Ферромагнетики и ферромагнетизм: что это такое, особенности

Дети любят играть с магнитами. Они заметили, что с их помощью можно перемещать небольшие стальные предметы. Интересно то, что это можно сделать удаленно, не прикасаясь к объектам. Итак: булавки, гвозди, скрепки таинственным образом перемещаются по столу, а мы управляем всем с помощью магнита, перенесенного под столешницу.

Также хорошо известно, что рассеянные железные опилки будут лежать около магнита вдоль линии магнитной индукции (рис. 1.).

Железные опилки и магнит
Рис. 1. Магнитное поле вокруг стержневого магнита с изображением железных опилок.

Вы можете подвесить вертикальную “цепочку” к магниту, как показано на фотографии ниже (рис. 2.). Хотя металлические части не прикреплены одна к другой, они держатся вместе. Удался бы такой трюк без присутствия магнита?

Магнит, скрепки и булавка
Рис. 2. Цепочка из двух скрепок разного размера и булавки висит благодаря наличию магнита. Однако это касается только большей скрепки.

В итоге видно, что два магнита могут как притягивать, так и отталкивать друг друга в зависимости от их взаимного расположения.

Эта статья объяснит эти загадки – таинственное поведение магнита и стальных предметов в его окрестностях. Также будет объяснено само явление ферромагнетизма, т.е. очень сильное усиление магнитного поля, например, железом.

Что такое ферромагнетизм?

Давайте начнем с того, что такое ферромагнетизм. Это физическое явление, заключающееся в колоссальном усилении магнитного поля путем помещения в это поле подходящего вещества – ферромагнита. Индукция магнитного поля, создаваемого, например, в электромагните, может быть увеличена в сотни тысяч раз, если в электромагнит поместить подходящий сердечник.

Как объекты, наделенные магнитным моментом, ведут себя в магнитном поле?

Чтобы понять, в чем заключается механизм ферромагнетизма, мы должны сначала ввести понятие магнитного момента.

Вспомните, как устроен двигатель постоянного тока и как он работает. Проще говоря, это рамка с электрическим током, помещенная в однородное магнитное поле (рис. 3a.). Такая рамка, если ее расположить под любым углом, будет вращаться вокруг оси, обозначенной на рисунке.

Силы, действующие на прямоугольную рамку с током, помещенную в магнитное поле
Рис. 3а. Силы, действующие на прямоугольную рамку с электрическим током, помещенную в магнитное поле

Это лучше видно на рис. 3б., когда ось вращения перпендикулярна плоскости рисунка.

Схематическое изображение двух векторов электродинамической силы
Рис. 3б. Схематическое изображение двух векторов электродинамической силы. Каждая сила действует на одну сторону рамки, заставляя ее вращаться в магнитном поле

Рамка повернется в положение, при котором линии магнитной индукции будут перпендикулярны плоскости рамки. Это постоянное положение равновесия рамки. Если бы в системе не было демпфирования, рама колебалась бы вокруг этого положения бесконечно долго.

Оказывается, что любой контур с электрическим током, пока он свободен, вращается в магнитном поле до положения равновесия. Величина момента силы, действующей на такой контур, прямо пропорциональна (помимо прочего) величине площади S, занимаемой контуром, и протекающему в нем электрическому току I. Можно показать, что этот момент силы описывается выражением:

M = μ * B ,

где μ – магнитный дипольный момент, определяемый для контура с электрическим током как: μ = I * S. Вектор S перпендикулярен к поверхности, охватываемой петлей, и по общепринятому мнению, его направление показывает большой палец правой руки, если сложенные пальцы покажут направление электрического тока, протекающего в петле. (рис. 4.).

Дипольный магнитный момент, создаваемый электрическим током силы I, охватывающим область площадью S
Рис. 4. Дипольный магнитный момент, создаваемый электрическим током силы I, охватывающим область площадью S

Другой (помимо рамки с электрическим током в магнитном поле) пример объекта, который вращается в магнитном поле (в данном случае – земном) – это стрелка компаса. Из этого можно сделать вывод, что она наделена магнитным моментом. По-видимому, внутри магнитной стрелки происходит некоторое движение зарядов. Об этом мы расскажем в дальнейшей части данной статьи. Кроме того, важно понимать, что любой объект, наделенный магнитным моментом, сам является источником магнитного поля, причем вектор индукции B направлен так же, как и вектор магнитного момента μ (рис. 5. и 6.).

