3 роки тому
Немає коментарів

Sorry, this entry is only available in
Російська
На жаль, цей запис доступний тільки на
Російська.
К сожалению, эта запись доступна только на
Російська.

Из магнитных веществ люди раньше всего познакоми­лись с таким сильно магнитным веществом, как железо. Кроме железа ферромагнитными свойствами, как было установлено позже, обладают химические элементы никель и кобальт, стоящие в таблице Менделеева по соседству с железом. Сплавляя эти элементы между собой в опреде­лённых количествах, получают материалы, которые в большинстве случаев также обладают ферромагнетизмом (железо-никелевые, железо-кобальтовые и другие сплавы). Ферромагнитные свойства имеют также многочисленные сплавы железа, никеля или кобальта с парамагнитными и диамагнитными элементами, например сплавы никеля с медью, железа с углеродом и т. д. Содержание железа, никеля или кобальта в этих сплавах должно быть гораздо больше, чем парамагнитного или диамагнитного эле­ментов.

Сильномагнитными свойствами обладают и некоторые окислы железа, никеля и кобальта. Такие материалы в от­личие от сплавов называются ферритами. К ним, в частности, относится магнетит, с магнитными свойствами ко­торого человек столкнулся ещё в глубокой древности.

Изучению ферромагнитных материалов всегда уделя­лось большое внимание, ибо они широко используются в электротехнике и радиотехнике. Большая заслуга в этом принадлежит знаменитому русскому физику А. Г. Столе­тову (1839—1896); он впервые указал правильный способ исследования ферромагнитных материалов.

В 1935 году был открыт четвёртый ферромагнитный элемент — гадолиний — из группы редкоземельных эле­ментов (О химических элементах рассказывается в брошюре «Научно-популярной библиотеки» Гостехиздата: А. Л. Колесников, Закон Менделеева, 1954 г.). В самое последнее время было установлено, что и другой элемент — диспрозий,— стоящий в таблице эле­ментов по соседству с гадолинием и относящийся к той же группе, также обладает ферромагнетизмом. Однако гадо­линий и диспрозий как магнитные материалы практиче­ского значения не имеют и представляют только научный интерес.

Кроме того, учёные показали, что два элемента — марганец и хром, при сплавлении с некоторыми элемен­тами, например, с медью и алюминием, становятся сильно ферромагнитными. Так, сплав, состоящий из марганца, меди и алюминия, может служить хорошим магнитом. Та­ким образом, был установлен замечательный факт, что сплавы некоторых парамагнитных и диамагнитных эле­ментов становятся ферромагнитными.

И наоборот, такие ферромагнитные элементы, как же­лезо и никель, будучи сплавлены в определённой пропор­ции, образуют материал со столь слабыми магнитными свойствами, что его следует считать скорее парамагнит­ным, чем ферромагнитным. Примером такого материала может служить сплав, состоящий из никеля (27%) и же­леза (73%).

В отличие от парамагнитных тел, обладающих, как мы уже знаем, малой намагниченностью, в ферромагнетиках (так сокращённо называют ферромагнитные вещества) даже в очень слабых магнитных полях возникает намагни­ченность, в десятки и сотни тысяч раз большая, чем в па­рамагнитных телах. Это происходит оттого, что в ферромагнетиках атомные магнитные моменты сравнительно легко могут быть повёрнуты вдоль поля. За счёт этого и получается большая намагниченность ферромагнетиков, хотя магнитный момент каждого их атома в отдельности и число атомных магнитиков не слишком сильно отличаются от того, что мы имеем для парамагнитных веществ.

