Что такое магнетики, их виды и особенности

Вещества в магнитном поле могут вести себя различным образом — некоторые намагничиваются, а некоторые — нет. Особенности конкретного вещества в рассматриваемой ситуации выражаются при помощи коэффициента, характеризующего магнитную восприимчивость. Чтобы разобраться в особенностях влияния поля на различные вещества, нужно понимать особенности такого взаимодействия.

Магнитное поле

О его существовании человечество знает с древних времён. Однако это знание в течение сотен лет имело опытный характер. В 1831 году закон электромагнитной индукции был открыт Майклом Фарадеем. Это создало надёжную основу для дальнейшего изучения свойств магнитных и электрических полей.

Фарадей смог установить, что ток всегда создаёт магнитное поле. Неподвижные заряды создают электростатическое поле, но не могут образовывать магнитное, после нахождения в котором, вещества приобретают способность создавать свое магнитное поле. Эта способность проявляется по-разному в зависимости от используемого материала. Вещества, обладающие ею, называют магнетиками.

Различают постоянное и переменное магнитное поле. В первом случае оно не меняется с течением времени. Во втором поле имеет изменяющиеся характеристики. Примером последнего может быть такое, которое создаётся переменным током.

Принято описывать магнитное поле, используя силовые линии. В каждой точке вектор его напряжённости будет направлен по касательной к такой линии. Хотя на рисунке отображается только несколько из них, нужно понимать, что в каждой точке пространства будет проходить какая-нибудь из них.

Влияние магнитного поля на вещество

Любое вещество состоит из атомов. Каждый из них имеет ядро, вокруг которого вращаются электроны. Само ядро состоит из частиц с положительным и нейтральным зарядом. Первые называют протонами. Они имеют одинаковый по абсолютной величине заряд с электронами, но только положительный.

Движение электронов создаёт ток на микроскопическом уровне. Это приводит к образованию у каждого атома своего небольшого магнитного поля. Поскольку атомы расположены в значительной степени хаотически, то поля ориентированы в разных направлениях и их воздействие компенсируется.

Однако под воздействием электрического поля изменяется положение значительной части атомов, которые ориентируются одинаково. Их суммарное воздействие порождает своё собственное поле. По мере увеличения напряжённости внешнего поля доля тех атомов, которые ориентированы одинаково увеличивается, пока не достигнет максимального значения. При превышении этого уровня степень намагничивания материала остаётся прежней.

Одинаково ориентированные атомы образуют многочисленные домены. Под влиянием внешнего поля они способны смещаться. Одни вещества после прекращения воздействия поля переходят в свое прежнее состояние, но есть и такие у которых сохраняется остаточная намагниченность. При работе с ними можно получить поле, превышающее по своим характеристикам внешнее. Смещение может выражаться как в повороте, так и в сдвиге доменов.

Магнетиками принято считать такие материалы, которые изменяют свои свойства под воздействием внешнего магнитного поля. У различных материалов способность к намагничиванию отличается. Некоторые не получают магнитных свойств даже при воздействии сильного поля. Поэтому материалы классифицируются на слабомагнитные и сильномагнитные. К первым относят диамагнетики, парамагнетики, ко вторым —ферромагнетики.

Намагниченность

То как вещество меняет свои свойства под воздействием внешнего магнитного поля, характеризуется при помощи намагниченности, являющейся векторной величиной. Её направление может совпадать с напряжённостью магнитного поля или быть противоположной ему. Определить намагниченность можно с помощью следующей формулы:

Здесь используются следующие величины:

• Слева от знака равенства указан вектор намагниченности.
• Справа используется вектор напряжённости магнитного поля.
• Особенности воздействия магнитного поля на определённое вещество характеризуется при помощи безразмерного коэффициента.

Коэффициент k_M, определяющий особенности вещества, называется магнитной восприимчивостью. Он может быть как положительным, так и отрицательным. В первом случае вектор намагниченности и вектор напряженности будут иметь одно направление, во втором — противоположное.

Разновидности магнетиков

При помещении в магнитное поле вещества могут реагировать различным образом. По своему поведению они делятся на несколько категорий. Классификация магнетиков выделяет три основных типа веществ — парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. Существуют еще ферримагнетики, антиферромагнетики, сверхдиамагнетики.

