Электричество и магнетизм

Магнитные свойства вещества

В 1820 г. датский физик Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, помещенная вблизи проводника с током, отклоняется. Электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Французский физик Ампер предположил, что внутри молекул вещества текут замкнутые кольцевые токи, которые и определяют магнитные свойства вещества. Лишь через много десятилетий ученые смогли убедиться в правоте Ампера - ведь он высказал эту блестящую гипотезу в то время, когда еще ничего не было известно о строении атома и существовании электронов.

Ток создается движением электрических зарядов, значит, и движущиеся по орбитам вокруг ядра в атоме электроны представляют собой кольцевые микротоки и они должны создавать вокруг себя магнитное поле. Каждый вращающийся вокруг ядра атома электрон является элементарным магнитиком. Для характеристики этого магнитика введено понятие магнитного момента. Магнитный момент электрона, движущегося по орбите, перпендикулярен плоскости орбиты. Обычная магнитная стрелка или катушка с током тоже обладает магнитным моментом. Если тело, обладающее магнитным моментом, свободно, оно будет поворачиваться во внешнем магнитном поле до тех пор, пока его магнитный момент не совпадет с направлением напряженности этого поля. Сила, с которой внешнее магнитное поле (например, магнитное поле Земли) стремится повернуть стрелку или какое-либо другое магнитное тело, зависит не только от напряженности внешнего поля, но и от размера и направления магнитного момента тела. Таким образом, магнитный момент является мерой взаимодействия магнитной стрелки (или вообще любого магнита, или катушки с током) с внешним магнитным полем.

При изучении магнитных свойств различных веществ внешнее поле обычно создают с помощью электромагнита. Электромагнит очень удобен для физических экспериментов. Регулируя силу тока в его обмотках, можно создавать постоянные магнитные поля различной напряженности. Подключив к обмоткам источник переменного тока, можно создавать переменные магнитные поля: синусоидальные, импульсные и др.

Кроме движения по орбите электрон вращается вокруг своей оси, подобно волчку. Это движение называют спином электрона. Вращающийся вокруг своей оси электрон также создает магнитное поле, магнитный момент которого направлен вдоль оси вращения. В отличие от орбитального магнитного момента этот момент называется спиновым. Спиновые магнитные моменты двух электронов, один из которых вращается по часовой стрелке, а другой против часовой стрелки, направлены в противопо ложные стороны, или, как говорят, антипараллельны (рис. 1).

Конечно, сравнение электрона с вращающимся волчком довольно приблизительное. Строгое объяснение спина возможно лишь на языке квантовой механики. Ядро атома состоит из протонов и нейтронов, которые также создают вокруг себя магнитные поля. Правда, спиновые магнитные моменты протона и нейтрона примерно в 2000 раз меньше, чем у электрона, поэтому магнитные свойства атома в целом определяются в основном свойствами его электронной оболочки. Так как все атомы состоят из частиц, обладающих магнитными моментами, то немагнитных веществ вообще не существует в природе. Просто эти свойства проявляются у разных веществ по-разному. Магнитный момент - это вектор, он обладает не только длиной, но и направлением. Сумма двух векторов, одинаковых по длине и антипараллельных, равна нулю.

Есть вещества, у которых сумма всех орбитальных и спиновых магнитных моментов каждого атома равна нулю. Такие вещества называются диамагнетиками. Например, в атоме гелия вокруг ядра вращаются два электрона, причем их магнитные моменты компенсируют друг друга, и общий магнитный момент атома равен нулю. Диамагнетизм обнаружил в 1845 г. Майкл Фарадей. В диамагнетике, помещенном во внешнее магнитное поле, возникает внутреннее магнитное поле, противоположное внешнему, поэтому диамагнетик выталкивается из магнитного поля. Стержень из диамагнитного вещества устанавливается не вдоль силовых линий магнитного поля, как обычная магнитная стрелка, а перпендикулярно к силовым линиям. Диамагнетиками являются медь, серебро, золото, цинк, ртуть, свинец, вода, инертные газы и другие вещества.

Диамагнетизм - следствие открытого Фарадеем закона электромагнитной индукции. Индукционные токи в веществе всегда имеют такое направление, что противодействуют вызывающей их причине (это правило называют правилом Ленца, по имени сформулировавшего его петербургского академика Ленца).

При внесении любого вещества в магнитное поле это поле стремится повернуть электронные орбиты в атомах так, чтобы орбитальный магнитный момент каждого электрона был направлен по полю, т. е. чтобы плоскости электронных орбит стали перпендикулярны силовым линиям магнитного поля. В результате воздействия внешнего поля на орбитальное движение электронов в атомах накладывается дополнительное движение. А раз есть дополнительное движение, значит, есть и дополнительный магнитный момент. Этот дополнительный магнитный момент, согласно правилу Ленца, всегда направлен против внешнего магнитного поля.

