Ферромагнетизм

Рассмотренные выше диамагнитные и парамагнитные вещества относятся к числу слабомагнитных тел. Для обнаружения и изучения их магнитных свойств требуются специальные условия и физическая аппаратура высокой чувствительности.

Ферромагнетики — тела сильно магнитные. Они сильно намагничиваются даже в слабых магнитных полях, и их намагниченность можно обнаружить с помощью простых средств.

Из чистых химических элементов ферромагнитными свойствами обладают железо, никель, кобальт, гадолиний. При очень низких температурах ферромагнитны эрбий, диспрозий, тулий, гольмий и тербий.

Самым распространенным ферромагнитным элементом является железо (от латинского ferrum – железо), отсюда и название – ферромагнитные тела, ферромагнетизм.
Несмотря на то, что из чистых химических элементов всего девять обладают ферромагнитными свойствами, число ферромагнитных веществ очень велико. Ферромагнитными могут быть сплавы как из самих ферромагнитных элементов, так и их сплавы с неферромагнитными элементами. Кроме того, известны ферромагнитные сплавы из неферромагнитных элементов. Такие сплавы носят название «гейслеровых».

Выше уже говорилось об элементарных носителях магнетизма, отмечалось также, что основными элементарными носителями магнетизма являются орбитальные и спиновые моменты электронов. Которые же из них, или те и другие, приводят к ферромагнетизму? Ответ на этот вопрос был получен с помощью магнито-механических опытов, основанных на следующем.

Электрон вследствие вращения его вокруг ядра и вокруг своей оси, кроме магнитного момента, обладает также некоторым механическим моментом вращения. Под механическим моментом тела понимают величину, равную произведению его массы на скорость и на радиус вращения, т. е. механический момент

P = MVR (13)
где m – масса вращающегося тела, V – его скорость, r – расстояние этого тела от оси вращения и, как уже отмечалось выше, величина орбитального механического момента

K = nh/2pi (13)
где n – целое число (n = 1, 2, 3 . . . . ).

Свойство принимать не любые, а только некоторые определенные значения, распространяется и на другие характеристики атома. Так, например, радиус орбиты электрона не может быть любым, а может принимать только некоторые значения. Вполне определенные значения могут принимать также энергия и ско-рость электрона и т. д. Вооб-ще параметры, характеризующие свойства атома, изменяются не непрерывно, а «ступенчато». Поэтому говорят, что одно из основных свойств атома – это дискретность его свойств, т. е. способность принимать не любые, а только некоторые избранные значения- характеризующих его физических величин.

         Рис. 19
Что касается величины механического момента электрона, обусловленного вращением его вокруг своей оси (механический момент спина), то она
всегда оказывается равной 1/2 x h/2pi т. е. половине наименьшего орбитального механического момента.
Первый опыт определения носителя ферромагнетизма был осуществлен в 1916 г. Эйнштейном и Де-Гаазом, а затем многократно повторялся многими исследователями. Чтобы понять сущность этого опыта, рассмотрим некоторые примеры из механики. В механике известен закон, называемый законом сохранения момента количества движения. Этот закон гласит, что если на тело извне не действуют никакие вращательные силы, то момент количества движения или механический момент его остается величиной неизменной.

Вспомним, как акробат делает сальто (рис. 19). Подпрыгнув и придав вращательное движение своему телу, он затем подбирает тело, поджимая руки и ноги. Этим самым уменьшается расстояние некоторых частей тела от оси, вокруг которой получил вращательное движение акробат. Так как извне при этом на него никакие вращательные силы не действуют, то механический момент его сохраняется, т. е. произведение массы тела на скорость и на радиус от оси вращения не меняется. Но радиус вращения уменьшился, поэтому при постоянной массе должна увеличиться скорость вращательного движения. И действительно, поджимая руки и ноги, акробат быстро переворачивается в воздухе и затем, -выпрямляя корпус, замедляет вращательное движение и становится на ноги (рис. 24).

         Рис. 20
Интересный и очень поучительный опыт можно провести на так называемой скамье Жуковского с велосипедным колесом. Скамья Жуковского представляет собой небольшую площадку, которая легко вращается около вертикальной оси. Если на такую площадку поставить человека, дав ему в руки быстро вращающееся на вертикальной оси велосипедное колесо, то такая система будет обладать некоторым механическим моментом.

