Намагниченность. Гиромагнитный эффект и магнитный резонанс

Многие вещества способны оказывать существенное влияние на магнитное поле. Особенно сильно влияют тела ферромагнитные – подобные железу по своим магнитным свойствам,также они могут являться и самостоятельным источником магнитного поля(аналогично сегнето-электрикам).

Как и в случае диэлектриков, можно считать, что влияние вещества сводится только к появлению дополнительного поля, в данном случае магнитного поля, обусловленного наличием момента у частиц, входящих в состав вещества.

Природа магнитной поляризации

Магнитный момент или электрокинетический момент (К = рм) является такой же основной характеристикой частицы, как и механический момент рφ (момент импульса). Эти две кинетические величины дополняют скалярные характеристики частицы: ее заряд q и массу m.

Естественно, что орбитальное движение электрона сопряжено с существованием магнитного момента. Действительно, движение электрона по орбите подобно контуру тока. Однако механическим и магнитным моментом обладают и сами частицы – этот момент, соответствующий как бы вращению частиц вокруг собственной оси, называют спином или спиновым моментом (от английского spin — вращение). Опыт Эйнштейна-де Гааза и прочие опыты с гиромагнитными эффектами подтверждает представление об электрокинетической природе моментов вещества. Эти опыты также показывают, что в случае ферромагнетиков основную роль играют спиновые моменты.

Гиромагнитные эффекты основываются на том, что при повороте магнитного момента под воздействием магнитного поля одновременно поворачивается и момент механический (момент импульса). Поэтому, например, в опыте Эйнштейна де Гааза при намагничивании образца изменение момента частиц компенсируется поворотом всего образца (в соответствии с законом сохранения момента импульса).

Очень интересным гиромагнитным эффектом является магнитный резонанс. Этот эффект находит ряд практических применений. Для того, чтобы понять этот эффект, следует ясно представить себе прецесионное движение волчка или гироскопа, которое в отсутствии трения происходит в соответствии с законом: скорость изменения момента импульса равна вращающему моменту:

Магнитный резонанс формула

Представим себе теперь в магнитном поле В0 (рисунок ниже) частицу с магнитным моментом рм и с механическим моментом рφ. Момент рм ориентирован по полю (как стрелка компаса), а момент рφ – в противоположную сторону, если момент создается частицей с отрицательным электрическим зарядом (электрон). Такая ориентация соответствует состоянию равновесия. Пусть теперь возникло добавочное поле +ΔВ, перпендикулярное В0; тогда изменяется направление равновесия (новое направление В0 +ΔВ = В1) на частицу действует вращающий момент Т = [pмВ1].

Вместо того, чтобы приблизить pм к направлению В1, этот момент поворачивает ось частицы по нормали к pмВ1. В результате ось частицы начинает описывать конус вокруг В1 (рисунок выше). Благодаря наличию трения конец вектора pм движется не по окружности, а по спирали и направление pм и В1 постепенно сближаются. Но если в момент наибольшего удаления вектора pм  от направления В0 изменить знак дополнительного поля ΔВ, то направление равновесия изменится, оказываясь равным В2 = В0 – ΔВ. Вектор pм   теперь будет описывать новый конус вокруг нового направления равновесия.

Если изменение поля происходит именно с такой частотой, то удается сильно раскрутить частицы. Описанное явление и носит название гиромагнитного резонанса. Оно приводит к многим интересным эффектам, например к появлению пульсирующего магнитного момента в направлении перпендикулярном к плоскости В0, ±ΔВ.

Резонансная частота ω0 и постоянное магнитное поле В0 связаны между собой уравнением (в Гауссовой системе):

Связь между резонансной частотой и постоянным полем в Гауссовой системе

Где e/m – отношение заряда электрона к его массе.

Намагниченность

Мерой магнитного состояния вещества служит намагниченность М, которая определяется как плотность магнитного момента Кили как магнитный момент, отнесенный к единице объема:

Намагниченность формула

Намагниченность измеряется в амперах на сантиметр (А/см).

Определение намагниченности подобно определению электрической поляризованности. Как и в случае электрического поля, смысл перехода к пределу в формуле (3) носит условный характер.

Намагничение ферромагнетиков (ферромагнитных тел) отличается рядом существенных особенностей. Они вызваны прежде всего тем, что даже при условии отсутствия внешнего поля и при отсутствии средней намагниченности ферромагнитные тела состоят из ряда маленьких областей, внутри которых неуравновешенные спиновые моменты соседних атомов ориентированы параллельно. Эти области оказываются самопроизвольно (спонтанно) намагниченными. В каждой из этих областей намагниченность близка к предельно возможной, или, как говорят, к намагниченности насыщения Мв (равной примерно 16000 А/см).

В соседних областях намагниченность может быть ориентирована по-разному (рисунок ниже).

Постепенное изменение ориентации спинов при переходе из одной области в другую

На рисунке показано постепенное изменение ориентации спинов при переходе из одной области в другую, при том, что в соседних областях спины ориентированы прямопротивоположно. Для представления о порядке величин скажем, что по ширине области одинаковой  намагниченности может располагаться несколько миллионов атомов, а в пограничной зоне располагается в ряд около тысячи атомов. Считаясь с фактором существования таких областей, среднюю намагниченность в объеме V удобно представлять равенством:

Средняя намагниченность в определенном объеме

Где Vi – объем i-й области, в которой намагниченность имеет значение Мi. Мср = 0 в размагниченном ферромагнетике, при том, что в каждой из областей:

Намагниченность в каждой из областей

Под влиянием внешнего поля средняя намагниченность ферромагнетика возрастает, в простейшем случае изотропного тела она оказывается направленной параллельно внешнему полю.

При намагничении ферромагнетика могут наблюдаться три разных процесса.

Первый процесс – это процесс смещения границ между соседними областями, приводящий к росту объема областей, имеющих слагающую намагниченность, ориентированную по полю. В результате этого процесса растет Мср за счет перераспределения объемов Vi.

Второй процесс называют процессом вращения, он заключается в поворачивании векторов самопроизвольной намагниченности, приближающем их направление к направлению внешнего поля.

Третий процесс заключается в незначительном увеличении магнитного момента внутри областей под влиянием внешнего поля.

На рисунке ниже схематически показаны процессы смещения границ и процессы вращения, В0индукция внешнего поля.

Схематически показаны процессы смещения границ и процессы вращения

Существование областей самопроизвольной намагниченности обнаруживается экспериментальным путем посредством образования порошковых узоров (фигур) на границах областей – выходящее за пределы тела неоднородное поле создает силы, притягивающие мелкие частицы ферромагнитного порошка.

На рисунке ниже приведены фотографии порошковых фигур.

 Последовательное фотографирование при изменении внешнего поля позволяет кинематографически  наблюдать движение границ между областями при намагничении тела.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *