Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (МА)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 8 (всего у книги 155 страниц)
Б. Диамагнетизм электронов проводимости в металлах (Ландау диамагнетизм ) присущ всем металлам, но, как правило, его маскирует либо более сильный спиновый электронный парамагнетизм, либо диа– или парамагнетизм ионных остовов.
В. Пара– и диамагнетизм электронов проводимости в полупроводниках. По сравнению с металлами в полупроводниках мало электронов проводимости, но число их растет с повышением температуры; c в этом случае также зависит от Т.
Г. М. сверхпроводников обусловлен электрическими токами, текущими в тонком поверхностном слое толщиной ~10-5см. Эти токи экранируют толщу сверхпроводника от внешних магнитных полей, поэтому в массивном сверхпроводнике при Т< Tk магнитное поле равно нулю (Мейснера эффект ).
III. Магнетизм веществ с атомным магнитным порядком (eвз >> mвН или eвз >> кТ )
А. Ферромагнетизм имеет место в веществах с положительной обменной энергией (eоб > 0): кристаллах Fe, Со, Ni, ряде редкоземельных металлов (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm, Yb), сплавах и соединениях с участием этих элементов, а также в сплавах Сг, Mn и в соединениях урана. Для ферромагнетизма характерна самопроизвольная намагниченность при температурах ниже точки Кюри q, при T > q ферромагнетики переходят либо в парамагнитное, либо в антиферромагнитное состояние (последний случай наблюдается, например, в некоторых редкоземельных металлах). Однако из опыта известно, что в отсутствии внешнего поля ферромагнитные тела не обладают результирующей намагниченностью (если исключить вторичное явление остаточной намагниченности). Это объясняется тем, что при Н = 0 ферромагнетик разбивается на большое число микроскопических областей самопроизвольного намагничивания (доменов ). Векторы намагниченности отдельных доменов ориентированы так, что суммарная намагниченность ферромагнетика равна нулю. Во внешнем поле доменная структура изменяется, ферромагнитный образец приобретает результирующую намагниченность (см. Намагничивание ).
Б. Антиферромагнетизм имеет место в веществах с отрицательной обменной энергией (eоб < 0): кристаллах Cr и Mn, ряде редкоземельных металлов (Ce, Рг, Nd, Sm, Eu), а также в многочисленных соединениях и сплавах с участием элементов переходных групп.
В магнитном отношении кристаллическая решётка этих веществ разбивается на так называемые магнитные подрешётки, векторы самопроизвольной намагниченности Jki которых либо антипараллельны (коллинеарная антиферромагнитная связь), либо направлены друг к другу под углами, отличными от 0° и 180° (неколлинеарная связь, см. Магнитная структура ). Если суммарный момент всех магнитных подрешёток в антиферромагнетике равен нулю, то имеет место скомпенсированный антиферромагнетизм; если же имеется отличная от нуля разностная самопроизвольная намагниченность, то наблюдается нескомпенсированный антиферромагнетизм, или ферримагнетизм , который реализуется главным образом в кристаллах окислов металлов с кристаллической решёткой типа шпинели , граната , перовскита и других минералов (их называют ферритами ). Эти тела (обычно полупроводники и изоляторы) по магнитным свойствам похожи на обычные ферромагнетики. При нарушении компенсации магнитных моментов в антиферромагнетиках из-за слабого взаимодействия между атомными носителями М. возникает очень малая самопроизвольная намагниченность веществ (~ 0,1% от обычных значений для ферро– и ферримагнетиков). Такие вещества называются слабыми ферромагнетиками (например, гематит a-Fe2 O3, карбонаты ряда металлов, ортоферриты и др.).
Магнитное состояние ферро– или антиферромагнетика во внешнем магнитном поле Н определяется, помимо величины поля, ещё и предшествующими состояниями магнетика (магнитной предысторией образца). Это явление называется гистерезисом . Магнитный гистерезис проявляется в неоднозначности зависимости J от Н (в наличии петли гистерезиса). Благодаря гистерезису для размагничивания образца оказывается недостаточным устранить внешнее поле, при Н = 0 образец сохранит остаточную намагниченность Jr . Для размагничивания образца нужно приложить обратное магнитное поле Hc , которое называется коэрцитивной силой . В зависимости от значения Hc различают магнитно-мягкие материалы (Hc < 800 а/м, или 10 э ) и магнитно-твёрдые, или высококоэрцитивные, материалы (Hc > 4 ка/м, или 50 э ). Jr и Hc зависят от температуры и, как правило, убывают с её повышением, стремясь к нулю с приближением Т к q.
Кроме М. атомных частиц и веществ, современное учение о магнитных явлениях включает М. небесных тел и космической среды. Рассмотрению связанных с этим вопросов посвящены статьи: Земной магнетизм , Солнечный магнетизм , Магнитные звёзды , Межзвёздное магнитное поле , Космические лучи , а также Магнитное поле , Магнитная гидродинамика и другие.