Если теперь человек, стоя на скамейке, повернет ось велосипедного колеса на 180°, то по закону сохранения механического момента сам человек на скамейке начнет вращаться в ту сторону, в которую ранее вращалось велосипедное колесо (рис. 20).

Опыт Эйнштейна и Де-Гааза подобен описанному выше опыту со скамьей Жуковского и велосипедным колесом.

В самом деле, если ферромагнетизм обусловлен орбитальными магнитными моментами электронов, то в сильно намагниченном железе они должны быть сориентированы одинаково. Плоскости орбит должны быть параллельны друг другу, и все электроны должны вращаться по орбитам в одну и ту же сторону: Дело обстоит так, как если бы в куске намагниченного железа большое количество маленьких велосипедных колес вращалось в одну и ту же сторону. Если теперь этот кусок железа перемагнитить, то, очевидно, все электроны по орбитам должны начать вращаться в противоположную сторону, что соответствует в опыте со скамьей Жуковского повороту оси велосипедного колеса на «180°. Мы уже видели, что в этом случае сама скамья вместе с человеком начинает вращаться в ту сторону, куда раньше вращалось колесо. То же, очевидно, ^произойдет и с куском железа при перемагничивании.’ Перемагнитив кусок железа, мы заставляем электроны по орбитам вращаться в сторону, противоположную их первоначальному вращению. При этом сам кусок перемагниченного железа должен начать вращаться в ту сторону, куда прежде, до перемагничивания, вращались электроны по своим орбитам..!

Перемагничивание образца (например, из железа) мож-i но осуществить легко, если вспомнить, что электрический ток, протекая по проводнику, создает магнитное поле, Практически это делается так. 1 Образец помещают в соленоид, через который пропускают достаточно сильный ток, Тогда внутри соленоида создается сильное магнитное поле и помещенный внутри него образец намагничивается. Для перемагничивания следует, очевидно, переменить направление тока в катушке:]
Если внутри соленоида подвесить на нити железный цилиндр и его намагнитить пропусканием тока в соленоиде, то при изменении направления тока в соленоиде железный цилиндр перемагнитится и начнет, закручивая нить, поворачиваться в сторону, куда раньше вращались; электроны. Следует отметить, что угол закручивания нити будет очень небольшой чтобы его обнаружить, к I нити прикрепляют очень легкое зеркальце и на сравнительно большом расстоянии наблюдают отклонение от него светового зайчика (рис. 21). :

Так будет, если ферромагнетизм обусловлен только орбитальными магнитными моментами электронов. Если же ферромагнетизм связан только со спиновыми магнитными моментами, то в намагниченном куске железа все электроны будут вращаться в одном и том же направлений вокруг своей оси. При перемаг-ничивании железа они начнут вращаться в сторону, противоположную их первоначальному вращению, заставляя тем самым весь кусок железа вращаться в ту сторону, в которую вращались электроны до пере-магничивания. Очевидно, световой зайчик, отброшенный прикрепленным к нити зеркальцем, ив этом случае изменит свое положение. Независимо от того, обусловлен ли ферромагнетизм только орбитальными или только спиновыми магнитными моментами, или теми и другими, в рассмотренных случаях при перемагни-чивании кусок железа начнет поворачиваться и закручивать нить, на которой он подвешен.

         Рис. 21
Однако сила закручивания будет различной и вот почему. Как уже указывалось выше [магнитный момент электронной орбиты и, равен числу магнетонов Бора, т. е. m=m0. Механический же момент К, связанный с орбитальным вращением электрона, равен целому числу: h/2pi

K = n h/2pi
Таким образом, отношение орбитального магнитного момента к орбитальному механическому моменту равно

(m/K) орбит = 2pim0/h (14)

Что касается отношения магнитного момента спина, равного магнетону Бора m0 K его механическому моменту,равному 1/2 x h/2pi до оно составляет

(m/K)спин =4pim0/h (15)
т. е оказывается большим, нежели для электронной орбиты.

В указанном опыте Эйнштейна и Де-Гааза при пере-магничивании можно измерить изменение как механического момента количества движения, так и магнитного момента, и взять их отношение. Многократно проведен-ные тщательные исследования показывают, что это отно.
шение равно 4pim0/h. Таким образом, из эксперимента следует, что ферромагнетизм обусловлен не орбитальными, а спиновыми магнитными моментами, именно они при определенных условиях устанавливаются в веществе так, что возникает ферромагнетизм,; Об этих условиях будет сказано ниже.