ДИАМАГНЕТИКИ — вещества с (см.) м … Большая политехническая энциклопедия
ДИАМАГНЕТИКИ — в ва, намагничивающиеся навстречу направлению действующего на них внеш. магн. поля. В отсутствие внеш. магн. поля Д. не имеют магн. момента. Диамагнетизм присущ всем в вам, но поскольку диамагнитная восприимчивость cd (см. Магнитная… … Химическая энциклопедия
ДИАМАГНЕТИКИ — – вещества, не имеющие собственного магнитного момента, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле в противоположном ему направлении. Магнитная восприимчивость диамагнетиков всегда отрицательная, ее величина не превышает 10 5 ед. СИ и не зависит … Палеомагнитология, петромагнитология и геология. Словарь-справочник.
Диамагнетик — Диамагнетики вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I… … Википедия
Магнитная восприимчивость — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе. Объёмная М. в. равна отношению намагниченности единицы объёма вещества J к напряжённости Н… … Большая советская энциклопедия
МАГНИТНАЯ ЦЕПЬ — последовательность магнетиков, по к рым проходит магнитный поток. Понятием М. ц. широко пользуются при расчётах пост. магнитов, электромагнитов, реле, магн. усилителей, электроизмерит. и др. приборов. В технике распространены как М. ц., в к рых… … Физическая энциклопедия
РЕЛАКСАЦИЯ МАГНИТНАЯ — процесс установления термодинамич. равновесия в системе магн. моментов вещества. Как правило, Р. м. сложный, многоступенчатый процесс; его характеризуют разл. временами релаксации (см. также Релаксация). Магн. свойства веществ (за исключением… … Физическая энциклопедия
магнетик — а; м. Вещество, обладающее свойствами магнита. * * * магнетик вещество, обладающее магнитными свойствами. Различают ферромагнетики, ферримагнетики, антиферромагнетики, парамагнетики, диамагнетики и другие типы магнетика. * * * МАГНЕТИК МАГНЕТИК,… … Энциклопедический словарь
твёрдое тело — агрегатное состояние вещества, отличающееся стабильностью формы и характером теплового движения атомов, которые совершают малые колебания около положений равновесия. Различают кристаллические и аморфные твердые тела. В первых существует… … Энциклопедический словарь
диамагнетизм — Термин диамагнетизм Термин на английском diamagnetism Синонимы Аббревиатуры Связанные термины Определение (от греч. диа расхождение), свойство тел намагничиваться в направлении, противоположном действующему на них внешнему магнитному полю.… … Энциклопедический словарь нанотехнологий
Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:
где $oldsymbol<vec>$ — магнитная индукция поля в веществе; $oldsymbol<<vec>_<0>>$ — магнитная индукция поля в вакууме, $oldsymbol<<vec>_<1>>$ — магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ, которая называется магнитной проницаемостью вещества
$$ oldsymbol<mu =frac<_<0>>>$$
- Магнитная проницаемость — это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.
Все вещества состоят из молекул, молекулы — из атомов. Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.
Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Все вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ Рис. 2
2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент) (рис. 2).
Для любознательных. Магнитный момент контура равен произведению силы тока в контуре на площадь, охватываемую контуром. Его направление совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля в середине контура с током.
Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей [1], созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.
Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля $oldsymbol<<vec>_<0>>$ и поля $oldsymbol<vec, которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.
Подробнее механизм намагничивания диамагнетиков описан здесь: Слободянюк А.И. Физика 10. §13.3 Типы магнетиков.
Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).
Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).
В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).
Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.
Ферромагнетики
Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3 ).
Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа — Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева — кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.
Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности — домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м ). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).
Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.
Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B, то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.
Свойства ферромагнетиков
1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии;
2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри. Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;
3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B:
4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).
Это объясняется тем, что вначале с увеличением B магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B’ наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B магнитная индукция B1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):
5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B, то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна Br (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до Boc, размагничивают стержень (B = 0).
- Модуль Boc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой.
При дальнейшем увеличении B можно намагнитить стержень до насыщения (точка А’).
Уменьшая теперь B до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –Br (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B станет равной Boc. Продолжая увеличивать я B, снова намагничивают стержень до насыщения (точка А).
Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B0. Это отставание называется явлением гистерезиса. Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса.
Гистерезис (греч. ὑστέρησις — «отстающий») — свойство систем, которые не сразу следуют за приложенными силам.
Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах — реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.