Почему же в ферромагнитных телах атомные магни­тики «легче» поворачиваются по полю, чем в парамагнит­ных? Дело в том, что в ферромагнитных веществах в отли­чие от парамагнитных атомные магнитики сильно взаимодействуют между собой. Это взаимодействие на­столько велико и носит такой характер, что атомы как бы объединяются в группы с одинаковым направлением маг­нитных моментов. Таким образом, во всяком ферромагне­тике уже имеются отдельные группы атомных магнитиков, имеющих одно направление. Иными словами, в ферромаг­нетиках независимо от внешнего магнитного поля сущест­вуют участки тела уже полностью намагничен­ные (рис. 14). Эти участки называют областями самопроизвольной намагниченности (слово «самопроиз­вольная» означает, что намагниченность возникла не в результате воздействия внешнего поля, а под влиянием межатомных сил в веществе (Самопроизвольную намагниченность не надо смешивать с оста­точной намагниченностью, которую мы наблюдаем у магнитов. Оста­точная намагниченность у магнитов, как будет сказано далее, опре­деляется другими причинами)). В каждой такой области находятся десятки и сотни миллиардов атомов. Если внеш­него поля нет, то суммарные магнитные моменты (или на­магниченности) областей расположены беспорядочно, и тело не проявляет своих магнитных свойств. При поме­щении ферромагнетика в поле (рис. 14), магнитные мо­менты областей подобно отдельным магнитикам устанав­ливаются вдоль силовых линий поля и, складываясь, создают большую намагниченность. Исследования пока­зали, что магнитные моменты областей «легче» повернуть вдоль силовых линий поля, чем отдельные магнитные мо­менты атомов.

Ферромагнетик в магнитном поле и вне его

Ферромагнетик в магнитном поле и вне его

Впервые предположение о наличии неких внутренних сил, приводящих к самопроизвольной намагниченности ферромагнетиков, высказал в конце прошлого века рус­ский физик Б. Л. Розинг. Несколько позже, в 1907 году, французским учёным П. Вейссом (1865—1940) эта идея была развита более подробно. Вейсс и Розинг ничего не знали о происхождении внутренних сил в ферромагнит­ном веществе, приводящих к самопроизвольной намагни­ченности. Какова природа этих сил, заставляющих атом­ные магнитики без участия постороннего магнитного поля объединяться в области самопроизвольной намагниченно­сти? По этому вопросу среди учёных долгое время были большие споры. Многие склонялись к тому, что это силы чисто магнитного происхождения. Они полагали, что атом­ные магнитики взаимодействуют друг с другом подобно обычным магнитам. Теоретические расчёты, однако, пока­зали, что магнитные силы не могут вызвать самопроиз­вольного намагничивания. Эти силы настолько малы, что даже при очень низких температурах тепловое дви­жение атомов препятствовало бы образованию устойчи­вых групп параллельных атомных магнитиков (т. е. воз­никновению самопроизвольной намагниченности), и тело вело бы себя скорее как парамагнитное, чем как ферро­магнитное.

Советский учёный Я. Г. Дорфман впервые доказал, что внутренние силы, вызывающие самопроизвольное на­магничивание, имеют немагнитное происхождение. В его опытах производилось наблюдение за отклонением бета-лучей при пропускании их через тонкие пластинки намагниченных и ненамагниченных ферромагнетиков. Бета-лучи излучаются при распаде радиоактивных эле­ментов, например радия, и представляют собой потоки электронов, летящих с очень большими скоростями. Такие быстрые электроны способны проходить между атомами в тонких металлических пластинках. Если бы между ато­мами ферромагнетика существовали сильные магнитные поля, достаточные для создания самопроизвольной намаг­ниченности, то они должны были бы сильно отклонить электроны. Однако на опыте это не наблюдалось: проходя через пластинку, бета-лучи отклонялись очень незначи­тельно (рис. 15), что говорит о слабости магнитных полей, создаваемых атомными магнитиками.

