Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики
По свои магнитным свойствам все вещества делятся на слабомагнитные и сильномагнитные. Кром того магнетики классифицируют в зависимости от механизма намагничивания.
Диамагнетики
Диамагнетики относят к слабомагнитным веществам. В отсутствии магнитного поля они не намагничены. В таких веществах при их внесении во внешнее магнитное поле в молекулах и атомах изменяется движение электронов так, что образуется ориентированный круговой ток. Ток характеризуют магнитным моментом ($p_m$):
где $S$ — площадь витка с током.
Создаваемая этим круговым током, дополнительная к внешнему полю, магнитная индукция направлена против внешнего поля. Величина дополнительного поля может быть найдена как:
Диамагнетизмом обладает любое вещество.
Магнитная проницаемость диамагнетиков очень незначительно отличается от единицы. Для твердых тел и жидкостей диамагнитная восприимчивость имеет порядок приблизительно $^,\ $для газов она существенно меньше. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры, что было открыто экспериментально П. Кюри.
Получи помощь с рефератом от ИИ-шки
ИИ ответит за 2 минуты
Диамагнетики делятся на «классические», «аномальные» и сверхпроводники. Классические диамагнетики имеют магнитную восприимчивость $\varkappa
В несильных магнитных полях намагниченность диамагнетиках пропорциональна напряженности магнитного поля ($\overrightarrow$):
где $\varkappa $ — магнитная восприимчивость среды (магнетика). На рис.1 представлена зависимость намагниченности «классического» диамагнетика от напряженности магнитного поля в слабых полях.
Парамагнетики
Парамагнетики, также относят к слабомагнитным веществам. Молекулы парамагнетиков имеют постоянный магнитный момент ($\overrightarrow$). Энергия магнитного момента во внешнем магнитном поле вычисляется по формуле:
Минимальное значение энергии достигается тогда, когда направление $\overrightarrow$ совпадает с $\overrightarrow$. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле в соответствии с распределением Больцмана появляется преимущественная ориентация магнитных моментов его молекул в направлении поля. Появляется намагничивание вещества. Индукция дополнительного поля совпадает с внешним полем и соответственно усиливает ее. Угол между направлением $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$ не изменяется. Переориентирование магнитных моментов в соответствии с распределением Больцмана происходит за счет столкновений и взаимодействия атомов друг с другом. Парамагнитная восприимчивость ($\varkappa $) зависит от температуры по закону Кюри:
«Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики» ��
Помощь эксперта по теме работы
Решение задач от ИИ за 2 минуты
Найди решение своей задачи среди 1 000 000 ответов
или закону Кюри — Вейсса:
где C и C’ — постоянные Кюри, $\triangle $ — постоянная, которая бывает больше и меньше нуля.
Магнитная восприимчивость ($\varkappa $) парамагнетика больше нуля, но, как и у диамагнетика весьма мала.
Парамагнетики делят на нормальные парамагнетики, парамагнитные металлы, антиферромагнетики.
У парамагнитных металлов магнитная восприимчивость не зависит от температуры. Эти металлы слабомагнитны $\varkappa \approx ^.$
У парамагнетиков существует такое явление ка парамагнитный резонанс. Допустим, что в парамагнетике, который находится во внешнем магнитном поле, создают дополнительное периодическое магнитное поле, вектор индукции этого поля перпендикулярен вектору индукции постоянного поля. В результате взаимодействия магнитного момента атома с дополнительным полем создается момент сил ($\overrightarrow$), который стремится изменить угол между $\overrightarrow$ и $\overrightarrow.$ Если частота переменного магнитного поля и частота прецессии движения атома совпадают, то созданный переменным магнитным полем момент сил либо все время увеличивает угол между $\overrightarrow$ и $\overrightarrow$, либо уменьшает. Это явление и называют парамагнитным резонансом.
В несильных магнитных полях намагниченность в парамагнетиках пропорциональна напряженности поля, и выражается формулой (3) (рис.2).
Ферромагнетики
Ферромагнетики относят к сильномагнитным веществам. Магнетики, магнитная проницаемость которых достигает больших значений и зависит от внешнего магнитного поля и предшествующей истории называют ферромагнетиками. Ферромагнетики могут иметь остаточную намагниченность.
