Лекции (Ляхова) (F_06_magn)

Посмотреть архив целиком

10



Магнитные свойства вещества.


Магнитные свойства материала определяются структурой материала и, в особенности,

1 - спином электрона – направлением его вращения вокруг собственной оси (спиновые свойства). (Класс устройств, характеристики которых зависят от спина и величины магнитного момента, называют спиновой электроникой или спинтроникой.)

2 - параметрами дрейфа носителей заряда (токовые свойства).

Внешнее магнитное поле с напряженностью Но:

1 - вызывает прецессию электрона,

2 - вызывает намагниченность образца Jm = м Н0 (аналогично поляризации диэлектрика),

3 - расщепляет уровень свободного атома на подуровни с различными магнитными квантовыми числами.


Рис. Электроны «спин - вверх» и «спин - вниз».


Магнитные моменты.


Магнитные свойства определяются магнитными моментами, возникающими при вращении электронов вокруг собственной оси (спиновый момент ms) и вокруг ядра (орбитальный момент ml ). Магнитные моменты протонов и нейтронов (ядра) малы по сравнению с параметрами электрона.

Спиновые магнитные моменты спаренных электронов компенсируют друг друга ( Be, C, Mg,...). Постоянным магнитным моментом обладают атомы, у которых

- на внешней орбите находится нечетное число электронов ( H, K, Na, Ag,..),

- есть распаренные электроны ( О ).

Единицей измерения атомных магнитных моментов является магнетон Бора в

в = qе h / ( 2 me ) = 9.27 10-24 Дж/Тл,

где qе - заряд электрона, mе - масса электрона, Тл - тесла - единица измерения индукции.

Теоретически спиновый магнитный момент у атома железа мог бы составлять 5 в, однако, часть электронов покидает атом при образовании кристаллической структуры, поэтому результирующий спиновый магнитный момент атома меньше.


Вещество

Fe

Cr

Mn

Диспрозий (66)

Результирующий для атома спиновый магнитный момент, число в

2.3

0.4

0.5

5


Орбитальный магнитный момент mорб создан движущимся вокруг ядра электроном (т.е. током) и направлен перпендикулярно плоскости орбиты в соответствии с правилом буравчика. Результирующий атомный орбитальный магнитный момент mат зависит от расположения электронных орбит и магнитного квантового числа m.

Результирующий атомный магнитный момент - вектор суммы отдельных спиновых и орбитальных моментов - не равен 0 в отсутствие симметрии структуры. Это постоянный магнитный момент атома Мат.

Результирующий магнитный момент образца Мобр складывается из векторов атомных магнитных моментов. Большая величина Мат обусловливает тенденцию к их взаимному ориентированию в пределах нанокластера, домена или в образце в целом и, в результате, не только к большому Мобр , но и к появлению дополнительной энергии обменного взаимодействия. В отсутствие внешнего магнитного поля, Но = 0, тепловое движение мешает упорядочиванию магнитных моментов. Двух - трех атомов железа недостаточно для формирования устойчивого нанокластера, так как результирующая намагниченность может быть меньше тепловой энергии. Т.о. формируется критерий минимальной энергии образования магнитного нанокластера. С учетом влияния поверхности раздела, дефектов и анизотропии структуры минимальный размер кластера однородного намагничивания составляет 1 нм для нормальной температуры. Максимальная величина кластера определяется по критерию минимума энергии.

Магнитные нанокластеры широко встречаются в природе. Они помогают живым организмам (от бактерий до китов) ориентироваться в пространстве по магнитным силовым линиям Земли (чувствительность к изменению напряженности магнитного поля порядка 0,1%). Даже в микроорганизмах имеются «магнитосомы». Существенно, что в биоорганизмах создаются шестигранные кристаллы магнетита без дефектов - в отличие от неживой природы, где магнетит формируется при высоких температуре, давлении и при наличии дефектов.

Прецессия электрона.


Если ось орбитального вращения электрона не совпадает с направлением вектора Но, появляется дополнительное движение – вращение орбиты электрона (Iорб) вокруг направления вектора Но - прецессия. Угловая частота прецессии (частота Лармора):

L = (qe / 2 me ) o Ho .

Прецессия происходит под углом к оси (угол прецессии)

Ho

Iорб





m


Рис. Схема прецессии электрона во внешнем магнитном поле.


Дополнительное движение электрона вызывает дополнительный ток и, следовательно, индуцирует магнитный момент m , направленный противоположно вектору Но. В итоге результирующее магнитное поле Н и магнитная индукция В становятся меньше. Этот эффект называется диамагнетизмом. Он имеет место в любом веществе, но проявляется там, где отсутствуют другие, более сильные магнитные эффекты.





