Магнітними властивостями володіють в тій чи іншій мірі всі матеріали, так як ці властивості є відображенням структурних закономірностей, властивих речовині на мікрорівні. Особливості структури обумовлюють розходження в магнітних властивостях речовин, тобто в характері їх взаємодії з магнітним полем.
Будова речовини і магнетизм
Перша теорія, що пояснює природу магнетизму через взаємозв’язок електричних і магнітних явищ, створена французьким фізиком Ж.-М. Ампером в 20-х роках XIX століття. В рамках цієї теорії Ампер припустив наявність у фізичних тілах мікроскопічних замкнутих струмів, зазвичай компенсують один одного. Але у речовин, що володіють магнітними властивостями, такі «молекулярні струми» створюють поверхневий струм, в результаті чого матеріал стає постійним магнітом. Ця гіпотеза не знайшла підтвердження, за винятком однієї важливої ідеї – про микротоках як джерела магнітних полів.
Мікроструми в речовині дійсно існують завдяки руху електронів в атомах і створюють магнітний момент. Крім того, електрони мають власний магнітний момент квантової природи.
Сумарний магнітний момент речовини, тобто сукупності елементарних струмів у ньому, у відношенні до одиниці об’єму, визначає стан намагніченості макроскопічного тіла. У більшої частини речовин моменти частинок орієнтовані неупорядкована (провідну роль у цьому відіграють теплові хаотичні коливання), і намагніченість практично дорівнює нулю.
Поведінка речовини в магнітному полі
При дії зовнішнього магнітного поля вектори магнітних моментів часток змінюють напрям – тіло намагнічується, в ньому з’являється власне магнітне поле. Характер цієї зміни і його інтенсивність, визначають магнітні властивості речовин, обумовлені різними факторами:
- особливості структури електронних оболонок в атомах і молекулах речовини;
- міжатомні і міжмолекулярні взаємодії;
- особливості структури кристалічних решіток (анізотропія);
- температура речовини;
- напруженість і конфігурація магнітного поля і так далі.
Намагніченість речовини пропорційна напруженості магнітного поля в ньому. Їх співвідношення визначається особливим коефіцієнтом – магнітною сприйнятливістю. У вакууму вона дорівнює нулю, у деяких речовин негативна.
Величину, яка характеризує співвідношення магнітної індукції та напруженості поля в речовині, прийнято називати магнітною проникністю. У вакуумі індукція і напруженість збігаються, і проникність його дорівнює одиниці. Магнітну проникність речовини можна виражати як відносну величину. Це співвідношення абсолютних значень для даної речовини і для вакууму (остання величина прийнята як магнітною сталою).
Класифікація речовин за магнітними властивостями
За типом поведінки різних твердих матеріалів, рідин, газів в магнітному полі виділяють кілька груп:
- диамагнетики;
- парамагнетики;
- феромагнетики;
- ферримагнетики;
- антиферомагнетики.
Основні магнітні характеристики речовини, що лежать в основі класифікації – це магнітна сприйнятливість і магнітна проникність. Охарактеризуємо основні властивості, притаманні кожній групі.
Диамагнетики
В силу деяких особливостей будови електронних хмар у атомів (або молекул) діамагнетиків немає магнітного моменту. Він з’являється при виникненні зовнішнього поля. Індуковане, наведене поле має протилежний напрямок, і результуюче поле виявляється дещо слабше, ніж зовнішнє. Правда, ця різниця не може бути істотною.
Магнітна сприйнятливість діамагнетиків виражається від’ємними числами з порядком величини від 10-4 до 10-6 і не залежить від напруженості поля; магнітна проникність нижче, ніж у вакууму, на той же порядок величини.
Накладення неоднорідного магнітного поля веде до того, що диамагнетик виштовхується цим полем, так як прагне зміститися в область, де поле слабше. На цій особливості магнітних властивостей речовин даної групи заснований ефект диамагнитной левітації.
Диамагнетики представляють велику групу речовин. В неї входять такі метали, як мідь, цинк, золото, срібло, вісмут. Також до неї належать кремній, германій, фосфор, азот, водень, інертні гази. Із складних речовин – вода, багато солі, органічні сполуки. Ідеальні диамагнетики – це надпровідники. Магнітна проникність їх дорівнює нулю. Поле всередину надпровідника проникнути не може.
