Для школьников.
В предыдущей статье говорилось о слабо магнитных веществах, которые лишь незначительно усиливают (парамагнетики) или ослабляют (диамагнетики) внешнее магнитное поле, в котором они оказались.
Классическая физика объясняет это явление существованием молекулярных токов в веществе, когда каждую молекулу можно представить как круговой молекулярный ток, создающий магнитное поле.
Но почему ферромагнетики (железо, никель, кобальт и др.) оказавшись во внешнем магнитном поле Во создают своё магнитное поле В в тысячи раз превышающее внешнее поле, то есть имеют магнитную проницаемость в тысячи раз большую, чем парамагнетики?
(Магнитная проницаемость показывает во сколько раз индукция магнитного поля, созданного в ферромагнетике, больше индукции внешнего магнитного поля:
В этом заключается смысл понятия "магнитная проницаемость" вещества).
Кривая первоначального намагничивания ферромагнетика
Представим такой опыт. На размагниченный железный стержень намотана проволока, по которой пропускается ток, меняющийся от нуля до некоторой величины, то есть ферромагнетик оказался в магнитном поле, индукция которого Во растёт.
Этот опыт позволяет построить график зависимости индукции магнитного поля в ферромагнетике В от индукции внешнего магнитного поля Во:
Полученная экспериментальная кривая, называемая кривой первоначального намагничивания ферромагнетика, говорит о том, что с ростом внешнего поля Во поле В в ферромагнетике сначала растёт быстро, затем медленнее.
При некотором значении внешнего поля Во поле в ферромагнетике В достигает максимально возможного значения (точка a на графике), то есть при дальнейшем увеличении внешнего магнитного поля, поле в ферромагнетике остаётся неизменным (ферромагнетик намагнитился до насыщения).
Полученная кривая позволяет оценить магнитную проницаемость железа (масштаб по осям разный, так как В гораздо больше Во).
Из приведённого графика видно, что магнитная проницаемость железа (ферромагнетика) не является постоянной величиной, она растёт с ростом внешнего поля, достигая максимума при некотором значении Во.
Классическая физика (введение понятия молекулярных токов) не может объяснить сильную намагниченность ферромагнетика. Объяснение этому явлению даёт квантовая механика.
Прежде скажем, что собою представляет электрон в квантовой механике.
В классической физике электрон представляется в виде материальной точки, имеющей массу и заряд. Такое представление об электроне достаточно для классической физики, оно позволяет объяснять многие явления в электростатике и электродинамике, и эти объяснения нам понятны (они наглядны).
Так, мы говорим, что в атоме электрон вращается по круговой орбите вокруг ядра, и его можно представить как круговой ток.
Покажем это на рисунке:
Если посмотреть на орбиту снизу, то электрон вращается по часовой стрелке. Но так как за направление тока принимается направленное движение положительных зарядов, то движущийся по орбите электрон можно представить в виде кругового тока, текущего в сторону, обратную движению электрона.
Тогда электрон, заменённый круговым током, создаёт орбитальный магнитный момент,
который на рисунке, согласно правилу правого винта, направлен вниз.
Кроме магнитного момента движущийся по орбите электрон обладает орбитальным моментом импульса, равный произведению массы электрона на его скорость и на радиус орбиты:
Этот вектор по правилу правого винта направлен вверх.
Как уже сказано выше, такие представления об электроне не могут объяснить способность ферромагнетика сильно намагничиваться.
Квантовая механика даёт другое представление об электроне, как о сложном материальном образовании, обладающем массой, зарядом и спином.
Получается, что электрон обладает не только орбитальным магнитным моментом и орбитальным моментом импульса (см. последний рисунок), но и собственным моментом импульса, названный спином, и связанным с ним собственным магнитным моментом (спиновым магнитным моментом).
Последние понятия (спин и спиновой магнитный момент) представить невозможно - квантовая механика не наглядная теория, а мы привыкли к наглядности.
Про себя собственный момент импульса (спин) и собственный магнитный момент электрона можем связать с вращением электрона вокруг своей оси, подобно тому как Земля вращается вокруг Солнца и одновременно вокруг своей оси.
Но такое представление об электроне (его спине) не даёт верные результаты - окажется, что скорость электрона превысит скорость света, что невозможно.