Схема опыта, доказывающего, что самопроизвольная намагниченность не может быть обусловлена магнитным воздействием атомов вещества

Схема опыта, доказывающего, что самопроизвольная намагниченность не может быть обусловлена магнитным воздействием атомов вещества

После опытов Дорфмана возникла мысль искать объяс­нение природы внутренних сил Розинга — Вейсса не в маг­нитном, а в электрическом взаимодействии соседних ато­мов. Ленинградский учёный Я. И. Френкель в 1928 г. доказал, что самопроизвольная намагниченность ферро­магнетика обусловлена электрическими силами, действую­щими между атомными магнитиками. Он показал, что под действием этих сил в ферромагнетиках атомные магни­тики устанавливаются параллельно друг другу, и такое их состояние устойчиво.

Электрические силы в ферромагнитных веществах на­столько велики, что тепловое движение атомов не нару­шает параллельного расположения магнитиков. Только при сравнительно высоких температурах, когда тепловое движение атомов становится особенно интенсивным, эта параллельность нарушается. Опыты показали, что если на­гревать какое-либо ферромагнитное тело, то намагничен­ность начинает падать, сначала медленно, затем всё быст­рее и быстрее и, наконец, практически совсем исчезает. Это объясняется тем, что при некоторой критической тем­пературе электрические силы между атомами уже не мо­гут удержать магнитные моменты атомов в параллельном положении и самопроизвольная намагниченность исчезает. Тело становится слабомагнитным (парамагнитным). В этом можно убедиться на простом опыте. Железный гвоздь при обычной температуре притягивается электро­магнитом. Но если его нагреть докрасна, то гвоздь поте­ряет свои ферромагнитные свойства и упадёт (рис. 16, а). Очень эффектен и другой опыт. Вблизи полюса электромагнита помещается «магнитная» вертушка, пред­ставляющая собой колесо, спицы которого сделаны из ни­келевых проволок (рис. 16, б). Если нагревать спицы, близко расположенные к полюсу, то вертушка начнёт вращаться вокруг вертикальной оси. Вращение объяс­няется тем, что спица, попавшая в пламя горелки, быстро нагревается, теряет свои ферромагнитные свойства и пе­рестаёт притягиваться к полюсу; её место, вследствие притяжения к полюсу, занимает более холодная спица. Этот процесс всё время повторяется, и поэтому вертушка начинает непрерывно вращаться. Мы получаем своеобраз­ный двигатель. Впрочем, коэффициент полезного действия такого термомагнитного двигателя очень низок.

При нагревании гвоздя докрасна он теряет свои ферромагнитные свойства и перестает притягиваться к магниту. Рядом - термомагнитный двигатель

При нагревании гвоздя докрасна он теряет свои ферромагнитные свойства и перестает притягиваться к магниту. Рядом – термомагнитный двигатель

Впервые исчезновение магнитных свойств при нагреве железа описал ещё в 1600 году английский врач Вильям Гильберт — первый исследователь магнетизма. Более по­дробно это явление было изучено в 1895 г. французским учёным Пьером Кюри. Температуру, при которой данный ферромагнетик теряет свои ферромагнитные свойства, стали называть температурой Кю­ри, или точкой Кюри.

Для железа эта температура равна 768° С, для никеля 365° С, для кобальта 1150° С. Сплав, со­стоящий из 30% никеля и 70% железа, имеет точку Кюри 80° С, а элемент гадолиний — 16° С; сле­довательно, при комнатных темпе­ратурах гадолиний находится в парамагнитном состоянии, и лишь при понижении температуры обнаруживается его ферро­магнетизм.

В некоторых веществах электрическое взаимодействие магнитных моментов атомов приводит к тому, что магнит­ные моменты атомов располагаются антипараллельно («анти» значит против) друг другу (рис. 17), т. е. возни­кает антипараллельная самопроизвольная намагничен­ность. Это явление получило название антиферромагне­тизма.

Самопроизвольное антипараллельное расположение магнитных моментов, приводящее к антиферромгнетизму

Самопроизвольное антипараллельное расположение магнитных моментов, приводящее к антиферромгнетизму

Антиферромагнетизмом обладают некоторые окислы марганца, кобальта, хрома и многие другие вещества. Для каждого из этих веществ, подобно ферромагнетикам, существует своя температура Кюри, при которой антипа­раллельное упорядоченное расположение магнитных мо­ментов разрушается — тело из антиферромагнитного со­стояния переходит в парамагнитное.

Рассмотрим теперь подробнее, как распределяются области самопроизвольной намагниченности в ферромаг­нетике. Как мы уже знаем, при взаимодействии магниты стремятся повернуться друг к другу разноимёнными полюсами, так как тогда их положение будет устойчивым. Наиболее устойчивым расположением нескольких магни­тов будет такое, когда они образуют замкнутую систему, например, в виде четырёхугольника (рис. 18, а). Отсюда понятно, почему ферромагнетик не может состоять сплошь из одной области самопроизвольной намагниченности: та­кое состояние ферромагнетика будет неустойчивым. Более устойчивым оно будет тогда, когда эта самопроизвольная намагниченность разобьётся на области, которые располо­жатся замкнутыми цепочками (рис. 18, б).

Ферромагнетик разбивается на области самопроизвольной намагниченности, которые стремятся расположиться замкнутыми цепочками

Ферромагнетик разбивается на области самопроизвольной намагниченности, которые стремятся расположиться замкнутыми цепочками

Причины деления ферромагнетика на области само­произвольной намагниченности выяснили советские фи­зики Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц.

Как убедиться на опыте в существовании областей са­мопроизвольной намагниченности? Это можно сделать до­вольно простым способом. Каждая область подобна маленькому магниту; поэтому на границе между обла­стями должны существовать рассеянные магнитные поля (как они существуют у магнитов). Эти поля можно об­наружить, поливая поверхность отшлифованного ферро­магнетика жидкостью, в которой взмучен очень мелкий железный порошок. Если жидкость вязкая, то частицы порошка не оседают на дно сосуда, а находятся в жидкости во «взвешенном» состоянии. Наблюдая в микроскоп поверхность ферромагнетика, можно видеть, что частицы порошка, затягиваясь в места рассеянных полей, распо­лагаются на поверхности в виде правильного узора (рис. 19), напоминающего расположение областей намаг­ниченности, показанное на рис. 18. Такие узоры наблю­даются на поверхности ферромагнетика даже в отсутствие внешнего поля, но они никогда не возникают на поверх­ности неферромагнитных веществ.

Узоры магнитного порошка, наблюдаемые на поверхности кристалла кремнистого железа. Магнитный порошок располагается по границам областей самопроизвольной намагниченности

Узоры магнитного порошка, наблюдаемые на поверхности кристалла кремнистого железа. Магнитный порошок располагается по границам областей самопроизвольной намагниченности

Изменение намагниченности образца при наложении внешнего поля сопровождается смещением линий узора. Киносъёмка фигур при медленно изменяющемся поле об­наружила внезапные смещения линий. Этот факт говорит о том, что процесс намагничивания происходит скачко­образно. Скачкообразные изменения намагниченности очень хорошо могут быть изучены следующим способом. На рис. 20 показана ферромагнитная проволочка, пропу­щенная сквозь катушку. Концы катушки присоединены к усилителю и громкоговорителю. При медленном изменении внешнего магнитного поля вблизи проволочки, например, при медленном поворачивании магнита на 180°, в проволочке происходит резкое изменение в расположении от­дельных областей самопроизвольной намагниченности (перемагничивание). Это вызывает появление индукцион­ных токов в катушке, которые после усиления дают в громкоговорителе хорошо слышимые щелчки. Если бы перемагничивание областей происходило постепенно, то мы получили бы плавное нарастание тока в катушке и в гром­коговорителе ничего бы не услышали.

Схема опыта, доказывающего, что намагничивание происходит скачкообразно

Схема опыта, доказывающего, что намагничивание происходит скачкообразно