феромагнітні речовини
Сильномагнітних властивостями володіють і деякі оксиди заліза, нікелю і кобальту. Такі матеріали в від-відмінність від сплавів називаються ферритами. До них, в част-ності, відноситься магнетит, з магнітними властивостями ко-торого людина зіткнувся ще в глибоку давнину.
Вивченню феромагнітних матеріалів завжди приділяючи-лось велику увагу, бо вони широко використовуються в електротехніці і радіотехніці. Велика заслуга в цьому належить знаменитому українському фізику А. Г. Столі-Тову (1839-1896); він вперше вказав правильний спосіб дослідження феромагнітних матеріалів.
У 1935 році був відкритий четвертий феромагнітний елемент - гадоліній - з групи рідкоземельних еле-ментів [3]). У самий останній час було встановлено, що і інший елемент - діспрозій, - стоїть в таблиці еле-ментів по сусідству з гадолинием і відноситься до тієї ж групи, також володіє феромагнетизмом. Однак гадо-ліній і діспрозій як магнітні матеріали практиче-ського значення не мають і представляють тільки науковий інтерес.
Крім того, вчені показали, що два елементи - марганець і хром, при сплаві з деякими елементів-тами, наприклад, з міддю і алюмінієм, стають сильно феромагнітними. Так, сплав, що складається з марганцю, міді та алюмінію, може служити хорошим магнітом. Та-ким чином, був встановлений чудовий факт, що сплави деяких парамагнітних і діамагнітних еле-ментів стають феромагнітними.
І навпаки, такі феромагнітні елементи, як же-лезо і нікель, будучи сплавлені в певній пропор-ції, утворюють матеріал з настільки слабкими магнітними властивостями, що його слід вважати швидше парамагніт-ним, ніж феромагнітним. Прикладом такого матеріалу може служити сплав, що складається з нікелю (27%) і ж-леза (73%).
На відміну від парамагнітних тіл, які мають, як ми вже знаємо, малої намагниченностью, в феромагнетиках (так скорочено називають феромагнітні речовини) навіть в дуже слабких магнітних полях виникає намагні-ченность, в десятки і сотні тисяч разів більша, ніж в парамагнітних тілах . Це відбувається тому, що в ферро-
магнетиках атомні магнітні моменти порівняно легко можуть бути повернені уздовж поля. За рахунок цього і виходить велика намагніченість феромагнетиків, хоча магнітний момент кожного їх атома в окремо і число атомних магнітиків не дуже сильно відрізняються від того, що ми маємо для парамагнітних речовин.
Чому ж в феромагнітних тілах атомні магнітні-тики «легше» повертаються по полю, ніж в парамагніт-них? Справа в тому, що в феромагнітних речовинах в отли-чие від парамагнітних атомні магнітики сильно
Мал. 14. феромагнетика в магнітному полі і поза ним.
Взаємодіють між собою. Ця взаємодія на-стільки велике і носить такий характер, що атоми як би об'єднуються в групи з однаковим напрямком маг-нітних моментів. Таким чином, у всякому ферромагне-тику вже є окремі групи атомних магнітиків, що мають один напрямок. Іншими словами, в ферромаг-нетіках незалежно від зовнішнього магнітного поля сущест-вують ділянки тіла вже повністю намагнічений-ні (рис. 14). Ці ділянки називають областями мимовільної намагніченості (слово «самопроіз-вільна» означає, що намагніченість виникла не в результаті впливу зовнішнього поля, а під впливом міжатомних сил в речовині *)). У кожній такій області
знаходяться десятки і сотні мільярдів атомів. Якщо зовн-нього поля немає, то сумарні магнітні моменти (або на-намагніченість) областей розташовані безладно, і тіло не виявляє своїх магнітних властивостей. При примі-щении феромагнетика в поле (рис. 14), магнітні мо-менти областей подібно окремим магнітик устанав-ливаются уздовж силових ліній поля і, складаючись, створюють велику намагніченість. Дослідження поки-зали, що магнітні моменти областей «легше» повернути уздовж силових ліній поля, ніж окремі магнітні моменти атомів.
Вперше припущення про наявність якихось внутрішніх сил, що призводять до мимовільної намагніченості феромагнетиків, висловив в кінці минулого століття рус-ський фізик Б. Л. Розінг. Трохи пізніше, в 1907 році, французьким ученим П. Вейссом (1865-1940) ця ідея була розвинена більш докладно. Вейсс і Розінг нічого не знали про походження внутрішніх сил в ферромагніт-ном речовині, що призводять до мимовільної намагні-ченности. Яка природа цих сил, які змушують атом-ні магнітики без участі стороннього магнітного поля об'єднуватися в області мимовільної намагніченості-сти? З цього питання серед вчених довгий час були великі суперечки. Багато схилялися до того, що це сили чисто магнітного походження. Вони вважали, що атом-ні магнітики взаємодіють один з одним подібно до звичайних магнітів. Теоретичні розрахунки, однак, поки-зали, що магнітні сили не можуть викликати самопроіз-вільного намагнічування. Ці сили настільки малі, що навіть при дуже низьких температурах тепловий дви-ються атомів перешкоджало б утворення стійкості-вих груп паралельних атомних магнітиків (т. Е. Воз-проникненню мимовільної намагніченості), і тіло вело б себе скоріше як парамагнітне, ніж як феро -магнітно.