Поэтому надо просто принять существование спина электрона (существование его собственного момента импульса) и спинового магнитного момента электрона, как его свойства, которые позволяют объяснить наблюдаемую в эксперименте доменную структуру ферромагнетика и показанную на первом рисунке кривую первоначального намагничивания ферромагнетика (магнитное насыщение ферромагнетика).
Спин электрона обусловлен волновой природой электрона.
В квантовой механике нет понятий траектории и скорости движения частицы.
Если в классической физике показывают электрон, движущийся по орбите в атоме, то в квантовой механике говорят о вероятности нахождения электрона на каком-то расстоянии от ядра атома, о волнах вероятности. Тогда электрон можно представить в виде электронного облака в области вблизи орбиты.
Наряду с волновыми свойствами, электрон обладает корпускулярными свойствами, то есть он ведёт себя как единое целое (его нельзя разделить на части).
К квантовой механике мы подойдём (не скоро), рассматривая появление новых физических теорий.
Как появляется новая теория?
Она появляется тогда, когда существующая теория не может объяснить какие-то явления, результаты экспериментов. Тогда появляется гипотеза. Если эта гипотеза подтверждается опытом, то она превращается в новую теорию.
Как правило, новая теория включает в себя старую, как часть. Так появилась и квантовая механика.
Доменная структура ферромагнетика
Способность ферромагнетика сильно намагничиваться связана с тем, что ферромагнетик и в отсутствии магнитного поля разбит на домены - области самопроизвольного намагничивания ( это не связанного с наличием магнитного поля).
Каждый домен намагничен до насыщения вдоль оси лёгкого намагничивания кристалла. Оси лёгкого намагничивания определяются структурой кристалла (расстоянием между атомами ферромагнетика).
Ответственными за намагниченность домена являются спиновые магнитные моменты электронов.
Между электронами возникает особое обменное взаимодействие, не имеющее аналога в классической физике.
Это особое взаимодействие проявляется в согласованном движении одинаковых частиц (в нашем случае электронов) даже в отсутствие силового взаимодействия между ними.
В ферромагнетике это особое взаимодействие приводит к тому, что магнитные моменты находящихся рядом атомов направлены параллельно друг другу. Сюда же направлен вектор суммарной намагниченности ферромагнетика, что поясняется следующим рисунком:
На рисунке изображена кристаллическая решётка железа. Стрелками обозначены направления магнитных моментов атомов железа, а справа показан вектор суммарного магнитного момента атомов - вектор спонтанной или самопроизвольной намагниченности железа.
(Под вектором намагниченности понимается суммарный магнитный момент атомов единицы объёма ферромагнетика).
Домен - это и есть часть объёма ферромагнетика, намагниченная до насыщения вдоль оси лёгкого намагничивания кристалла.
Разбиение ферромагнетика на домены соответствует минимуму его энергии (является энергетически выгодным).
На следующем рисунке изображены несколько доменов ферромагнетика.
Векторами показаны направления намагниченности доменов. Видим, что эти векторы замыкаются внутри ферромагнетика, что соответствует минимуму его энергии.
Тогда результирующая намагниченность ферромагнитного образца в целом в отсутствие внешнего магнитного поля равна нулю (на кривой первоначального намагничивания это соответствует точке 0).
Если ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле Во (его направление показано пунктирным вектором), то под микроскопом можно наблюдать смещение границ доменов (линейный размер домена порядка 0,01 мм).
Домены, вектора намагниченности которых направлены по полю или под острым углом к полю (например, домены 1 и 3 на рисунке) растут в объёме за счёт доменов, ориентированных невыгодно по отношению к направлению магнитного поля.
С дальнейшим увеличением внешнего поля Во, вектора намагниченности в доменах поворачиваются, стремясь совпасть с направлением внешнего поля. Когда это произойдёт, все домены сольются вместе, и ферромагнетик намагнитится до насыщения, то есть дальнейший рост поля Во не вызовет роста магнитного поля В ферромагнетика (это соответствует точке а на кривой первоначального намагничивания):
Рассмотренный выше процесс намагничивания ферромагнетика позволяет ответить на вопрос, почему при разбивании ферромагнетика на части даже малых размеров всё равно есть северный и южный магнитные полюсы. Объясняется это существованием доменной структуры (размеры доменов очень малы). Ферромагнетик любого размера ведёт себя одинаково.
Доменную структуру ферромагнетика можно наблюдать под микроскопом.
