§ 6.2. Три класса магнитных веществ

Определения и обозначения

Диамагнетик — вещество, в котором внешнее магнитное поле вызывает магнитный момент, направленный против поля. Его магнитная восприимчивость χ отрицательна. Это объясняет слабое выталкивание диамагнетика из области сильного поля.

Парамагнетик — вещество с постоянными магнитными моментами атомов или ионов, которые частично ориентируются по внешнему полю. Для него χ положительна и мала. Поэтому парамагнетик притягивается к магниту, но значительно слабее ферромагнетика.

Ферромагнетик — вещество, в котором магнитные моменты соседних атомов могут самопроизвольно ориентироваться одинаково. Упорядоченные участки называют доменами. Именно доменная структура позволяет ферромагнетикам сильно намагничиваться и иногда сохранять магнитные свойства.

Магнитная восприимчивость — величина, характеризующая способность вещества намагничиваться во внешнем поле: M = χH. По знаку χ определяют направление индуцированного момента, а по её величине судят о силе реакции вещества. В линейном приближении μ_r = 1 + χ.

Как это устроено

Все вещества реагируют на магнитное поле, потому что внутри атомов движутся заряженные частицы. Такое движение создаёт магнитные моменты, а внешнее поле изменяет их состояние и ориентацию. Поэтому деление на магнитные и немагнитные условно: различается главным образом сила и направление реакции.

В диамагнетике внешнее поле изменяет движение электронов так, что возникает наведённый магнитный момент, противоположный полю. Это проявление правила, согласно которому вызванное изменение противодействует причине, его породившей. Поэтому диамагнетик испытывает силу в сторону меньшей напряжённости и выталкивается из области сильного поля.

В парамагнетике собственные магнитные моменты атомов уже существуют, но без поля направлены беспорядочно. Внешнее поле немного поворачивает их вдоль себя, однако тепловое движение постоянно нарушает это выстраивание. В результате появляется небольшая положительная намагниченность и слабое притяжение.

Ферромагнетики намагничиваются особенно сильно благодаря обменному взаимодействию — квантовому взаимодействию электронов, которое заставляет соседние магнитные моменты ориентироваться одинаково. Так возникают домены, внутри которых моменты согласованы даже без внешнего поля. Поле поворачивает домены и увеличивает области, направленные в его сторону, поэтому суммарная намагниченность быстро возрастает.

Свойства ферромагнетика зависят от температуры и предыстории намагничивания. При нагревании тепловое движение мешает упорядоченности доменов, а выше температуры Кюри она разрушается. После снятия поля часть доменов может остаться ориентированной, поэтому материал сохраняет остаточную намагниченность, но это зависит от его структуры и предыдущего воздействия.

Сравнение трёх классов магнитных веществ

Сначала по знаку χ или по сравнению μ_r с единицей определяют направление реакции вещества. Затем оценивают силу взаимодействия и способность сохранять намагниченность. Особенно внимательно нужно учитывать температуру: при переходе выше температуры Кюри ферромагнетик уже нельзя считать ферромагнитным.

Разбор задач

Задача 1. Для вещества измерили относительную магнитную проницаемость: μ_r = 0,9998. Определите класс вещества и направление его намагничивания. Здесь нужно сравнить значение с единицей, поскольку μ_r = 1 + χ.

1. Находим восприимчивость: χ = μ_r − 1 = 0,9998 − 1 = −0,0002.
2. Полученное значение отрицательно, значит, вещество относится к диамагнетикам.
3. При диамагнетизме наведённый магнитный момент направлен против внешнего поля.

Ответ: вещество — диамагнетик; его намагничивание направлено против внешнего магнитного поля.

Задача 2. В парамагнитном веществе H = 2,0·10⁴ А/м, χ = 3,0·10⁻⁴. Найдите намагниченность M, используя связь M = χH. Положительная восприимчивость показывает, что результат будет направлен по внешнему полю.

1. Записываем формулу: M = χH.
2. Подставляем данные: M = 3,0·10⁻⁴ · 2,0·10⁴ А/м.
3. Степени десяти сокращаются, поэтому M = 6,0 А/м.

Ответ: M = 6,0 А/м, направление намагниченности совпадает с направлением поля.

Задача 3. Ферромагнетик нагревают выше температуры Кюри. Нужно объяснить изменение свойств и возможность обратного перехода после охлаждения. Причину следует связывать не с исчезновением атомов, а с нарушением их магнитной упорядоченности.

1. При нагревании усиливается тепловое движение, и домены теряют согласованную ориентацию.
2. Выше температуры Кюри ферромагнитное состояние сменяется парамагнитным, поэтому сильное намагничивание и остаточный магнитный эффект исчезают.
3. При охлаждении тепловое движение ослабевает, обменное взаимодействие снова может упорядочить соседние моменты и восстановить домены.

Ответ: выше температуры Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком, а после охлаждения ниже этой температуры может снова приобрести ферромагнитные свойства.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что магнитами притягиваются только ферромагнетики. Так думают из-за большой силы их действия, но диамагнетики и парамагнетики тоже реагируют на поле. Проверка: вспомнить знак χ и направление силы для каждого класса.

Ошибка 2. Путать диамагнетик с веществом, совсем не имеющим магнитных свойств. У диамагнетика момент возникает под действием поля и направлен противоположно ему. Проверка: если χ отрицательна, реакция есть, даже когда она очень мала.

Ошибка 3. Утверждать, что любой ферромагнетик обязательно сохраняет намагниченность. Остаточный эффект зависит от материала, доменной структуры и предыстории. Проверка: различать сильное намагничивание в поле и сохранение момента после его снятия.

Ошибка 4. Считать ферромагнетик ферромагнетиком при любой температуре. Выше температуры Кюри доменная упорядоченность разрушается. Проверка: всегда учитывать температурный режим вещества.

Связь с другими темами

Для изучения темы нужны понятия магнитного поля, магнитной индукции B, напряжённости H и намагниченности M. Связь B = μ₀μ_rH позволяет рассчитывать поле внутри вещества и учитывать его магнитные свойства. Классификация важна при выборе материалов для электромагнитов, сердечников катушек, постоянных магнитов, магнитной записи и измерительных приборов.

Что запомнить

• Диамагнетики слабо выталкиваются из области сильного магнитного поля.
• Парамагнетики слабо притягиваются магнитным полем.
• Ферромагнетики притягиваются особенно сильно и могут сохранять намагниченность.
• Для диамагнетиков χ < 0, для парамагнетиков и ферромагнетиков χ > 0.
• У диамагнетиков μ_r немного меньше единицы, у парамагнетиков немного больше единицы.
• Ферромагнитные свойства исчезают выше температуры Кюри.
• Магнитные свойства ферромагнетика связаны с доменной структурой.