Электроны есть в атомах любых веществ, поэтому диамагнетизм присущ всем без исключения веществам. Однако проявляется он только у диамагнетиков, т. е. у веществ, суммарный магнитный момент атома которых равен нулю. У всех остальных веществ диамагнетизм незаметен, так как он перекрывается значительно более сильным парамагнетизмом. У парамагнетиков суммарный магнитный момент каждого атома отличен от нуля, атомы парамагнетиков подобны миниатюрным магнитикам. При отсутствии внешнего магнитного поля ориентация этих магнитиков случайна (рис. 2, а), поэтому парамагнитное тело само по себе не является магнитом. Но во внешнем магнитном поле магнитные моменты атомов стремятся установиться вдоль силовых линий поля подобно магнитным стрелкам (рис. 2, б). Поэтому парамагнитное тело намагничивается не против поля, как диамагнетик, а по полю (рис. 2, в).

Хаотические тепловые колебания атомов стремятся нарушить этот порядок. При понижении температуры и увеличении напряженности внешнего поля все большее число атомов ориентируется вдоль силовых линий, пока не наступит насыщение - все магнитные моменты атомов будут направлены строго вдоль силовых линий внешнего поля. К парамагнетикам относятся магний, кальций, хром, алюминий, марганец, молибден, платина и др. Все это слабомагнитные вещества.

Сильномагнитные вещества получили название ферромагнетиков. Из химических элементов ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, гадолиний, а при очень низких температурах также эрбий, диспрозий и другие редкоземельные металлы. Кроме того, существует множество сплавов и соединений с ферромагнитными свойствами. Есть даже ферромагнитные сплавы, состоящие из неферромагнитных элементов. Все известные в настоящее время ферромагнитные тела кристаллические.

Ферромагнетизм, как и парамагнетизм, обусловлен магнитными моментами электронов в атомах. Но в парамагнетике магнитное взаимодействие между соседними атомами слабое, поэтому при отсутствии внешнего поля магнитные моменты атомов имеют всевозможные направления. В ферромагнетиках же благодаря особому строению электронных оболочек их атомов соседние атомы сильно влияют друг на друга, и в результате их взаимодействия спиновые магнитные моменты в атомах устанавливаются параллельно друг другу. То, что ферромагнетизм обусловлен в основном не орбитальными, а именно спиновыми магнитными моментами электронов, доказали в 1915 г. с помощью очень остроумного эксперимента А. Эйнштейн "и В. де Гааз.

Кусок железа или другого ферромагнитного вещества самопроизвольно разбивается на отдельные маленькие намагниченные области - домены. Внутри каждого домена все спиновые магнитные моменты параллельны друг другу, поэтому каждый домен является маленьким магнитиком. Домены можно увидеть. Если ферромагнитный кристалл с хорошо отполированной поверхностью поместить в жидкость со взвешенными в ней частичками мелкого ферромагнитного порошка, то порошок не осядет на полированную поверхность кристалла равномерно, а образует так называемые порошковые фигуры, повторяющие расположение доменов.

Кусок железа состоит из большого числа доменов, которые при отсутствии внешнего магнитного поля ориентированы по-разному, поэтому при отсутствии внешнего поля железо немагнитно. При наложении поля домены, направление намагниченности которых близко к направлению силовых линий поля, начинают расти, а размеры доменов, намагниченных против внешнего поля, уменьшаются, и, наконец, эти домены совсем исчезают. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля домены, направление которых было близко к направлению внешнего поля, поворачиваются и устанавливаются точно вдоль силовых линий внешнего поля. Наступает насыщение - при дальнейшем увеличении напряженности внешнего поля намагниченность ферромагнетика почти не растет.

Если теперь уменьшить напряженность внешнего поля до нуля, то ориентация доменов нарушится лишь частично, поэтому намагниченность ферромагнетика уменьшается, но не до нуля. Чтобы уничтожить остаточную намагниченность образца, нужно приложить внешнее поле противоположного направления. Напряженность поля, при которой остаточная намагниченность становится равной нулю, называется коэрцитивной силой. Если увеличивать обратное поле, то наш образец намагнитится в противоположном направлении до насыщения. При возврате к начальному направлению поля зависимость намагниченности образца от напряженности внешнего поля опишет петлю, называемую петлей гистерезиса (рис. 3).