Круговой контур с током в виде магнитного диполя
Рис. 5. Круговой контур с электрическим током в виде магнитного диполя (объект, наделенный магнитным дипольным моментом)
Линии магнитного поля, создаваемые магнитным диполем
Рис. 6. Линии магнитного поля, создаваемые магнитным диполем, который здесь представлен в виде небольшого магнита. Вектор магнитного момента направлен от S к N полюсу диполя

Теперь мы можем легко показать, что объект с магнитным моментом либо втягивается, либо выталкивается из более сильного поля, в зависимости от ориентации магнитного момента μ относительно вектора индукции внешнего магнитного поля B0. Самый простой способ представить себе это – применить знания об отталкивании однополюсных и притяжении разнополюсных полюсов. Это показано на рис. 7a. и 7b.

Притягивание и отталкивание магнит
Рис. 7. a) Притягивание в более сильное поле (притяжение к магниту). b) Отталкивание в сторону более слабого поля (отталкивание от магнита)

Почему атомы могут иметь ненулевой магнитный момент и, откуда он берется?

Понятие магнитного момента имеет решающее значение для понимания магнетизма различных веществ. Дело в том, что в атомах – основных строительных блоках веществ – мы имеем дело с движением электронов, которое можно рассматривать как своего рода “атомный ток”. Поэтому атом может быть наделен магнитным моментом. Правильное описание атомного магнитного момента может быть найдено только в квантовой физике. Модель атома как петли с электрическим током должна быть для нас достаточной.

Мы представляем себе любое вещество как совокупность магнитных моментов. При отсутствии отсутствии внешнего магнитного поля (B0) магнитные моменты отдельных атомов располагаются произвольным образом – их результирующий (суммарный) магнитный момент равен нулю (рис. 8а.).

Случайное расположение магнитных моментов
Рис. 8a. Случайное расположение магнитных моментов в отсутствие внешнего магнитного поля: B0 = 0
Коррелированное расположение магнитных моментов в присутствии внешнего магнитного поля
Рис. 8b. Коррелированное расположение магнитных моментов в присутствии внешнего магнитного поля. Здесь вектор B0 направлен вправо.

Однако если мы внесем вещество во внешнее ненулевое магнитное поле с индукцией B0, то все будет иначе. Магнитные моменты будут вращаться, чтобы выровняться с вектором индукции B0 – это их равновесное положение (рис. 8b.). Фактором, который значительно усложняет это упорядочение, являются тепловые движения атомов.

Атомы в твердом теле колеблются вокруг своих равновесных положений, сталкиваются с соседними атомами, со свободными электронами. На рис. 6б мы представили описанное явление в преувеличенном варианте. Такое упорядочение магнитных моментов было бы возможно в очень сильном внешнем магнитном поле и при очень низкой температуре. Тем не менее, суммарный магнитный момент всех атомов теперь не будет равен нулю – вещество станет намагниченным, что означает, что оно само станет магнитным диполем. Поэтому он будет реагировать на магнитное поле, так что, например, весь образец может быть втянут в область более сильного поля.

Таков общий механизм намагничивания веществ в случае парамагнетизма и ферромагнетизма.

Если взять, например, образец алюминия и поместить его во внешнее магнитное поле, то значение магнитной индукции увеличится в μr раз. Этот коэффициент называется относительной магнитной проницаемостью вещества. Для алюминия μr с хорошим приближением составляет 1.00002. Из этого следует, что магнитное поле, создаваемое под воздействием внешнего поля в результате “упорядочения” магнитных моментов, пренебрежимо мало. Заметим, что поле B состоит из внешнего поля B0 и поля Bs, генерируемого в веществе. Все эти векторы индукции имеют одинаковое направление и возврат, так что B = B0 + Bs = μr * B0 , следовательно:

Bs = ( μr – 1 ) * B0 = 0, 00002 * B0 .

Такое маленькое магнитное поле будет создано в алюминии (парамагнетике). Однако если взять образец стали, то магнитное поле можно усилить, например, в 10 000 раз. Почему существует такая разница между поведением парамагнита и ферромагнетика? Оказывается, это вопрос температуры. Каждый ферромагнит при нагревании выше определенной температуры, так называемой температуры Кюри, становится парамагнетиком. Типичная температура окружающей среды ниже температуры Кюри стали, но выше температуры Кюри алюминия.

Использованная литература

  1. Иродов И.Е. Электромагнетизм. Основные законы. – 3-е изд. М, Спб.: Лаборатория базовых знаний, 2000. – 352 с.
  2. Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики: Учебное пособие. В 3-х томах. / Под редакцией Г.С. Ландсберга: Т.П. Электричество и магнетизм. – 11-е изд. – М.: Наука, Физматлит, 1995. – 480с.