Парамагнетики
Належить до даної групи речовин властива позитивна магнітна сприйнятливість (дуже невисока, порядку 10-5 – 10-6). Намагнічуються вони паралельно вектору текстового поля, тобто втягуються в нього, але взаємодія парамагнетиків з ним дуже слабкий, як і у діамагнетиків. Магнітна проникність їх близька до значення проникності вакууму, тільки злегка перевершує його.
У відсутності зовнішнього поля парамагнетики, як правило, не мають намагніченість: їх атоми мають власні магнітні моменти, але вони орієнтовані хаотично через теплових коливань. При низьких температурах парамагнетики можуть мати власну намагніченість малої величини, сильно залежить від зовнішніх впливів. Однак вплив теплового руху занадто велике, внаслідок чого елементарні магнітні моменти парамагнетиків ніколи не встановлюються точно за напрямом поля. В цьому і полягає причина низького магнітної сприйнятливості.
Сили міжатомної та міжмолекулярної взаємодії також відіграють значну роль, сприяючи або, навпаки, чинячи опір упорядкування елементарних магнітних моментів. Це обумовлює велику різноманітність магнітних властивостей речовини парамагнетиків.
До цієї групи речовин належать багато метали, наприклад вольфрам, алюміній, марганець, натрій, магній. Парамагнетиками є кисень, солі заліза, деякі оксиди.
Феромагнетики
Існує невелика група речовин, які завдяки особливостям структури володіють дуже високими магнітними властивостями. Першим металом, у якого виявилися ці якості, було залізо, і завдяки йому дана група одержала назву ферромагнетиків.
Будова феромагнетиків характеризується наявністю особливих структур – доменів. Це області, де намагніченість утворюється спонтанно. Завдяки особливостям міжатомної та міжмолекулярної взаємодії у феромагнетиків встановлюється найбільш енергетично вигідне розташування атомних і електронних магнітних моментів. Вони набувають паралельну спрямованість за так званим напрямами легкого намагнічування. Однак весь обсяг, наприклад, кристала заліза не може придбати односпрямовану мимовільну намагніченість – це підвищувало б загальну енергію системи. Тому система розбивається на ділянки, спонтанна намагніченість яких у феромагнітному тілі компенсує один одного. Так утворюються домени.
Магнітна сприйнятливість феромагнетиків надзвичайно велика, може складати від декількох десятків до сотень тисяч і великою мірою залежить від напруженості зовнішнього поля. Причина цього полягає в тому, що орієнтація доменів по напрямку поля також виявляється енергетично вигідною. Напрямок вектора намагніченості частини доменів обов’язково співпаде з вектором напруженості поля, і енергія їх буде найменшою. Такі області розростаються, і одночасно скорочуються невигідно орієнтовані домени. Намагніченість збільшується, наростає магнітна індукція. Процес відбувається нерівномірно, і графік зв’язку індукції з напруженістю зовнішнього поля називають кривою намагнічування феромагнітного речовини.
При підвищенні температури до деякої порогової величини, називається точкою Кюрі, доменне будова внаслідок посилення теплового руху порушується. В цих умовах феромагнетик проявляє парамагнітні якості.
Крім заліза і сталі, феромагнітні властивості притаманні кобальту і нікелю, деяких сплавів і рідкоземельних металів.
Ферримагнетики і антиферомагнетики
Двом видам магнетиків також властива доменна структура, але магнітні моменти в них орієнтуються антипараллельно. Це такі групи, як:
- Антиферомагнетики. Магнітні моменти доменів в цих речовинах рівні по чисельному значенням і взаємно скомпенсовані. З цієї причини магнітні властивості матеріалів антиферомагнетиків характеризуються вкрай низькою магнітною сприйнятливістю. У зовнішньому полі вони проявляють себе як дуже слабкі парамагнетики. Вище порогової температури, званої точкою Нееля, таке речовина стає звичайним парамагнетиком. Антиферромагнетиками є хром, марганець, деякі рідкоземельні метали, актиноиды. Деякі антиферромагнитные сплави мають дві точки Неєля. Коли температура менше нижнього порогу, матеріал стає феромагнітною.
