Общий курс физики Том 3. Электричество - Сивухин Д.В.
Скачать (прямая ссылка):
Явление экспериментально наблюдалось Барнетом в 1914 г. Для того чтобы составить представление о масштабе явления, допустим, что гиромагнитное отношение связано с орбитальным движением электронов [Г = —е/(2тс)], и предположим, что скорость вращения составляет 100 оборотов в секунду (со = 2я ¦ 100 рад/с). Тогда
Для сравнения заметим, что земное магнитное поле на поверхности Земли меняется в пределах 0,28 — 0,70 Гс.
4. Исследования магнитомеханического и гиромагнитного явлений показали, что гиромагнитное отношение Г всегда отрицательно. Тем самым было подтверждено, что магнетизм обусловлен движением отрицательных электрических зарядов (электронов). Численные значения величины Г, как и следовало ожидать, оказались заключенными между пределами el(2mc) и е/(тс). Весьма существенно, что для всех исследованных ферромагнетиков (железо, никель, кобальт, ряд сплавов) гиромагнитное отношение оказалось равным не —el(2mc), а —е/(тс). Это показывает, что магнетизм ферромагнетиков обусловлен одним только спином электронов, а не их орбитальным движением.
В настоящее время разработаны значительно более точные методы измерения магнитных моментов электронов и атомных ядер,
(78.3)
2тс
е
0)^7- 10 5 Гс
ТЕОРИЯ ФЕРРОМАГНЕТИЗМА.
325
а также гиромагнитных отношений. Особенно широкие применения получили методы, основанные на магнитном резонансе (электронном и ядер ном). Это явление будет рассмотрено в V томе нашего курса — в атомной физике.
§ 79. Теория ферромагнетизма
1. Первая количественная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком Вейссом (1865 — 1940) в 1907 г., хотя до Вейсса сходные идеи высказывались русским физиком Б. Л. Розингом еще в 1892 г. Но работы Розинга были забыты. Теория Вейсса носит полуфеноменологический характер. Вейсс предположил, что атомы ферромагнетика, как и парамагнетика, обладают магнитными моментами и взаимодействуют между собой с силами, зависящими от угла между этими магнитными моментами. Эти силы стремятся установить магнитные моменты соседних атомов параллельно друг другу. В результате ориентации магнитных моментов атомов в определенном направлении и создается намагничивание ферромагнетика. В теории Вейсса силы взаимодействия между атомами формально сводятся к некоторому «эффективному» магнитному полю, которое и ориентирует атомы ферромагнетика. Эффективное поле складывается из обычного макроскопического поля в веществе Н и некоторого гипотетического «молекулярного поля». Последнее, согласно предположению Вейсса, пропорционально намагниченности ферромагнетика /, так что эффективное поле может быть представлено в виде
Вафф = н+Ы, (79.1)
где b — некоторая положительная постоянная, характеризующая свойства различных ферромагнетиков. Она называется постоянной Вейсса.
Исходя из этих предположений, нетрудно рассчитать намагничивание ферромагнетика I. Для этого надо только в теории Лан-жевена поле Н заменить на эффективное поле ВЯфф. Это дает I = — пШЦх), где л -- Ш(Н + bI)/(kT). Разрешая последнее соотношение относительно / и замечая, что «Заесть намагничивание насыщения Is, получаем систему двух уравнений:
I — hL[x), (79.2)
из которой нетрудно вычислить намагничивание I. Эту систему удобно исследовать графически, откладывая по горизонтальной оси величину х, а по вертикальной - намагничивание I (рис. 195). Первое уравнение (79.2) представится кривой Ланжевена ОА0А, а второе — прямой С А, пересекающей вертикальную ось в точке С с ординатой ОС = — Н/Ь.
326
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
[ГЛ. III
2. Допустим сначала, что наклон прямой СА меньше наклона кривой Ланжевена в начале координат, т. е. kTnl(hb) < Is(dL/dx)x_d, или Т < Тк, где введено обозначение
Тогда прямая пересечет кривую Ланжевена в точке А, ордината которой и представит намагничивание ферромагнетика I. Будем теперь уменьшать магнитное поле Н до нуля. При этом-точка С будет подниматься к точке О, а точка А — перемещаться к точке А0. Когда магнитное поле Н обратится в нуль, ферромагнетик останется намагниченным — его намагничивание представится ординатой точки А0.
Ферромагнетик будет спонтанно намагничен и в том случае, когда он вообще не вносился ни в какое магнитное поле, так как
внутреннее поле, которое заставит магнитные моменты остальных атомов предпочесть то же направление. Намагничивание, вообще говоря, не достигнет насыщения, так как этому препятствует тепловое движение. Следует учесть, что благодаря анизотропии кристаллической решетки в ней имеются оси легкого намагничивания, вдоль которых и предпочитают выстраиваться магнитные моменты атомов кристалла. Ориентированным атомам нелегко изменить направление, в котором они выстроились, так как для этого им пришлось бы пройти через ряд менее предпочтительных направлений. По этой причине спонтанное намагничивание, раз возникнув в кристалле, сохраняется в нем и в дальнейшем. Таким образом, при Т <^ТК ферромагнетик должен быть спонтанно намагничен. Энергии теплового движения недостаточно, чтобы разрушить это намагничивание. Величина Тк называется температурой или точкой Кюри.
