Теория метода

Лабораторная работа №46

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧКИ КЮРИ ФЕРРОМАГНИТНОГО ВЕЩЕСТВА

Цель работы: изучение зависимости магнитных свойств ферромагнетиков от температуры.

Приборы и принадлежности: лабораторная установка для определения точки Кюри, образцы ферромагнитных веществ.

ТЕОРИЯ МЕТОДА

Носителями магнитных свойств вещества являются электроны, так как магнетизм ядер мал и во многих случаях его можно не учитывать.

Находящийся на орбите и вращающийся вокруг атомного ядра электрон, подобно контуру с током, создаёт в окружающем пространстве магнитное поле, величина и направление которого определяются магнитным моментом контура p _m=IS n, где I – сила тока, S – площадь, которую охватывает контур, n – единичный вектор нормали к плоскости контура. Момент p _m называется орбитальным магнитным моментом.

Кроме орбитального, у электрона есть собственный, или спиновый магнитный момент, не зависящий от местоположения или характера движения этой частицы.

Магнитный момент атома (молекулы) представляет собой векторную сумму орбитальных и спиновых магнитных моментов всех электронов. От того, как ведут себя магнитные моменты отдельных атомов (молекул), зависят магнитные свойства всего вещества, его намагниченность. Намагниченность J – это магнитный момент единицы объема вещества. По этому признаку вещества разделяют на диа-, пара- и ферромагнетики.

У диамагнетиков и парамагнетиков магнитные свойства определяются отсутствием или наличием у атомов магнитного момента. В диамагнетиках магнитный момент атомов равен нулю при отсутствии внешнего магнитного поля и появляется только при его включении. В соответствии с законом Ленца, он направлен против этого поля. В парамагнетиках магнитные моменты атомов, существовавшие и в отсутствии поля, в магнитном поле ориентируются преимущественно в направлении вектора магнитной индукции B этого поля. Диа- и парамагнетики – это слабомагнитные вещества, их магнитная проницаемость μ ≈ 1.

Сильными магнитными свойствами обладают ферромагнетики (μ > > 1). Они могут быть намагничены даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Из химически чистых металлов ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, гадолиний. Ферромагнитны также различные сплавы на основе этих металлов и некоторые соединения, например, MnBi, FeNi и другие.

Ферромагнетизм возникает благодаря так называемому обменному взаимодействию, в котором участвуют электроны недостроенных внутренних электронных оболочек атомов некоторых кристаллических тел. Причины возникновения этого взаимодействия объясняются квантовой механикой. При определенных условиях обменное взаимодействие делает энергетически выгодной параллельную ориентацию спиновых магнитных моментов электронов соседних атомов, благодаря чему образуются области самопроизвольной намагниченности – домены. Обычно размеры доменов 10^-3 – 10^-2 см.

В отсутствие внешнего магнитного поля домены в размагниченном образце располагаются таким образом, что результирующая намагниченность образца равна нулю (рис. 1). Стрелки на рисунке указывают направление вектора намагниченности J в пределах домена. Такое состояние отвечает минимальной магнитной энергии ферромагнетика.

Рис. 1. Намагниченность доменов во внешнем поле.

Домены 1 и 3 увеличиваются за счёт доменов 2 и 4 при намагничивании

При намагничивании во внешнем магнитном поле намагниченность J ферромагнетика растет с увеличением намагниченного поля по нелинейному закону, достигая значения насыщения J_нас при достаточно больших напряженностях H. Пусть стрелка на штриховой линии на рис. 1 показывает направление вектора напряженности H внешнего магнитного поля. На начальном этапе намагничивания ферромагнетика междоменные границы смещаются, обеспечивая увеличение размеров тех доменов, направление вектора намагниченности J у которых наиболее близки к направлению вектора H (домены 1 и 3 на рис. 1). И только в области, близкой к насыщению, намагничивание осуществляется благодаря «довороту» магнитных моментов доменов до совпадения с направлением напряженности внешнего поля H.

Тепловое движение атомов вещества мешает согласованной ориентации спиновых моментов электронов в доменах, и тем больше, чем выше температура. Поэтому с ростом температуры самопроизвольная намагниченность уменьшается. При достижении некоторой температуры, называемой точкой Кюри, доменная структура разрушается, и ферромагнетик полностью утрачивает самопроизвольную намагниченность, превращаясь в парамагнетик. Зависимость спонтанной намагниченности ферромагнетика от температуры показана на рис. 2, где J/J_нас – относительная намагниченность, J_нас – максимально возможная намагниченность, то есть намагниченность насыщения, T_с – температура, или точка Кюри.

Рис. 2. Типичная зависимость относительной намагниченности J/J_нас