- Ферримагнетики. У речовин цього класу величини магнітних моментів різних структурних одиниць не рівні, завдяки чому не відбувається їх взаємної компенсації. Магнітна сприйнятливість їх залежить від температури та напруженості поля, що намагнічує. До ферримагнетикам відносяться ферити, до складу яких входить оксид заліза.
Поняття про гистерезисе. Постійний магнетизм
Феромагнітні та феромагнітні матеріали мають властивість залишкової намагніченості. Ця властивість обумовлена явищем гістерезису – запізнювання. Суть його полягає у відставанні зміни намагніченості матеріалу від зміни зовнішнього поля. Якщо після досягнення насичення знижувати напруженість поля, намагніченість буде змінюватися відповідно до кривої намагнічування, а більш пологим чином, так як значна частина доменів залишається орієнтована відповідно вектору поля. Завдяки цьому явищу існують постійні магніти.
Розмагнічування відбувається при зміні напрямку поля, при досягненні їм певної величини, званої коерцитивної (затримуючої) силою. Чим більше його величина, тим краще речовина утримує залишкову намагніченість. Замикання петлі гістерезису відбувається при наступній зміні напруженості за напрямком і величиною.
Магнітна твердість і м’якість
Явище гістерезису сильно впливає на магнітні властивості матеріалів. Речовини, у яких на графіку петля гістерезису розширена, що вимагають для розмагнічування значною коерцитивної сили, називають магнитотвердыми, матеріали з вузькою петлею, набагато легше піддаються размагничиванию – магнитом’якими.
У змінних полях магнітний гістерезис проявляється особливо яскраво. Він завжди супроводжується виділенням тепла. Крім того, в змінному магнітному поле в магнетику виникають вихрові індукційні струми, що виділяють дуже багато тепла.
Багато феромагнетики і ферримагнетики застосовуються в обладнанні, функціонуючий на змінному струмі (наприклад, сердечники електромагнітів) і при роботі весь час перемагничиваются. Для того щоб зменшити енерговитрати на гістерезис і динамічні втрати на вихрові струми, що в такому обладнанні застосовують магнитом’які матеріали, такі як чисте залізо, ферити, електротехнічні сталі, сплави (наприклад, пермалой). Є й інші способи мінімізувати втрати енергії.
Магнитотвердые речовини, навпаки, використовуються в обладнанні, що працює на постійному магнітному полі. Вони значно довше зберігають залишкову намагніченість, але їх важче намагнітити до насичення. Багато хто з них в даний час являють собою композити різних типів, наприклад, металокерамічні або неодимові магніти.
Ще трохи про використання магнітних матеріалів
Сучасні високотехнологічні виробництва вимагають застосування магнітів, виготовлених з конструкційних, у тому числі композитних матеріалів із заданими магнітними властивостями речовин. Такі, наприклад, магнітні нанокомпозити феромагнетик-надпровідник або феромагнетик-парамагнетик, використовувані в спінтроніці, або магнитополимеры – гелі, еластомери, латекси, феррожидкости, знаходять саме широке застосування.
Різні магнітні сплави теж надзвичайно затребувані. Сплав неодим-залізо-бор характеризується високою стійкістю до размагничиванию і потужністю: згадані вище неодимові магніти, будучи найбільш потужними на сьогоднішній день постійними магнітами, застосовуються в самих різних галузях, незважаючи на наявність деяких недоліків, таких як крихкість. Їх використовують магнітно-резонансні томографи, вітрогенератори, при очищенні технічних рідин і підйомі важких вантажів.
Дуже цікаві перспективи використання антиферомагнетиків в низькотемпературних наноструктурах для виготовлення комірок пам’яті, що дозволяють істотно збільшувати щільність запису без порушення стану сусідніх бітів.
Треба вважати, що застосування магнітних властивостей речовин із заданими характеристиками буде усе більше розширюватися і забезпечить серйозні технологічні прориви в різних областях.