Материалы с большой коэрцитивной силой размагнитить трудно. Такие материалы имеют широкую петлю гистерезиса и называются магнитожесткими. Из них изготовляют постоянные магниты. Материалы с малой коэрцитивной силой и узкой петлей гистерезиса называют магнитомягкими. Из магнито-мягких материалов изготовляют сердечники трансформаторов, статоры и роторы электромоторов и генераторов электрического тока.

Теперь вам не трудно будет ответить на вопрос: "Почему магнит притягивает кусок ненамагниченного железа?" Оказавшись в магнитном поле, железо намагничивается: на ближайшем к южному полюсу магнита конце железного куска возникает северный полюс, а на дальнем - южный. Разноименные магнитные полюсы притягиваются (а одноименные отталкиваются), причем сила притяжения (или отталкивания) по закону Кулона обратно пропорциональна квадрату расстояния между полюсами. Так как разноименные полюсы расположены ближе друг к другу, чем одноименные, сила притяжения превосходит силу отталкивания.

Для каждого ферромагнетика существует температура (называемая точкой Кюри), выше которой его ферромагнитные свойства исчезают, так как параллельная ориентация спиновых магнитных моментов нарушается под действием интенсивных тепловых колебаний атомов в узлах кристаллической решетки. Для железа точка Кюри равна 768° С, для никеля 358° С, для кобальта 1120° С, а для гадолиния 17° С. При температуре выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком.

Отметим еще, что при наложении магнитного поля ферромагнитный образец чуть-чуть изменяет свои размеры - это явление называется магнитострикцией. Если внешнее магнитное поле изменять с определенной частотой, то и размеры образца будут колебаться с той же частотой. Это явление напоминает колебания пьезоэлектрической пластинки в переменном электрическом поле (см. ст. "Звук") и используется в тех же целях - для генерации ультразвука.

В твердых телах атомы расположены близко друг к другу, поэтому магнитные свойства тел зависят не только от магнитных свойств отдельных атомов, но и от взаимодействия атомов друг с другом. В ферромагнетиках это взаимодействие приводит к параллельной ориентации спиновых магнитных моментов. Но есть вещества, в которых спиновые магнитные моменты ориентируются антипараллельно (рис. 4). Такие вещества называются антиферромагнетиками.

Антиферромагнетик не обладает магнитным моментом, так как спиновые магнитные моменты всех электронов в нем скомпенсированы, т. е. дают в сумме нуль. Эта упорядоченная ориентация спиновых магнитных моментов разрушается при высоких температурах, поэтому каждый антиферромагнетик, как и ферромагнетики, имеет антиферромагнитную точку Кюри (ее называют еще точкой Нееля), выше которой антиферромагнетик превращается в парамагнетик.

Антиферромагнетиками являются окись хрома Сr₂О₃, соединения марганца с кислородом МnO₂, селеном MnSe, теллуром МnТе, мышьяком MnAs и многие другие вещества. Кристаллическая решетка антиферромагнетика как бы состоит из двух подрешеток, намагниченных в одинаковой степени, но в противоположных направлениях (рис. 5, о). Поэтому суммарная намагниченность равна нулю. Однако существуют соединения, кристаллическая решетка которых также состоит из двух подрешеток, но с различной по величине намагниченностью (рис. 5, б). Магнитные свойства таких веществ, называемых ферримагнетиками, похожи на свойства ферромагнетиков.

К классу ферримагнетико,в относятся ферриты, т. е. химические соединения окиси железа Fe₂О₃ с окислами других металлов - никеля, кобальта, магния, меди, марганца и др. Ферриты сочетают в себе свойства ферромагнетиков и полупроводников, что позволяет применять их на высоких и сверхвысоких частотах. Если бы сердечник обычного трансформатора был изготовлен из цельного куска железа, значительная часть электрической мощности бесполезно расходовалась бы на нагрев сердечника вихревыми токами Фуко, которые по закону электромагнитной индукции возбуждаются в металле сердечника при изменении силы электрического тока в обмотках трансформаторов. Поэтому сердечники обычных трансформаторов набирают из изолированных друг от друга стальных пластин, для того чтобы пресечь путь токам Фуко и снизить

потери электроэнергии. Но на высоких частотах потери на токи Фуко даже в тонких стальных пластинках велики, поэтому для сердечников высокочастотных трансформаторов нужны ферромагнитные материалы с большим электрическим сопротивлением. Такими материалами и являются ферриты, сопротивление которых в миллионы раз больше, чем у металлических ферромагнетиков. А чем больше сопротивление материала сердечника, тем меньше сила токов Фуко. Промышленность выпускает много марок ферритов с различными свойствами и составом.

