸10^-4) м. Внутри каждого домена вещество намагничено до на­сыщения. В отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы в пространстве так, что и результирующий магнитный момент всего ферромаг­нитного тела равен нулю.

Под влиянием внешнего поля в ферромагнетике происходит ориентация магнитных моментов не отдельных частиц, как в слу­чае парамагнетиков, а целых доменов. В результате вещество ока­зывается намагниченным.


Список использованных источников и литературы
1. Данилов И.А. П.М. Иванов «Общая электротехника с основами электроники», 2005 г.

2. Калашников С. Г. Электричество. – М.: Наука, 1984.

3. Матвеев А. Н. Электричество и магнетизм. – М.: Высш. школа, 1983.

4. Савельев И. В. Курс общей физики. Кн. 2 – М.: Наука, 2003.

5. Сивухин Д. В. Общий курс физики. – М.: Наука, 1990 Т.3

6. Тамм Е. И. Основы теории электричества. – М.: Наука, 1976.

7. Фейнман Р. и др. Фейнмановские лекции по физике. – М. – Т. 7.