Файл: 753.pdf

Вопросы

1.Какова основная причина, по которой магнитная индукция в веществе отличается от индукции внешнего поля? Обоснуйте ответ с молекулярной точки зрения.

2.Назовите два типа молекул слабомагнитных веществ. В чем различие их магнитных свойств?

3.Существует ли диамагнитный эффект в веществах, являющихся парамагнетиками?

4.Как зависят магнитные свойства парамагнетиков от температуры?

5.Какая величина характеризует намагниченность вещества?

Вкаких единицах она измеряется?

6.Что показывает магнитная восприимчивость? Как она связана с относительной магнитной проницаемостью?

5.3. Ферромагнетики

Вещества, способные намагничиваться весьма сильно, получили название ферромагнетиков. К ферромагнетикам относятся железо, кобальт, никель, гадолиний и их сплавы. Магнитная проницаемость большинства ферромагнетиков при обычных температурах измеряется многими сотнями и тысячами единиц, а у некоторых специально приготовленных и обработанных ферромагнетиков она достигает миллиона.

Ферромагнетики, помимо способности сильно намагничиваться, обладают рядом свойств, существенно отличающих их от диа- и парамагнетиков.

Намагниченность сначала быстро возрастает, но затем наступает магнитное насыщение, при котором намагниченность достигает

85

некоторого максимального значения Is и практически перестает зависеть от индукции внешнего поля. В соответствии с (5.10) магнитная индукция в ферромагнетике В сначала растет быстро, а затем, в состоянии насыщения, растет только за счет роста индукции внешнего поля (рис. 5.6б).

Вследствие нелинейной зависимости В от В0 магнитная проницаемость зависит от индукции внешнего магнитного поля (рис. 5.6в): вначале она возрастает с увеличением поля от начального значения до некоторой максимальной величины, но затем, после прохождения через максимум, уменьшается и асимптотически стремитсякзначению, близкомукединицевоченьсильныхполях.

Гистерезис. Если первоначально не намагниченный ферро-

изображаться уже другой кривой − аб.

Когда внешнее поле уменьшится до нуля, ферромагнетик останется намагниченным. Индукция поля в этом состоянии называется остаточной индукцией1. Для того чтобы поле внутри ферромагнетика стало равным нулю, к нему необходимо приложить внешнее поле противоположного направления (точка в на рис. 5.7). Дальнейшее увеличение поля приводит кривую в точку г, затем при уменьшении до нуля − в точку д; при еще одной смене направления внешнего поля − в точки д, е и а. При циклическом перемагничивании ферромагнетика изменение индукции в нем будет изображаться петлеобразной замкнутой кривой. Такое яв-

ление называется гистерезисом, а кривая – петлей гистерезиса.

Температура Кюри. Для всякого ферромагнетика существует определенная температура T=ТК, называемая температурой или точкой Кюри, при превышении которой ферромагнетик становится парамагнетиком. Зависимость магнитной восприимчивости

1 Ферромагнетики с большой остаточной индукцией применяются как постоянные магниты.

86

от температуры T таких парамагнетиков подчиняется закону Кюри – Вейсса:

χм =С(Т −ТК ),

где С – константа, зависящая от рода вещества.

Для никеля температура Кюри равна 633 К (360°С), для железа − 770°С, для гадолиния − 17°С.

Согласно современным представлениям, сущность ферромагнетизма заключается в том, что сильная ориентировка элементарных магнитных моментов возникает в ферромагнетиках независимо от внешнего магнитного поля, так что ферромагнетик намагничен до насыщения, отвечающего данной температуре, уже без всякого поля. Наличие областей такого самопроизвольного намагничивания (доменов) является наиболее характерным свойством ферромагнетиков. Существование доменов в ферромагнетиках доказано различными опытами, в том числе и прямыми наблюдениями. Типичная форма доменов при отсутствии внешнего

поля показана на рис. 5.8. Стрелками указаны направления намагниченности насыщения в доменах. Размеры доменов обычно невелики

– 0,1- 0,01 мм, поэтому усредненное даже по сравнительно небольшой области внутреннее

Рис. 5.8. Домены поле равно нулю. Конфигурация направлений в ферромагнетике поля в соседних доменах, показанная на рис.