Покажу доменную структуру на своём образце кристалла пирротина (природного ферромагнитного минерала) из Норильского месторождения.
Кристалл пирротина имеет гексагональную структуру. Он хорошо скалывается по базисной плоскости.
В куске руды увидела базисную плоскость кристалла (шестиугольник) размером около 5 мм. Вырезала его, обработала и получила образец для исследования (монокристалл пирротина в виде диска).
На этом монокристалле проводила исследования его магнитных свойств (тема диссертации).
Отполировала базисную поверхность, нанесла на неё магнитную суспензию (мелкий ферромагнитный порошок в воде), накрыв её тонким стеклом, и под микроскопом наблюдала доменную структуру.
Частицы порошка больше оседают на границах доменов, где вектор намагниченности домена меняет своё направление на 180 градусов.
Из фото видно, что домены направлены вдоль осей лёгкого намагничивания (их в базисной плоскости пирротина три, и они расположены под углом 120 градусов друг к другу). Эти же углы мы видим на фото.
Кроме изучения доменной структуры пирротина (вне магнитного поля, в магнитном поле) изучала гистерезисные явления в слабых и сильных вращающихся магнитных полях при комнатной температуре, высоких и низких (жидкого азота) температурах. Для этого нам, аспирантам КИЦМ (Красноярского института цветных металлов), сделали большой самодельный электромагнит.
На фото показан этот электромагнит, дочь сидит на его ферромагнитном сердечнике, на который насажены две большие катушки.
Над магнитом расположен магнитный анизометр, схематически изображённый на рисунке ниже.
Здесь 1 - исследуемый образец; 2 - упругий элемент; 3 - зеркало; 4 - источник света; 5 - шкала.
Образец помещается в сильное однородное магнитное поле. Он намагничивается по полю лишь тогда, когда поле направлено вдоль оси лёгкого намагничивания кристалла.
Во всех остальных случаях перпендикулярная составляющая вектора намагниченности кристалла создаёт момент вращения, стремящийся повернуть образец.
Момент вращения, вызванный действием магнитного поля, компенсируется моментом, создаваемым упругим элементом 2 анизометра. Угол поворота образца отсчитывается по шкале 5.
Измерения производились при разных направлениях поля (угол плавно менялся поворотом магнита). Результаты измерений позволяли рассчитать константы анизотропии, то есть оценить анизотропные (разные в разных направлениях) свойства кристалла.
https://www.virtualacademy.ru/lesson/134/
Магнитный гистерезис
На рисунке показана кривая первоначального намагничивания 0а, о которой говорилось ранее. В точке 0 ферромагнетик не намагничен, а в точке а при некотором значении внешнего магнитного поля Во он намагничен до насыщения.
Дальше показано как меняется поле В в ферромагнетике при уменьшении внешнего поля Во (кривая ав).
Видим, что поле В в ферромагнетике уменьшается медленнее, чем внешнее поле (отстаёт от него). Это явление назвали гистерезисом.
При изменении величины и направления внешнего поля получается петля (петля гистерезиса). Площадь петли даёт потери энергии магнитного поля на перемагничивание ферромагнетика за один цикл.
О петле гистерезиса можно прочитать в статье Занятие 64
Описанные выше свойства ферромагнетиков справедливы для температур ниже точки Кюри (для железа она равна 770 градусов Цельсия).
С повышением температуры усиливается тепловое движение атомов, порядок нарушается и ферромагнетик теряет свои магнитные свойства, превращаясь в парамагнетик.
Итак, рассмотренный материал позволяет сделать следующий вывод: способность ферромагнетиков сильно намагничиваться в сравнительно слабых магнитных полях объясняется существованием в них доменной структуры. А именно, ферромагнетик состоит из доменов, каждый из которых в отсутствие внешнего электрического поля самопроизвольно намагничен до насыщения вдоль оси лёгкого намагничивания кристалла. При наложении внешнего магнитного поля вектора намагниченности доменов разворачиваются по полю, сливаясь в один домен - в этот момент ферромагнетик намагничен максимально.
К.В. Рулёва, к. ф. -м. н, доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Магнетизм вещества. Как наука объясняет это явление? Парамагнетики. Диамагнетики.
Следующая запись: Как развивалось учение об электричестве и какова сущность открытых учёными электрических явлений (кратко основное)
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