Степени намагниченности.

Результирующая магнитная индукция В включает внешнее поле Во и внутреннее поле Вi. Последнее зависит от наличия постоянного магнитного момента вещества:

В = Вo + Вi , Bо = о Hо , Вi = o Jm = о м Ho ,

где м - магнитная восприимчивость (характеризует способность вещества намагничиваться), Jm - намагниченность,

В = о ( 1 + м ) Но = о Но ,

где - относительная магнитная проницаемость вещества ( = 1 + м ).

Разнообразие структур вещества приводит к разнообразию магнитных свойств. Вещества с м < 0 и < 1 называются диамагнетиками. Вещества с м > 0 называют парамагнетиками , если > 1 , и ферромагнетиками, если >> 1 .


Диамагнетик Н0


Парамагнетик



Ферромагнетик



Антиферромагнетик





Ферримагнетик



Рис. Схематическое изображение постоянных магнитных моментов атомов различных видов магнетиков.


К диамагнетикам относятся вещества с заполненными электронными оболочками: инертные газы, некоторые полупроводники и металлы.

Вещество

Ge

Si

Bi

м

- 0.8 10-5

- 0.3 10-5

- 1.8 10-5

Диамагнетики при нормальной температуре ослабляют внешнее магнитное поле. Это, наряду с затратой энергии на переориентации элементов вещества, эквивалентно рассеиванию энергии на магнитном сопротивлении Rм .

Rм = Σi=1....n ( li / ( o i Si )),

гGroup 45де l - длина тракта (части детали), S - площадь поперечного сечения. Для сложного магнитного тракта, в том числе из пара- и ферромагнетиков, расчет сопротивления производится по правилам Кирхгоффа.












Рис. Жидкий кислород проявляет свои хотя и слабые, но магнитные (парамагнитные) свойства в поле постоянного магнита.


В человеческом организме формируется множество магнитных моментов, поэтому у человека есть свой результирующий магнитный момент, называемый иногда «магнитным весом». У разных людей «магнитные веса» различаются меньше, чем физические. Это используется для создания устройств контроля доступа. С помощью колец Гельмгольца в ограниченном пространстве с двумя дверями создается магнитное поле напряженностью 10-7 – 10-8 Тл. Система автоматического открывания дверей, ориентируясь на «магнитный вес» одного человека, разрешает доступ. При большем «магнитном весе» - доступ закрывается.


Эффект Мейснера.


Идеальным диамагнетиком является сверхпроводник – в нем внутреннее магнитное поле равно нулю. Это явление известно как эффект Мейснера.

сопротивления возникнет сильный вихревой ток Iвихр . Он является причиной возникновения вихревого магнитного поля Н вихр, направленного против внешнего поля Но. В свою очередь, поле Нвихр создает индуцированный ток Iинд, направленный против вихревого тока Iвихр . В результате магнитные поля Но и Нвихр, а также токи Iвихр и Iинд будут взаимно скомпенсированы (амплитуды токов практически равны из-за отсутствия сопротивления). Поле Н будет сосредоточено в тонком приповерхностном (скин) слое толщиной d, где протекает поверхностный ток

Iпов = Ho / d.

(Глубина, на которой плотность тока уменьшается в е раз, называется скин-слоем.


Толщина скин-слоя d: __________

d = ( ( ) ,

где - круговая частота, - относительная магнитная проницаемость.)

Магнитное поле убывает экспоненциально вглубь проводника:

Н (x) = Нo еxp(-х/d) .

По мере увеличения напряженности Но растет поверхностный ток Iпов , который увеличивает энергию электронов куперовской пары. Если эта энергия станет больше энергии связи куперовской пары, то она разрушится. Сверхпроводящее состояние исчезнет.

Поскольку Но = Нвихр , Во = Вi , внутри сверхпроводника индукция В = 0 и проницаемость = 0 . Именно поэтому сверхпроводник и называют идеальным диамагнетиком.

Эффект левитации.


Левитация – это эффект парения в свободном пространстве. Эффект левитации создается магнитной системой Fm, противодействующей силе тяжести Mg - создается так называемая «магнитная подушка». Включается электромагнит - магнитный объект отталкивается от него.


Рис. Схема электромагнитной левитации.


Для левитации сверхпроводников используется эффект Мейснера. Охлаждение ниже критической для сверхпроводников температуры создает условия фазового перехода из пара- или ферромагнитного состояния - в диамагнитное. В результате появляется сила отталкивания между диамагнитным объектом и постоянным магнитом.



Рис. Левитация сверхпроводника (эффект Мейснера).