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, т.е в отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики не магнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждая единица объёма — намагниченность M), пропорциональный магнитной индукции B и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
История
В 1777 году C. Дж. Бергман стал первым человеком, заметившим, что висмут и сурьма отталкиваются магнитным полем. Однако термин «диамагнетизм» был введен позже (в сентябре 1845 года) Майклом Фарадеем, когда он понял, что все материалы в природе обладают в некоторой степени диамагнитным характером ответа на приложенное к ним магнитное поле.
Вещества — диамагнетики
| Магнитная восприимчивость некоторых диамагнетиков (в нормальных условиях) | |
| Вещество | Магнитная восприимчивость, χ·10 -6 |
| Азот, N2 | −12,0 |
| Водород, Н2 | −4,0 |
| Германий, Ge | −7,7 |
| Кремний, Si | −3,1 |
| Вода (жидкая), Н2O | −13,0 |
| Поваренная соль, NaCI | −30,3 |
| Ацетон, С3Н6О | −33,8 |
| Глицерин, С3Н8О3 | −57,1 |
| Нафталин, С10Н8 | −91,8 |
| Висмут, Bi, металл | −170 |
| Пиролитический графит, П, С | −85 |
| Пиролитический графит, ⊥, С | −450 |
Диамагнетики: инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения.
Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик, то есть отталкивается от магнитного поля.
Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H). Парамагнетики притягиваются магнитом, втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен.
Антиферромагнетики — магнитные моменты вещества направлены противоположно и равны по силе. Антиферромагнетики практически не притягиваются и ведут себя как слабые парамагнетики.
| Металл | Хим. символ | Атомный номер | Плотн. г/(см^3) | Тплав. °С | Уд. теплоемк. Дж/(кг*°К) | Уд. теплопр. Вт/(м*°К) | Тепл. коэф лин. расш. (10^6)/°К | Число Бринеля | Уд. сопрот. мкОм*м | Магнитные свойства |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Алюминий | Al | 13 | 2.7 | 660 | 923 | 218 | 21 | 25 | 0.026 | Парамагнетик |
| Барий | Ba | 56 | 3.75 | 710 | 285 | — | 19 | 4.2 | 0.5 | Парамагнетик |
| Берилий | Be | 4 | 1.84 | 1280 | 1800 | 184 | 12 | 61 | 0.041 | Диамагнетик |
| Ванадий | V | 23 | 6.11 | 1900 | 503 | 31 | 8.3 | 64 | 0.248 | Парамагнетик |
| Висмут | Bi | 83 | 9.8 | 271 | 126 | 8.4 | 13.3 | 9.6 | 1.16 | Диамагнетик |
| Вольфрам | W | 74 | 19.3 | 3400 | 142 | 167 | 4.4 | 262 | 0.055 | Парамагнетик |
| Гадолиний | Gd | 64 | 7.89 | 1310 | — | 8.8 | 9.7 | — | 1.4 | Ферромагнетик |
| Галлий | Ga | 31 | 5.92 | 30 | 336 | 29.3 | 18.1 | 6.1 | 0.136 | Диамагнетик |
| Гафний | Hf | 72 | 13.29 | 2220 | 138 | 22 | 5.9 | 173 | 0.351 | Парамагнетик |
| Железо | Fe | 26 | 7.87 | 1540 | 453 | 73.3 | 10.7 | 50 | 0.097 | Ферромагнетик |
| Золото | Au | 79 | 19.3 | 1063 | 134 | 312 | 14 | 18 | 0.0225 | Диамагнетик |
| Индий | In | 49 | 7.3 | 156 | 239 | 72 | 28.4 | 0.9 | 0.09 | Диамагнетик |
| Иридий | Ir | 77 | 22.4 | 2410 | 130 | 146 | 6.5 | 170 | 0.054 | Парамагнетик |
| Иттрий | Y | 39 | 4.47 | 1525 | 310 | 14.6 | 9.3 | 60 | 0.65 | Парамагнетик |
| Кадмий | Cd | 48 | 8.65 | 320.9 | 231 | 92.8 | 29 | 21 | 0.074 | Диамагнетик |