5.8, когда поля в больших доменах как бы замыкаются полями малых концевых доменов, обеспечивает минимальноезначениевнутреннейэнергииферромагнетика.

При включении внешнего поля энергии отдельных доменов делаются неодинаковыми: энергия меньше для тех доменов, в которых намагниченность образует с направлением поля острый угол и больше в том случае, если этот угол тупой. Поэтому возникает процесс смещения границ доменов, при котором происходит рост доменов с меньшей энергией и уменьшение объема доменов с большей энергией. В случае очень слабых полей эти смещения границ обратимы и точно следуют за изменением поля. При увеличении поля смещения границ доменов делаются необратимыми (рис. 5.9б). При достаточной величине намагничивающего поля энергетически невыгодные домены исчезают вовсе

(рис. 5.9в).

87

Если поле увеличивается еще больше, то возникает новый тип процесса намагничивания, при котором изменяется направление магнитного момента внутри домена (намагничивание вращения, рис. 5.9г). Наконец, в очень сильном поле магнитные моменты всех доменов устанавливаются параллельно полю. В этом состоянии ферромагнетик имеет наибольшую, возможную при данной температуре намагниченность, то есть намагничен до насыщения

(рис. 5,9д).

Рис. 5.9. Процесс намагничивания ферромагнетика; а – внешнее поле В0 отсутствует, д – поле максимально

Указанные процессы намагничивания (за исключением смещения границ в слабых полях) происходят с некоторой задержкой, то есть смещение границ и поворот вектора намагниченности отстают от изменения поля, что приводит к появлению гистерезиса.

Вопросы

1.Каковы значения магнитной проницаемости ферромагнетиков? Является ли магнитная проницаемость постоянной для данного ферромагнетика величиной?

2.Каковы главные отличия свойств ферромагнетиков от свойств слабомагнитных веществ?

3.Может ли ферромагнетик стать парамагнетиком?

4.Как объяснить различный ход намагниченности и магнитной индукции в ферромагнетике при возрастании внешнего поля

вобласти насыщения (рис. 5.6 а и рис.5.6 б)?

5.Что такое гистерезис и как объяснить его с точки зрения особенностей структуры ферромагнетика?

6.Из каких основных этапов состоит процесс намагничивания ферромагнетика?

88

5.3. Электропроводность сред

5.3.1. Проводимость металлов

Классическая электронная теория проводимости металлов была впервые создана П. Друде в 1900 г. С точки зрения этой теории, высокая электропроводность металлов объясняется наличием огромного числа электронов проводимости, перемещающихся по объему проводника. Предполагается, что электроны обладают свойствами идеального газа. При своем движении электроны проводимости сталкиваются с ионами кристаллической решетки металла. Поэтому можно говорить о средней длине свободного пробега электронов λ, которая по порядку величины должна быть равнойпериодукристаллическойрешеткиметалла, то есть10-10 м.

Пользуясь закономерностями молекулярно-кинетической теории газов (см. раздел «Молекулярная физика»), определим сред-

са электрона, k – постоянная Больцмана. Получим, что при тем-

пературе Т=273 К υСР ≈105 м/с.

Тепловое движение электронов вследствие своей хаотичности не может привести к возникновению электрического тока.

Под действием внешнего электрического поля в проводнике возникает упорядоченное движение электронов, то есть возникает электрический ток. Плотность тока j численно равна общему заряду всех электронов, которые проходят за одну секунду через единицу площади поперечного сечения проводника. Эти электроны заключены в объеме цилиндра, площадь основания которого равна единице, а высота — средней скорости u упорядоченного движения электронов под действием внешнего электрического поля. Если в единице объема находится n0 электронов, то плотность тока выразится формулой:

Оценим порядок величины средней скорости u упорядоченного движения электронов. Полагая, что наибольшая плотность тока для меди равна 107 А/м2, концентрация электронов проводимо-

сти n0 ≈ 1029 1/м3, а заряд электрона е = 1,6 10-19 К, то по формуле (5.11) получим: u ≈ 6 10-4 м/с. Таким

образом, средняя скорость упорядоченного движения электронов под действием поля чрезвычайно мала по сравнению со сред-

89