Радянський учений Я. Г. Дорфман вперше довів, що внутрішні сили, що викликають мимовільне на-магнічіваніе, мають немагнітне походження. У його дослідах проводилося спостереження за відхиленням бета - променів при пропущенні їх через тонкі пластинки намагнічених і ненамагніченого ферромагнетиков.
Бета-промені випромінюються при розпаді радіоактивних еле-ментів, наприклад радію, і являють собою потоки електронів, що летять з дуже великими швидкостями. Такі швидкі електрони здатні проходити між атомами в тонких металевих пластинках. Якби між ато-мами феромагнетика існували сильні магнітні
Намагнічена // анелеЗая плас / пату
Мал. 15. Схема досвіду, що доводить, що мимовільна намагніченість не може бути обумовлена магнітним взаимодейст-Вієм атомів речовини.
Поля, достатні для створення мимовільної намага-ніченний, то вони повинні були б сильно відхилити електрони. Однак на досвіді це не спостерігалося: проходячи через пластинку, бета-промені відхилялися дуже незначну-кові (рис. 15), що говорить про слабкість магнітних полів, створюваних атомними магнітиками.
Після дослідів Дорфман виникла думка шукати пояс-ня природи внутрішніх сил Розинга - Вейсса не в маг-нітних, а в електричному взаємодії сусідніх ато-мов. Ленінградський учений Я. І. Френкель в 1928 р, довів, що мимовільна намагніченість феро-магнетика обумовлена електричними силами, дію-ські між атомними магнітиками. Він показав, що під дією цих сил в феромагнетиках атомні магнітні-тики встановлюються паралельно один одному, і таке їх стан стійко.
Електричні сили в феромагнітних речовинах на-стільки великі, що тепловий рух атомів немає нару-щує паралельного розташування магнітиків. Тільки при порівняно високих температурах, коли тепловий рух атомів стає особливо інтенсивним, ця паралельність порушується. Досліди показали, що якщо на-Гревал якесь феромагнітна тіло, то намагнічений-ність починає падати, спочатку повільно, потім все швидше і швидше і, нарешті, практично зовсім зникає. Це пояснюється тим, що при деякій критичній тим-пературі електричні сили між атомами вже не мо-гут утримати магнітні моменти атомів в паралельному положенні і мимовільна намагніченість зникає.
Мал. 16. При нагріванні цвяха до червоного він втрачає свої феро-магнітні властивості і перестає притягатися до магніту. Поруч - «термомагнітний» двигун.
Тіло стає слабомагнітних (парамагнітним). У цьому можна переконатися на простому досвіді. Залізний цвях при звичайній температурі притягається електро-магнітом. Але якщо його нагріти до червоного, то цвях поті-ряется свої феромагнітні властивості і впаде (рис. 16, а).
Дуже ефектний і інший досвід. Поблизу полюса електромагніту поміщається «магнітна» вертушка, пред-ставлять собою колесо, спиці якого зроблені з ні-келевих дротів (рис. 16, б). Якщо нагрівати спиці, близько розташовані до полюса, то вертушка почне обертатися навколо вертикальної осі. Обертання пояс-вується тим, що спиця, що потрапила в полум'я пальника, швидко нагрівається, втрачає свої феромагнітні властивості і пе-рестаёт притягатися до полюса; її місце, внаслідок тяжіння до полюса, займає більш холодна спиця.
Цей процес весь час повторюється, і тому вертушка починає безперервно обертатися. Ми отримуємо своеобраз-ний двигун. Втім, коефіцієнт корисної дії такого термомагнитного двигуна дуже низький.
Вперше зникнення магнітних властивостей при нагріванні заліза описав ще в 1600 році англійський лікар Вільям Гільберт-перший дослідник магнетизму. Більш як і дрібно це явище було вивчено в 1895 р французьким ученим П'єром Кюрі. Температуру, при якій даний ферромагнетик втрачає свої феромагнітні властивості,
Стали називати температурою Кюрі, або точкою Кюрі.
Для заліза ця температура дорівнює 768 ° С, для нікелю 365 ° С, для кобальту 1150 ° С. Сплав, з-який складається з 30% нікелю і 70% заліза, має точку Кюрі 80 ° С, а елемент гадоліній- 16 ° С; сле-послідовно, при кімнатних темпе-ратура гадолиний знаходиться в парамагнітному стані, і лише при зниженні температури виявляється його феро-магнетизм.