Вы познакомились с различными типами магнитных материалов, многие из которых широко применяются в науке и технике. Сердечники трансформаторов и электромагнитов; постоянные магниты во всевозможной электроизмерительной аппаратуре; тонкие ферромагнитные пленки для записи и хранения информации; магнитострикционные излучатели и приемники ультразвука... Существуют методы магнитной дефектоскопии, основанные на изучении особенностей намагничивания тел, обладающих внутренними дефектами; методы магнитной разведки для поисков железных руд...

С помощью магнитных полей фокусируют потоки заряженных частиц - от потока электронов в электронно-лучевых трубках телевизоров и осциллографов до потока протонов в одном из крупнейших в мире ускорителей - Серпуховском синхрофазотроне, основой которого служит кольцевой электромагнит длиной 1,5 км, массой более 20 000 т.

Ферритовые кольца широко применяются в запоминающих устройствах современных вычислительных машин. Простейшим элементом памяти служит ферритовое колечко с несколькими обмотками. Если пропустить импульс электрического тока по одной из обмоток, колечко намагнитится в определенном направлении и останется намагниченным и после прекращения тока, т. е. запомнит импульс. Импульс обратной полярности намагнитит ферритовое колечко в противоположном направлении. Значит, колечко может запоминать одно из двух состояний, что обеспечивает возможность записи чисел в двоичной системе счисления. Считывание записанной информации осуществляется с помощью других обмоток того же колечка. Запоминающее устройство вычислительной машины состоит из десятков тысяч таких колечек, обмотки которых соединены друг с другом и с другими узлами машины.

Применение находят не только ферромагнетики и ферриты. Диамагнитные свойства плазмы используются для удержания плазмы в магнитных ловушках. Как диамагнитное вещество, плазма выталкивается из магнитного поля и не может выйти из области, окруженной со всех сторон сильным магнитным полем (см. ст. "Плазма и термоядерный синтез").

Большое научное и практическое значение имеет изучение электронного парамагнитного резонанса (или просто ЭПР), т. е. избирательного поглощения электромагнитных волн определенной частоты в парамагнитном веществе, находящемся в магнитном поле. Явление ЭПР было открыто в 1944 г. советским физиком Е. К. Завойским. Частота поглощаемых волн зависит от напряженности внешнего магнитного поля и состава исследуемого вещества и обычно лежит в пределах 1-100 ГГц (10⁹-10¹¹ Гц), т. е. в диапазоне сверхвысоких частот. Исследование спектров ЭПР является одним из методов радиоспектроскопии (см. ст. "Радиофизика"). Метод этот очень чувствителен, он позволяет обнаружить некоторые химические соединения, если на каждые 100 млрд. молекул основного вещества приходится хотя бы одна молекула этих соединений.

Поглощение электромагнитных волн при ЭПР вызывается расщеплением энергетических уровней атомов во внешнем магнитном поле на магнитные подуровни, т. е. эффектом Зеемана. Поглощение носит квантовый характер, т. е. поглощаются кванты электромагнитного излучения, энергия (а значит, и частота) которых соответствует разнице энергий между магнитными подуровнями атомов. Поглотив квант электромагнитного излучения, атом переходит с нижнего магнитного подуровня на верхний.

Американский физик Н. Бломберген предложил использовать диамагнитные кристаллы с примесью парамагнитных ионов для создания квантовых парамагнитных усилителей радиосигналов, или мазеров. Большинство современных квантовых усилителей диапазона сверхвысоких частот изготовлено из рубина, т. е. диамагнитного кристалла корунда Аl₂О₃ с примесью парамагнитных ионов хрома. В этих кристаллах удается создать инверсную населенность магнитных подуровней, т. е. перевести большую часть ионов хрома на магнитные подуровни с более высокой энергией. При прохождении через такой кристалл радиосигнала с частотой, соответствующей энергии перехода между магнитными подуровнями, ионы хрома переходят с верхнего магнитного подуровня на нижний, а выделяющаяся при этом энергия приводит к усилению радиосигнала.

Изменяя напряженность внешнего магнитного поля, можно менять расстояние между магнитными подуровнями, т. е. настраивать квантовый усилитель на нужную частоту. Инверсную населенность магнитных подуровней в кристаллах рубина удается создать лишь при очень низких температурах. Обычно кристалл помещают в криостат, т. е. в сосуд с жидким гелием, где рубин охлаждается до температуры 4,2 К. Квантовые парамагнитные усилители по чувствительности не имеют себе равных. Они широко используются в дальней космической связи и радиоастрономии.

Подошло к концу наше путешествие в удивительный мир твердых тел. Многие его загадки уже решены, свойства твердых тел широко используются в науке и технике. Но мир твердых тел таит в себе еще много загадок, много новых возможностей.