Диамагнетики

Если диамагнетики поместить в магнитное поле, то они начнут намагничиваться. Это будет происходить с разной интенсивностью в зависимости от вида материала. После прекращения воздействия внешнего поля прежнее состояние диамагнетика восстановится. В результате намагниченность пропадёт.

Механизм воздействия на диамагнитный тип веществ заключается в том, что при их помещении в магнитное поле возникает магнитный момент, вектор которого противоположно направлен вектору напряжённости магнитного поля.

Если убрать внешнее поле, то индукционный ток исчезнет, а вектор напряжённости образуемого им поля станет равным нулю. Природа диамагнетизма не связана с интенсивностью теплового движения, поэтому температура не влияет на поведение диамагнетиков в определенном магнитном поле.

Диамагнитные свойства присущи многим веществам. Они характеризуются слабым воздействием, которое часто очень сложно обнаружить. Обычно диамагнетиками считают те вещества, у которых намагничивание можно легко зафиксировать.

Парамагнетики

При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов парамагнетиков ориентированы хаотически. Нагрев этих веществ приводит к разнонаправленности магнитных моментов, в результате намагниченности не происходит.

При наличии слабого внешнего магнитного поля у атомов парамагнетиков появляется вектор напряженности, параллельный тому, который имеется у внешнего магнитного поля. При этом тепловое движение будет снижать степень намагниченности.

Особенность парамагнетизма заключается в том, что вектор напряженности возникающего магнитного поля сонаправлен аналогичному вектору первоначального, а не направлен противоположно, как у диамагнетиков. Одним из материалов, имеющим парамагнитные свойства, является алюминий.

Ферромагнетики

К этой группе относят вещества, пребывающие в твёрдом состоянии. Отличие ферромагнетиков в том, что они характеризуются высокой степенью намагниченности и способностью сохранять её после удаления внешнего поля. Показатели созданного магнитного поля могут превышать показатели первоначального в сотни раз.

Ещё одной особенностью является нелинейная зависимость величины магнитной проницаемости от напряжённости магнитного поля. Существует точка Кюри, которая представляет собой температуру, при превышении которой эти вещества становятся парамагнетиками.

Ферримагнетики

В этих веществах атомы образуют подструктуры с противоположно направленными магнитными моментами. По сравнению с ферромагнетиками они обладают меньшей магнитной восприимчивостью. На нее существенное влияние оказывают напряженность магнитного поля и температура. Ферримагнетики не являются металлами, поэтому обладают меньшей индукцией насыщения и довольно высоким значением удельного электрического сопротивления.

Типичными ферримагнетиками являются оксидные соединения. Наибольшее применение получили ферриты — химические соединения различных металлов с оксидом железа.

Антиферромагнетики

Рассматриваемые вещества отличаются небольшой положительной магнитной восприимчивостью, сильно зависящей от температуры. Антиферромагнетик в процессе нагревания переходит в состояние парамагнетика. Значение температуры, при которой это происходит, называют антиферромагнитной точкой Кюри или точкой Нееля.

Существует около тысячи веществ, обладающих антиферромагнитными свойствами. Самые известные — хром и марганец. К этой группе относятся такие простейшие химические соединения, как окислы металлов, галогениды, сульфиды, карбонаты, ряд редкоземельных элементов.

 Сверхдиамагнетики

Эти вещества характеризуются нулевой магнитной проницаемостью. Для них существует эффект Мейсснера-Оксенфельда, который заключается в том, что внутри сверхдиамагнетика напряжённость магнитного поля нулевая.

Примером таких материалов являются низкотемпературные и высокотемпературные сверхпроводники. Кроме них существует только одно вещество сверхдиамагнетического типа, которое может существовать при обычных температурах — хлорид меди. Этот факт был открыт и исследован в 1986 году.

Таким образом, можно сделать вывод, что парамагнетики, ферромагнетики и диамагнетики намагничиваются по-разному. С диамагнетиками это происходит под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики отличаются ориентационным механизмом намагничивания. Ферромагнетикам присущ такой же механизм намагничивания, но у них намагниченность не исчезает после их удаления из внешнего поля, как это происходит с парамагнетиками.

Видео по теме