У деяких речовинах електричне взаємодія магнітних моментів атомів призводить до того, що магніт-ні моменти атомів розташовуються антипараллельно ( «анти» означає проти) один одному (рис. 17), т. Е. Метушні-кає антипаралельними мимовільна намагнічений-ність. Це явище отримало назву антіферромагне-тизма.
Антиферомагнетизмом володіють деякі оксиди марганцю, кобальту, хрому і багато інших речовин. Для кожного з цих речовин, подібно феромагнетика, існує своя температура Кюрі, при якій Антипа-паралельно впорядковане розташування магнітних мо-ментів руйнується - тіло з антиферомагнітного со-стояння переходить в парамагнітний.
Мал. 17. Самопроізволь-ве антіпараллельнсе розташування магнітних моментів, що приводить до антиферомагнетизму.
Розглянемо тепер докладніше, як розподіляються області мимовільної намагніченості в ферромаг-нетіке. Як ми вже знаємо, при взаємодії магніти прагнуть повернутися один до одного різнойменними по-
люсамі, так як тоді їх положення буде стійким. Найбільш стійким розташуванням декількох магни-тов буде таке, коли вони утворюють замкнену систему, наприклад, у вигляді чотирикутника (рис. 18, а). Звідси зрозуміло, чому ферромагнетик не може складатися суцільно з однієї області мимовільної намагніченості: та-де стан феромагнетика буде нестійким. Більш стійким воно буде тоді, коли ця мимовільна намагніченість розіб'ється на області, які розта-
Мал. 18. феромагнетика розбивається на області мимовільної намагніченості, які прагнуть розташуватися замкну-тими ланцюжками.
Причини поділу феромагнетика на області само- довільної намагніченості з'ясували радянські фі-зики Л. Д. Ландау і Є. М. Ліфшиць.
Як переконатися на досвіді в існуванні областей са-мопроізвольной намагніченості? Це можна зробити до-вільно простим способом. Кожна область подібна маленькому магніту; тому на кордоні між обла-ня повинні існувати розсіяні магнітні поля (як вони існують у магнітів). Ці поля можна про-назовні, поливаючи поверхню відшліфованого феро-магнетика рідиною, в якій взмучен дуже невеликий залізний порошок. Якщо рідина в'язка, то частинки порошку не більше осідають на дно посудини, а знаходяться в рідині під «підвішеному» стані. Спостерігаючи з мікроскоп по-поверхню феромагнетика, можна бачити, що частинки порошку, затягуючись в місця розсіяних полів, распо-лагаются на поверхні у вигляді правильного візерунка (рис. 19), що нагадує розташування областей намага-ніченний, показане на рис. 18. Такі візерунки наблю-даються на поверхні феромагнетика навіть під час відсутності зовнішнього поля, але вони ніколи не виникають на поверхні неферомагнітних речовин.
Мал. 19. Візерунки магнітного порошку, які спостерігаються на поверхні феро-магнітного кристала кременистого заліза. Магнітний порошок распола-гается по межах областей самопр-довільній намагніченості.
Зміна намагніченості зразка при накладенні зовнішнього поля супроводжується зміщенням ліній візерунка. Кінозйомка фігур при повільно змінюється поле об-назовні раптові зміщення ліній. Цей факт говорить про те, що процес намагнічування відбувається скачка-образно. Стрибкоподібні зміни намагніченості дуже добре можуть бути вивчені в такий спосіб. На рис. 20 показана феромагнітна зволікання, пропускної-щенная крізь котушку. Кінці котушки приєднані до підсилювача і гучномовцю. При повільній зміні зовнішнього магнітного поля поблизу зволікання, наприклад, при повільному обертанні магніту на 180 °, в про-
оболонка відбувається різка зміна в розташуванні від-ділових областей мимовільної намагніченості (перемагничивание). Це викликає появу індукційного-них струмів в котушці, які після посилення дають в гучномовці добре чутні клацання. Якби пе-
Мал. 20. Схема - досвіду, що доводить, що намагнічуючись-ня відбувається стрибкоподібно.
В И познайомилися в цій книжці з тим, що таке маг-нетізм, які його застосування. Щоб наочно пред-ставити собі важливість використання магнітних ма-лов в сучасному житті, уявіть на мить, що феромагнітні ...
У деяких місцях земної кулі магнітна стрілка поводиться ненормально: вона перестає вказувати точно на північ і крім того нахиляється до землі. Магнітні ано-Малії (аномалія - відхилення від норми) відомі ...
У період Другої світової війни дуже велику роль грали магнітні міни, особливо на морському театрі військових дій. Магнітні міни зазвичай скидалися на парашуті з літака в різних місцях моря. Після ...