Магнитная восприимчивость ферромагнетиков является функцией от напряженности внешнего магнитного поля. Зависимость J(H) представлена на рис. 3. Намагниченность имеет предел насыщения ($J_$).
Существование предела насыщения намагниченности указывает, что намагниченность ферромагнетиков вызвана переориентировкой некоторых элементарных магнитных моментов. У ферромагнетиков наблюдается явление гистерезиса (рис.4).
Ферромагнетики в свою очередь делят на:
- Мягкие в магнитном отношении. Вещества с большой магнитной проницаемостью, легко намагничивающиеся и размагничивающиеся. Их используют в электротехнике, там, где работают с переменными полями, например в трансформаторах.
- Жесткие в магнитном отношении. Вещества с относительно небольшой магнитной проницаемостью, трудно намагничивающиеся и размагничивающиеся. Эти вещества используют при создании постоянных магнитов.
Задание: Зависимость намагниченности для ферромагнетика показана на рис. 3. J(H). Изобразите кривую зависимости B(H). Существует ли насыщение для магнитной индукции, почему?
Так как вектор магнитной индукции связан с вектором намагниченности соотношением:
то кривая B(H) не достигает насыщения. График зависимости индукции магнитного поля от напряженности внешнего магнитного поля можно представить, как изображено на рис. 5. Такая кривая называется кривой намагничивания.
Ответ: Насыщения для кривой индукции нет.
Задание: Получите формулу парамагнитной восприимчивости $(\varkappa)$, зная, что механизм намагничивания парамагнетика аналогичен механизму электризации полярных диэлектриков. Для среднего значения магнитного момента молекулы в проекции на ось Z можно записать формулу:
\[\left\langle p_\right\rangle =p_mL\left(\beta \right)\left(2.1\right),\]
где $L\left(\beta \right)=cth\left(\beta \right)-\frac$ — функция Ланжевена при $\beta =\frac.$
При высоких температурах и небольших полях, мы получим, что:
\[p_mB\ll kT,\ \to \beta \ll 1\ \left(2.2\right).\]
Следовательно, при $\beta \ll 1$ $cth\left(\beta \right)=\frac+\frac-\frac<^3>+\dots $ , ограничение функции линейным членом по $\beta $ получим:
Подставим в (2.1) результат (2.3), получим:
Используя связь между напряженностью магнитного поля и магнитной индукцией ($\overrightarrow=\mu <\mu >_0\overrightarrow$), приняв во внимание, что магнитная проницаемость парамагнетиков мало отличается от единицы, можем записать:
\[\left\langle p_\right\rangle =\frac^2<\mu >_0H>\left(2.5\right).\]
Тогда намагниченность будет иметь вид:
\[J=n\left\langle p_\right\rangle =\frac^2<\mu >_0H>n\ \left(2.6\right).\]
Зная, что связь модуль намагниченности с модулем вектора напряженности имеет вид:
\[J=\varkappa H\ \left(2.7\right).\]
Имеем для парамагнитной восприимчивости:
Чем отличаются парамагнетики от диамагнетиков?
Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение и магнетизм) — свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю.
Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т. к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl и др.) .
Парамагнетизм (от греч. para – возле, рядом и магнетизм) — свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля, поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля.
Парамагнетиками называются вещества, атомы которых имеют, в отсутствие внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент .
Различия между диамагнетиками и парамагнетиками: что делает их уникальными?
Диамагнетики и парамагнетики — это удивительные элементы, обладающие уникальным магнитным поведением. В этой статье мы рассмотрим фундаментальные различия между этими двумя типами материалов и то, как они ведут себя в присутствии магнитного поля. Мы откроем свойства и характеристики, которые делают каждый из них особенным, и поймем, почему они так важны в области электроники и материаловедения. Приготовьтесь погрузиться в увлекательный мир диамагнетиков и парамагнетиков!
- В чем разница между парамагнетиком и диамагнетиком
- В чем разница между диамагнетиками и ферромагнитными парамагнетиками
- Что такое парамагнетик и диамагнетик?
В чем разница между парамагнетиком и диамагнетиком
Различия между диамагнетиками и парамагнетиками: что делает их уникальными?