| Калий | K | 19 | 0.86 | 63 | 754 | 97 | 83.3 | 0.04 | 0.065 | Парамагнетик |
| Кальций | Ca | 20 | 1.53 | 851 | 650 | 98 | 18.5 | 17 | 0.04 | Парамагнетик |
| Кобальт | Co | 27 | 8.85 | 1500 | 445 | 69.5 | 13.5 | 102 | 0.064 | Ферромагнетик |
| Лантан | La | 57 | 6.18 | 920 | 188 | 13.8 | 5.2 | 37 | 0.568 | Парамагнетик |
| Литий | Li | 3 | 0.53 | 180 | 3285 | 71 | 56 | — | 0.086 | Парамагнетик |
| Магний | Mg | 12 | 1.74 | 651 | 1040 | 170 | 27 | 30 | 0.045 | Парамагнетик |
| Марганец | Mn | 25 | 7.44 | 1244 | 477 | 66.7 | 22.3 | 196 | 1.85 | Антиферромагн. |
| Медь | Cu | 29 | 8.92 | 1083 | 386 | 406 | 16.6 | 35 | 0.017 | Диамагнетик |
| Молибден | Mo | 42 | 10.2 | 2620 | 272 | 150 | 5.3 | 153 | 0.05 | Парамагнетик |
| Натрий | Na | 11 | 0.97 | 98 | 1220 | 134 | 72 | 0.07 | 0.042 | Парамагнетик |
| Никель | Ni | 28 | 8.96 | 1453 | 440 | 75.5 | 13.2 | 68 | 0.068 | Ферромагнетик |
| Ниобий | Nb | 41 | 8.57 | 2470 | 268 | 50 | 7.2 | 75 | 0.15 | Парамагнетик |
| Олово | Sn | 50 | 7.29 | 231.9 | 226 | 63.1 | 23 | 5.2 | 0.113 | Парамагнетик |
| Осмий | Os | 76 | 22.5 | 3000 | 129 | — | 4.6 | 400 | 0.095 | Парамагнетик |
| Палладий | Pd | 46 | 12.02 | 1552 | 243 | 70.7 | 9.5 | 46 | 0.108 | Парамагнетик |
| Платина | Pt | 78 | 21.45 | 1773 | 134 | 71.1 | 9.5 | 40 | 0.098 | Парамагнетик |
| Рений | Re | 75 | 21.02 | 3180 | 138 | 52 | 6.7 | 135 | 0.214 | Парамагнетик |
| Родий | Rh | 45 | 12.48 | 1970 | 247 | 88 | 8.5 | 102 | 0.043 | Парамагнетик |
| Ртуть | Hg | 80 | 13.5 | -39 | 138 | 7.9 | 182 | — | 0.958 | Диамагнетик |
| Рубидий | Rb | 37 | 1.53 | 39 | 335 | 35.6 | 90 | 0.022 | 0.12 | Парамагнетик |
| Рутений | Ru | 44 | 12.4 | 2250 | 239 | — | 9.1 | 220 | 0.075 | Парамагнетик |
| Свинец | Pb | 82 | 11.34 | 327 | 130 | 35 | 28.3 | 3.9 | 0.19 | Диамагнетик |
| Серебро | Ag | 47 | 10.49 | 960.5 | 235 | 453 | 18.6 | 25 | 0.015 | Диамагнетик |
| Скандий | Sc | 21 | 3 | 1540 | 545 | 11.3 | 11.4 | 75 | 0.66 | Парамагнетик |
| Стронций | Sr | 38 | 2.63 | 770 | 737 | — | 21 | 14 | 0.227 | Парамагнетик |
| Таллий | Tl | 81 | 11.85 | 303 | 147 | 35 | 28 | 2.7 | 0.18 | Диамагнетик |
| Тантал | Ta | 73 | 16.6 | 3000 | 150 | 50 | 6.6 | 47 | 0.124 | Парамагнетик |
| Титан | Ti | 22 | 4.52 | 1670 | 550 | 21.9 | 8.1 | 73 | 0.47 | Парамагнетик |
| Торий | Th | 90 | 11.6 | 1750 | 113 | 37 | 11.5 | 41 | 0.13 | Парамагнетик |
| Уран | U | 92 | 19.05 | 1130 | — | 26.7 | 14 | 244 | 0.3 | Парамагнетик |
| Хром | Cr | 24 | 7.19 | 1900 | 462 | 88.6 | 6.2 | 114 | 0.13 | Антиферромагн. |
| Цезий | Cs | 55 | 1.9 | 28 | 220 | 18.4 | 97 | 0.015 | 0.19 | Парамагнетик |
| Церий | Ce | 58 | 6.78 | 795 | 210 | 10.9 | 7.1 | 20 | 0.75 | Парамагнетик |
| Цинк | Zn | 30 | 7.14 | 419.5 | 336 | 113 | 30 | 42 | 0.059 | Диамагнетик |
| Цирконий | Zr | 40 | 6.5 | 1855 | 277 | 29.5 | 6.3 | 66 | 0.41 | Парамагнетик |
Диамагнитная левитация
Диамагнитная левитация имеет ту же природу что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута. В поле с индукцией 11 Тл можно стабилизировать и удерживать маленький магнит в воздухе между пальцами не касаясь его.
Магнитная восприимчивость материалов
Магнитная восприимчивость χ для изотропных тел определяется выражением
