Diamagnetyki

Diamagnetyzm należy wyjaśniać na gruncie mechaniki kwantowej. Podamy tutaj uproszczone jego objaśnienie odwołujące się do planetarnego modelu atomu helu. Ciekły hel jest diamagnetykiem. W atomie helu dwa elektrony krążą wokół jądra mającego ładunek równy $+2e$. Stwierdzono doświadczalnie, że atom helu nie ma momentu magnetycznego. To znaczy, że momenty magnetyczne obu elektronów się znoszą. Należy zatem przyjąć w ramach stosowanego modelu, że elektrony krążą w przeciwnych kierunkach z jednakowymi prędkościami po jednakowych równoległych orbitach (il. 3.38a).

W zewnętrznym polu magnetycznym o indukcji ${\overrightarrow{B}}_0$ skierowanym tak, jak na il. 3.38b, oprócz sił dośrodkowych przyciągających elektrony w kierunku jądra, działa siła Lorentza, przy czym, działając na jeden elektron, jest zwrócona w stronę jądra, a działając na drugi – jest zwrócona w stronę przeciwną do jądra. Powoduje to, że elektron wytwarzający pole magnetyczne (oznaczone na rysunku jako ${\overrightarrow{B}}_1$) o zwrocie zgodnym z zewnętrznym polem ${\overrightarrow{B}}_0$ zostanie spowolniony na skutek mniejszej wypadkowej siły dośrodkowej (siła Lorentza w tym przypadku odejmie się od siły przyciągania elektrycznego do jądra). Drugi elektron – przeciwnie: zwiększy swoją prędkość (zakładamy przy tym, że nie zmienią się promienie orbit elektronów). Zmniejszenie prędkości orbitalnej elektronu pierwszego spowoduje zmniejszenie jego pola ${\overrightarrow{B}}_1$, zwiększenie prędkości drugiego da większe pole ${\overrightarrow{B}}_2$. Jakkolwiek uproszczona jest to wizja, to przewiduje ona, że atom w zewnętrznym polu magnetycznym uzyska własny moment magnetyczny i stanie się magnesem skierowanym przeciwnie do pola zewnętrznego. Mówimy, że pojawienie się pola magnetycznego ${\overrightarrow{B}}_0$ zaindukowało moment magnetyczny atomu.

Widzimy więc, że wypadkowe pole pochodzące od wszystkich atomów próbki diamagnetyka będzie skierowane przeciwnie do zewnętrznego pola magnetycznego i w efekcie nastąpi zmniejszenie wartości jego indukcji $\overrightarrow{B}$. Stąd w przypadku diamagnetyków ${\mu }_r<1$, przy czym ${\mu }_r$ bardzo mało różni się od jedności. Dlatego diamagnetyki w polu magnetycznym magnesują się słabo.

Do diamagnetyków należą gazy szlachetne, większość związków organicznych, wiele metali (bizmut, cynk, złoto, miedź, srebro, rtęć), woda, szkło. W ciałach tych momenty magnetyczne wszystkich elektronów atomu lub cząsteczki wzajemnie się kompensują.

Paramagnetyki

Dipole magnetyczne elektronów atomu – zarówno orbitalne, jak i spinowe – w wielu substancjach znoszą się wzajemnie. Natomiast w paramagnetykach atomy wykazują wypadkowe momenty magnetyczne. Próbka zawierająca $N$ atomów, z których każdy ma moment magnetyczny $p_m$, miałaby jako całość moment magnetyczny równy $N{p}_m$, gdyby wszystkie atomy ustawiły się dokładnie w kierunku pola zewnętrznego. Jednakże ruchy cieplne atomów w paramagnetykach silnie dezorganizują uporządkowanie magnetyczne. W wyniku tego próbka uzyskuje różny od zera moment magnetyczny dużo mniejszy od maksymalnego możliwego do uzyskania $N{p}_m$.

Paramagnetyki w polu zewnętrznym magnesują się nieco silniej od diamagnetyków. Dlatego właśnie efekt diamagnetyczny nie jest zauważalny w paramagnetykach. W rzeczywistości każda substancja wykazuje efekt diamagnetyczny, ale może on się ujawnić tylko w tych substancjach, w których nie występuje efekt paramagnetyczny.

Do paramagnetyków należą: tlen, tlenek azotu, aluminium, platyna, litowce, berylowce i inne substancje.

Ferromagnetyki

Zasadniczą cechą odróżniającą ferromagnetyki od innych substancji jest ich bardzo duża przenikalność magnetyczna. Inną ważną cechą ferromagnetyków jest to, że występują one tylko w postaci ciał stałych, podczas gdy paramagnetyki i diamagnetyki mogą występować w dowolnych stanach skupienia. Substancje, które w postaci ciał stałych są ferromagnetykami, w postaci cieczy i gazów zachowują się jak zwykłe paramagnetyki.

Każdy ferromagnetyk po ogrzaniu go do temperatury powyżej $T_C$ – tzw. punktu Curie – staje się zwykłym paramagnetykiem. Dla żelaza $T_C=770°\text{C}$, dla niklu $T_C=360°\text{C}$, a dla stopu żelazo-nikiel (70% Fe i 30% Ni) $T_C=70°\text{C}$.