Диамагнетики и парамагнетики — это два типа материалов, которые ведут себя по-разному в присутствии магнитного поля. Хотя оба находятся под влиянием магнитного поля, существуют существенные различия в том, как они реагируют и ведут себя. В этой статье мы рассмотрим ключевые различия между диамагнитными и парамагнитными материалами и то, как эти свойства делают их уникальными.
Диамагнетики — это материалы, атомы которых не содержат неспаренных электронов и, следовательно, не обладают суммарным магнитным моментом. Помещенные в магнитное поле диамагнетики испытывают слабое отталкивание от приложенного магнитного поля. Это связано с тем, что электроны в атомах этих материалов объединяются в пары и поэтому не способствуют намагничиванию материала. Общие примеры диамагнитных материалов включают воду, медь и ртуть.
С другой стороны, парамагнетики имеют в своих атомах неспаренные электроны, что означает, что у них есть чистый магнитный момент. При помещении в магнитное поле парамагнетики испытывают притяжение к приложенному магнитному полю. Это связано с тем, что неспаренные электроны в атомах этих материалов частично выравниваются по магнитному полю, что приводит к суммарной положительной намагниченности. Примеры парамагнитных материалов включают алюминий, железо и титан.
Помимо этих фундаментальных различий, существуют и другие отличительные характеристики диамагнетиков и парамагнетиков.
1. Реакция на магнитное поле. Диамагнитные материалы проявляют слабое отталкивание к приложенному магнитному полю, тогда как парамагнетики проявляют притяжение к магнитному полю.
2. Намагничивание. Диамагнитные материалы не намагничиваются постоянно в присутствии магнитного поля, тогда как парамагнитные материалы могут быть намагничены постоянно.
3. Магнитная восприимчивость. Магнитная восприимчивость диамагнитных материалов отрицательна, что означает, что они противостоят приложенному магнитному полю. С другой стороны, магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, что указывает на их сродство к магнитному полю.
В чем разница между диамагнетиками и ферромагнитными парамагнетиками
Различия между диамагнетиками и парамагнетиками: что делает их уникальными?
Введение:
В мире физики и химии материалы можно разделить на разные категории в зависимости от их реакции на магнитное поле. В этой статье мы рассмотрим различия между диамагнетиками и парамагнетиками и выясним, что делает их уникальными с точки зрения магнитных свойств.Диамагнитные материалы:
Диамагнетиками называются материалы, которые не имеют постоянных магнитных моментов при отсутствии внешнего магнитного поля. Это означает, что они не притягиваются и не отталкиваются магнитом. Вместо этого диамагнитные материалы испытывают слабое отталкивание при помещении в магнитное поле, заставляя их отдаляться от источника поля.Вы заинтересованы в: Руководство по ЭМС: все, что вам нужно знать об электромагнитной совместимости
Некоторыми распространенными примерами диамагнитных материалов являются медь, цинк и вода. Эти материалы имеют спаренные электроны на самых низких энергетических уровнях, что приводит к аннулированию отдельных магнитных моментов и слабой реакции на внешнее магнитное поле.
Парамагнитные материалы:
С другой стороны, парамагнетики — это материалы, которые имеют постоянные магнитные моменты даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Это означает, что они притягиваются магнитом и легко намагничиваются. Парамагнетики содержат атомы или молекулы с неспаренными электронами на самых низких энергетических уровнях, что приводит к наличию чистых магнитных моментов.Некоторыми примерами парамагнитных материалов являются алюминий, кислород и титан. Эти материалы демонстрируют более сильный магнитный отклик, чем диамагнитные материалы, из-за наличия чистых магнитных моментов.
Ключевые отличия:
Основное различие между диамагнетиками и парамагнетиками заключается в их реакции на внешнее магнитное поле. В то время как диамагнетики слабо отталкиваются при помещении в магнитное поле, парамагнетики притягиваются к магниту и легко намагничиваются.Что такое парамагнетик и диамагнетик?
Различия между диамагнетиками и парамагнетиками: что делает их уникальными?
В области физики материалы можно разделить на разные категории в зависимости от их реакции на магнитное поле. Двумя из этих категорий являются диамагнитные и парамагнитные материалы. Хотя оба типа материалов в некоторой степени взаимодействуют с магнитным полем, в их поведении существуют существенные различия. В этой статье мы рассмотрим эти различия и узнаем, что делает диамагнитные и парамагнитные материалы уникальными.
Поведение диамагнитных материалов:
Диамагнетиками называют материалы, обладающие отрицательной магнитной восприимчивостью. Это означает, что под воздействием магнитного поля они генерируют магнитное поле, противоположное по направлению, и поэтому отталкиваются этим полем. Другими словами, диамагнетики обладают слабым отталкиванием приложенного магнитного поля. Некоторыми распространенными примерами диамагнитных материалов являются медь, цинк и углерод.
Поведение парамагнитных материалов:
С другой стороны, парамагнетики обладают положительной магнитной восприимчивостью. Это означает, что при воздействии магнитного поля они генерируют магнитное поле в том же направлении и поэтому притягиваются к этому полю.
Вот и получается, что диамагнетики — «невидимые герои» электроники, а парамагнетики — «бунтовщики без причины»! Хотя оба обладают магнитными свойствами, каждый имеет свой уникальный стиль и характеристики. Поэтому в следующий раз, когда вы столкнетесь с магнитом, помните, что в нем есть нечто большее, чем кажется на первый взгляд. Теперь вы можете поразить всех своих друзей своими знаниями о диамагнетизме и парамагнетизме!
Диа-, пара- и ферромагнетики
В зависимости от численного значения μ все вещества можно поделить на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Как уже отмечалось, вещества, для которых μ < 1, называются диамагнетиками. К ним относятся висмут, медь, ртуть, серебро, золото, хлор, инертные газы и др.
Стержень из твердого диамагнетика или ампула с жидким (газообразным) диамагнетиком, помещённые в однородное магнитное поле, устанавливаются перпендикулярно линиям индукции поля. В неоднородном магнитном поле на диамагнетик действует сила, которая стремится вытолкнуть его за пределы поля.
Относительная магнитная проницаемость диамагнетика является величиной постоянной и не зависит ни от индукции внешнего магнитного поля B0, ни от условий внешней среды (например, температуры, давления и др.). Поэтому зависимость индукции магнитного поля в диамагнетике от внешнего магнитного поля является линейной (рис.24.1).
Диамагнетизм свойственен всем без исключения веществам, но проявляется он только в тех веществах, суммарный магнитный момент атомов которых равен нулю. Если такое вещество внести во внешнее магнитное поле, то на собственное движение электронов в атомах накладывается дополнительное движение, вызванное полем. В результате этого в каждом из атомов диамагнетика индуцируется дополнительный ток, магнитное поле которого в соответствии с правилом Ленца направлено против внешнего поля. Поэтому индукция результирующего магнитного поля в диамагнетике B равна разности индукции внешнего поля B0 и внутреннего поля B‘:
При выключении внешнего магнитного поля индукционные «атомные токи» исчезают, т.е. диамагнетик размагничивается.
Вещества, относительная магнитная проницаемость которых μ > 1, называются парамагнетиками. К ним, в частности, относятся натрий, калий, магний, кальций, марганец, платина, растворы некоторых солей и др.
Образец парамагнетика в однородном внешнем магнитном поле устанавливается вдоль линий индукции этого поля. В неоднородном магнитном поле на парамагнетик действует сила, которая стремится втянуть его в область более сильного поля. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков, как и диамагнетиков, не зависит от внешнего магнитного поля. Поэтому зависимость индукции магнитного поля парамагнетика от внешнего магнитного поля также является линейной (рис.24.2).
Парамагнетиками являются вещества, орбитальные магнитные моменты атомов которых отличаются от нуля, а спиновые магнитные моменты атомов равны нулю. Под действием внешнего магнитного поля орбитальные магнитные моменты атомов парамагнетика ориентируются в направлении этого поля. Поэтому внутреннее магнитное поле парамагнетика, обусловленное «атомными токами», направлены в ту же сторону, что и внешнее намагниченное поле. По этой причине индукция магнитного поля в парамагнетике B = B0 + B‘. Поскольку тепловое движение атомов мешает ориентации их магнитных моментов в направлении внешнего поля, то относительная магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается с увеличением температуры. Французский физик П.Кюри (1859–1906) установил, что зависимость относительной магнитной проницаемости парамагнетиков от температуры T подчиняются закону
где C – постоянная Кюри.