Эффект магнитной левитации используется в двигателях с целью уменьшения трения, а также для транспортирования ферромагнитных объектов: магнитных деталей или держателей. Малоразмерные объекты не требуют катушек индуктивности с большими токами в обмотках в отличие от макрообъектов. Именно большие токи и, следовательно, большие потери делают рациональным использование сверхпроводников для мощных магнитных систем.

Электронный парамагнитный резонанс.


Парамагнетики обладают небольшим постоянным магнитным моментом атомов. Они мало увеличивают магнитную индукцию образца. Магнитное взаимодействие между атомами парамагнетика пренебрежимо мало, поэтому характерный для уединенного атома эффект расщепления энергетического уровня в магнитном поле на ряд подуровней не искажается. Подуровни различаются магнитными квантовыми числами. Расстояние между подуровнями:

E = g в о Hо , где g - множитель Ланде.

ml

3/2

g в о Hо

Исходный уровень

1/2

g в о Hо

- 1/2

g в о Hо

-3/2


Рис. Схема разделения уровня энергии свободного атома на подуровни в магнитном поле.


Переход на более высокий энергетический уровень может вызвать поглощение энергии электромагнитного поля, квант энергии которого:

h = g в о Hо.

Т.е. происходит резонансное (интенсивное) поглощение энергии электромагнитного поля на частоте, кратной . Этот эффект называют электронным парамагнитным резонансом (ЭПР).

ЭПР используется для создания парамагнитных усилителей и генераторов, для исследования электронного состояния твердых тел, биологических объектов, химических (технологических) процессов в режиме реального времени.

Рис. Схема спектрометра ЭПР: 1 - микроволновый генератор, 2 – волновод, 3 - резонатор, 4 - магнит, 5 - детектор, 6 - усилитель, 7 – регистрирующее устройство.


Парамагнетики

О (жидкий)

Pt

Al

м

+ 3.46 10-3

+ 2.93 10-4

+ 2.14 10-5


Ферромагнетики.


У ферромагнетиков большой постоянный атомный магнитный момент и собственное магнитное поле превышает внешнее: >> 1. В пределах домена магнитные моменты ориентированы параллельно, в отличие от антиферромагнетиков с антипараллельным упорядочиванием и ферримагнетиков с различной величиной антипараллельных магнитных моментов. В кристалле совмещены 2 кристаллические подрешетки, намагниченные противоположно.

Ферримагнетики (больше известные как ферриты) близки по своим свойствам к ферромагнетикам, обладая постоянным магнитным моментом за счет одной из подрешеток, но имеют высокое электрическое сопротивление. Благодаря этому существенно снижаются потери на вихревые токи. Состав ферритов: Me O Fe2 O3 , где Ме О - двухвалентный ион металла Mg, Ni, Co, Mn, Cu ... Используются ферриты для сердечников катушек индуктивности, невзаимных СВЧ устройств, в качестве поглотителей (в том числе и безэховых камер).

Степень взаимной ориентированности постоянных магнитных моментов существенно зависит от температуры. Чем выше температура, тем более хаотичным становится их расположение. При температуре (ферромагнитной точке) Кюри К происходит фазовый переход. Изменяется структура кристаллической решетки и, как следствие, изменяются многие физические свойства. Ферромагнитные свойства утрачиваются - вещество становится парамагнетиком. Этот эффект используется при термомагнитной записи (лазерное нагревание и перемагничивание) и экстренном уничтожении информации на магнитном диске. Для нанокластеров и аморфных сплавов температура Кюри ниже и менее точно определена.

Таблица

Ферромагнетик

Fe

Сталь

Co

Ni

Пермалой

max

1.000

3.000-8.000

240

150

300.000

К , С

770


1150

360

70


Влияние нагревания иллюстрирует так называемый «магнитотепловой» привод.

Рис. Схема функционирования «магнитотеплового» привода


Небольшой магнитик подвешен над свечой как маятник. Он притягивается большим магнитом. Как только температура магнитика перейдет точку Кюри, магнитик потеряет ферромагнитные свойства. Маятник оттянет его от большого магнита. Остыв, магнитик вновь притянется к большому магниту. Таким образом, формируется периодическое движение маятника – основа магнитотеплового привода. Внешнее магнитное поле переориентирует все большее число магнитных моментов по мере увеличения напряженности. Относительная магнитная проницаемость оценивает способность вещества намагничиваться: = о ( dB / d H ), о = 4 10-7 [Гн/м]. Доменная структура ферромагнетиков предопределяет петлю гистерезиса в зависимости В(Н). Наличие индукции насыщения говорит о том, что при большой напряженности магнитного поля Н проницаемость уменьшается.


Случайные файлы

Файл
18379-1.rtf
73788.rtf
3414-1.rtf
posobie.doc
115059.rtf