Monokryształy ferromagnetyków wykazują anizotropię swoich własności magnetycznych – mają różną zdolność magnesowania w różnych kierunkach. Jest to zrozumiałe w świetle kierunkowych własności struktury kryształów. Na przykład, dla żelaza o komórce sieci krystalicznej w postaci sześcianu objętościowo centrowanego, w danym polu zewnętrznym magnesowanie jest największe w kierunku krawędzi sześcianu, najmniejsze zaś – w kierunku przekątnej przestrzennej sześcianu. Dlatego kierunek w krysztale żelaza zgodny z kierunkiem krawędzi jego komórki elementarnej nosi nazwę kierunku łatwego magnesowania, a kierunek przekątnej – kierunku trudnego magnesowania. W polikryształach, ze względu na nieuporządkowanie mikrokrystalitów, anizotropia się nie przejawia.

Ferromagnetyki wykazują „pamięć” namagnesowania, która przejawia się istnieniem tzw. histerezy (fakt ten jest wykorzystywany w wielu zastosowaniach technicznych, o czym będzie mowa w dalszej części tego paragrafu). Polega ona na tym, że namagnesowanie ferromagnetyka zależy nie tylko od indukcji zewnętrznego pola magnetycznego występującego w danej chwili, ale również od poprzedniego namagnesowania próbki. Typowy wykres zależności indukcji magnetycznej $B$ w ferromagnetyku od indukcji $B_0$ zewnętrznego pola magnetycznego przedstawiony jest na il. 3.39. Wykres ten można uzyskać, wykonując następujące doświadczenie. Na rdzeń nienamagnesowanego ferromagnetyka w kształcie toroidu nawijamy uzwojenie. Zmieniając natężenie prądu w uzwojeniu, zmieniamy indukcję pola magnetycznego $B_0$. Jeśli natężenie prądu wzrasta, to wzrasta indukcja $B_0$ i – co za tym idzie – zwiększa się do pewnej wartości nasycenia indukcja $B$ w rdzeniu (na rysunku odcinek 0–1 krzywej). Zmniejszając teraz pole magnesujące $B_0$, przekonamy się, że w czasie rozmagnesowywania indukcja $B$, czyli namagnesowanie rdzenia, pozostaje stale większa niż podczas magnesowania (odcinek 1–2 krzywej przebiega ponad odcinkiem 0–1). W punkcie 2, mimo że zewnętrzne pole jest zerowe, rdzeń pozostaje namagnesowany. Wartość $B_2$ w tym punkcie nazywa się pozostałością magnetyczną. Namagnesowanie rdzenia stanie się równe zeru, gdy przez uzwojenie przepuścimy prąd w przeciwną stronę, powodując powstanie pola o indukcji $B_{0_3}$ (punkt 3; iloraz $\frac{B_{0_3}}{{\mu }_0}$ nosi nazwę siły koercji). Dalszy przebieg magnesowania ferromagnetyka przy zmianach pola magnetycznego jest przedstawiony na rysunku za pomocą odpowiednich odcinków 3–4, 4–5, 5–6 i 6–1 krzywej, zwanej pętlą histerezy.

Na zakończenie omawiania ferromagnetyków podamy jeszcze wiadomości o ich domenowej strukturze. Domeny to mikrokrystaliczne obszary o rozmiarach mniejszych od 0,1 mm, w których momenty magnetyczne atomów ustawione są dokładnie w tym samym kierunku, który jest kierunkiem łatwego magnesowania.

W polikryształach wewnątrz poszczególnych ziaren krystalicznych może się znajdować kilka domen (il. 3.40). W przypadku braku zewnętrznego pola magnetycznego domeny w poszczególnych ziarnach krystalicznych są ustawione losowo, więc ich własne pola magnetyczne się znoszą. Kierunki łatwego magnesowania w poszczególnych ziarnach są rozłożone chaotycznie (il. 3.40a).

Jeśli zostanie włączone słabe pole zewnętrzne, to domeny o uprzywilejowanych kierunkach własnego pola będą się rozrastały, przesuwając swoje granice kosztem domen o niekorzystnych kierunkach – il. 3.40b.

W odpowiednio silnym polu proces rozrostu uprzywilejowanych domen zostaje zakończony. Każde ziarno będzie miało tylko jedną domenę ustawioną w uprzywilejowanym kierunku – il. 3.40c. W jeszcze silniejszym polu momenty magnetyczne ziaren będą się obracać, ustawiając w kierunku zgodnym z zewnętrznym polem. Następuje nasycenie magnetyczne i namagnesowanie materiału przestaje już wzrastać.

Zastosowania ferromagnetyków

Ferromagnetyki dzielimy na miękkie materiały magnetyczne, o małej wartości siły koercji, i materiały twarde, o dużej sile koercji. Ta własność materiału zależy od składu chemicznego, jak również od obróbki cieplnej (hartowanie, prażenie, walcowanie itp.).

Kształt pętli histerezy jest bardzo ważną charakterystyką materiału dla zastosowań w technice. Na przykład, w przypadku elektromagnesów, rdzeni transformatorów i silników ważne jest, aby siła koercji była mała, a indukcja duża – do tego nadają się miękkie materiały magnetyczne. Natomiast do budowy magnesów trwałych używane są twarde materiały magnetyczne. Magnesy te mogą przez długi czas wytwarzać silne pole magnetyczne dzięki dużej sile koercji i stosunkowo dużej pozostałości magnetycznej. Stosowane są w magnetoelektrycznych przyrządach pomiarowych, w głośnikach, mikrofonach, mikrosilnikach itp.

W drugiej połowie XX wieku ferromagnetyki stosowano powszechnie jako podstawowy element pamięci w komputerach. Do zapisu dźwięku (w magnetofonach) oraz obrazu (w magnetowidach) stosowano taśmy magnetyczne.