24.2. Ферромагнетики
Ферромагнетики – это вещества с большим значением относительной магнитной проницаемости μ >> 1. К ним относится небольшая группа кристаллических твердых тел таких, как железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные элементы, а также ряд сплавов. Специально созданные сплавы, для которых μ составляет десятки тысяч единиц, называют ферритами. Свойства ферромагнетиков определяются наличием в них при отсутствии внешнего поля областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности – доменов.
Если в пара- и диамагнетиках намагниченность изменяется с увеличением напряженности поля линейно, то в ферромагнетиках эта зависимость более сложная (рис.24.3).
Уже при напряженности поля порядка 100 А/м намагничивание достигает насыщения.
Для ферромагнетиков характерно явление гистерезиса. Если не намагниченный ферромагнетик поместить во внешнее магнитное поле, которое последовательно будем увеличивать от нуля до Hм, то зависимость B = f (H) выразится кривой ОА (рис.24.4), которая называется первоначальной или основной кривой намагничивания.
Если намагничивание довести до насыщения (точка А, рис.24.4), а после этого уменьшать напряженность магнитного поля, то изменение магнитной индукции B будет происходить по кривой АD, которая не совпадает с АО. При H = 0 магнитная индукция имеет значение ОD, которое называется остаточной индукцией Bост. Для того чтобы индукция B стала равна нулю, необходимо приложить поле противоположного направления напряженностью Hк. Это значение напряженности называется коэрцитивным полем.
При дальнейшем увеличении напряженности поля до –Hм ферромагнетик намагнитится в противоположном направлении до насыщения –Bм. Если напряженность поля снова уменьшить до нуля, будем наблюдать остаточную индукцию –Bост. При дальнейшем увеличении H индукция снова достигнет значения Bм. Замкнутая кривая B = f (H) называется петлей гистерезиса. Если ферромагнетик поместить в переменное магнитное поле, то изменение магнитной индукции будет происходить в соответствии с петлей гистерезиса. Размеры петли гистерезиса зависят от того, в каких пределах изменяется H. Если значения H такие, что возникает насыщение, площадь петли гистерезиса будет максимальной. При меньших значениях амплитуды колебаний H насыщения не происходит. Петля гистерезиса, которая при этом возникнет, называется частным циклом. Вершины частных циклов располагаются на основной кривой намагничивания (кривая ОА, рис.24.4). Магнитная проницаемость ферромагнетика выражается формулой:
Однако по причине того, что между B и H связь неоднозначная, понятие магнитной проницаемости применяют только для основной кривой намагничивания.
Поскольку основная кривая намагничивания ОА (рис.24.4) не является прямой линией, то магнитная проницаемость зависит от напряженности поля H μ = f(H) (рис.24.5).
Для каждого ферромагнетика существует определенная температура – точка Кюри ( TC), выше которой вещество теряет ферромагнитные свойства и переходит в парамагнитное состояние. Зависимость относительной магнитной проницаемости ферромагнетика от температуры в окрестности точки Кюри описывается законом Кюри–Вейсса:
где С – постоянная Кюри–Вейсса. П. Вейсс (1865–1940) – французский физик, разработчик феноменологической теории ферромагнетизма.
Основы теории ферромагнитизма разработаны русским физиком Я.И.Френкелем (1894–1952) и немецким физиком В.Гейзенбергом (1901–1976). Они показали, что магнитные свойства ферромагнетиков обусловлены спиновыми магнитными моментами электронов, что приводит к возникновению в кристаллах микроскопических областей – доменов . Магнитные поля всех доменов в кристалле ориентированы хаотично, поэтому в отсутствие внешнего магнитного поля кристалл в целом не намагничен.
Если образец ферромагнетика поместить во внешнее магнитное поле, то размеры доменов, магнитные моменты которых ориентированы вдоль поля, увеличиваются из-за смещения их границ. В результате этого в ферромагнетике возникает сильное внутренне поле индукция которого B‘. совпадает по направлению с индукцией внешнего поля B0. Так как B‘>> B0, то образец остается намагниченным после снятия внешнего поля. Остаточная намагниченность различных ферромагнетиков неодинакова. Магнитомягкие ферромагнетики, остаточная намагниченность которых невелика, используют в качестве сердечников трансформаторов и электромагнитов, а также носителей для записи и хранения информации (аудио, видео, ЭВМ). Магнитожесткие ферромагнетики с большой остаточной намагниченностью используют в качестве постоянных магнитов.