Магнетизм в науке и технике. Основными научными проблемами современного учения о М. является выяснение природы обменного взаимодействия и взаимодействий, обусловливающих анизотропию в различных типах магнитоупорядоченных кристаллов; спектров элементарных магнитных возбуждений (магнонов ) и механизмов их взаимодействия между собой, а также с фононами (квантами колебаний кристаллической решётки). Важной проблемой остаётся создание теории перехода из парамагнитного в ферромагнитное состояние. Исследование М. веществ широко применяется в различных областях науки как средство изучения химических связей и структуры молекул (магнетохимия ). Изучение диа– и парамагнитных свойств газов, жидкостей, растворов, соединений в твёрдой фазе позволяет разобраться в деталях физических и химических процессов, протекающих в этих телах, и в их структуре. Изучение магнитных динамических характеристик (пара-, диа– и ферромагнитный, электронный и ядерный резонансы и релаксации) помогает понять кинетику многих физических и физико-химических процессов в различных веществах (см. Магнитный резонанс ). Интенсивно развивается магнитобиология .
К важнейшим проблемам М. космических тел относятся: выяснение происхождения магнитных полей Земли, планет, Солнца, звёзд (в частности, пульсаров ), внегалактических радиоисточников (радиогалактик , квазаров и др.), а также роли магнитных полей в космических процессах.
Основные технические применения М. находит в электротехнике, радиотехнике, электронике, приборостроении, электронных счётно-решающих устройствах, морской, авиационной и космической навигации, геофизических методах разведки полезных ископаемых, автоматике и телемеханике. В технике широкое применение нашли также магнитная дефектоскопия и магнитные методы контроля. Магнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов генераторов, моторов, трансформаторов, реле, магнитных усилителей, элементов магнитной памяти, стрелок компасов, лент магнитной записи и так далее.
История учения о магнетизме. Первые письменные свидетельства о М. (Китай) имеют более чем двухтысячелетнюю давность. В них упоминается о применении естественных постоянных магнитов в качестве компаса. В работах древнегреческих и римских учёных есть упоминание о притяжении и отталкивании естественных магнитов и о намагничивании в присутствии магнита железных опилок (например, у Лукреция в поэме «О природе вещей», 1 век до н. э.). В эпоху средневековья в Европе стал широко применяться магнитный компас (с 12 века), были предприняты попытки экспериментального изучения взаимодействия магнитов разной формы (Пьер Перегрин де Марикур, 1269). Результаты исследований М. в эпоху Возрождения были обобщены в труде У. Гильберта «О магните, магнитных телах и о большом магните – Земле» (1600). Гильберт показал, в частности, что Земля – магнитный диполь , и доказал невозможность разъединения двух разноимённых полюсов магнита. Далее учение о М. развивалось в работах Р. Декарта , Ф. Эпинуса , Ш. Кулона . Декарт был автором первой подробной метафизической теории М. и геомагнетизма («Начала философии», часть 4, 1644); он исходил из существования особой магнитной субстанции, обусловливающей своим присутствием и движением М. тел.
В трактате «Опыт теории электричества и магнетизма» (1759) Эпинус подчеркнул тесную аналогию между электрическими и магнитными явлениями. Эта аналогия, как показал Кулон (1785—1789), имеет определённое количественное выражение: взаимодействие точечных магнитных полюсов подчиняется тому же закону, что и взаимодействие точечных электрических зарядов (Кулона закон ). В 1820 Х. Эрстед открыл магнитное поле электрического тока.
В том же году А. Ампер установил законы магнитного взаимодействия токов, эквивалентность магнитных свойств кругового тока и тонкого плоского магнита; М. он объяснял существованием молекулярных токов. В 30-х годах 19 века К. Гаусс и В. Вебер развили математическую теорию геомагнетизма и разработали методы магнитных измерений.
Новый этап в изучении М. начинается с работ М. Фарадея , который дал последовательную трактовку явлений М. на основе представлений о реальности электро-магнитного поля. Ряд важнейших открытий в области электромагнетизма (электромагнитная индукция – Фарадей, 1831; правило Ленца – Э. Х.Ленц , 1833, и др.), обобщение открытых электромагнитных явлений в трудах Дж. К. Максвелла (1872), систематическое изучение свойств ферромагнетиков и парамагнетиков (А. Г. Столетов , 1872; П. Кюри , 1895, и другие) заложили основы современной макроскопической теории М.
Микроскопический подход к изучению М. стал возможен после открытия электронно-ядерной структуры атомов. На основе классической электронной теории Х. А. Лоренца П. Ланжевен в 1905 построил теорию диамагнетизма (он создал также квазиклассическую теорию парамагнетизма). В 1892 Б. Л. Розинг и в 1907 П. Вейс высказали идею о существовании внутреннего молекулярного поля, обусловливающего свойства ферромагнетиков. Открытие электронного спина и его магнетизма (С. Гаудсмит , Дж. Ю. Уленбек , 1925), создание последовательной теории микроскопических явлений – квантовой механики – привело к развитию квантовой теории диа-, пара– и ферромагнетизма. На основе квантовомеханических представлений (пространственного квантования) Л. Бриллюэн в 1926 нашёл зависимость намагниченности парамагнетиков от внешнего магнитного поля и температуры. Ф. Хунд в 1927 провёл сравнение экспериментальных и теоретических значений эффективных магнитных моментов ионов в различных парамагнитных солях, что привело к выяснению влияния электрических полей парамагнитного кристалла на «замораживание» орбитальных моментов ионов – как было установлено, намагниченность кристалла определяется почти исключительно спиновыми моментами (В. Пенни и Р. Шлепп; Дж. Ван Флек, 1932). В 30-х годах была построена квантомеханическая теория магнитных свойств свободных электронов (парамагнетизм Паули, 1927; Ландау диамагнетизм , 1930). Существенное значение для дальнейшего развития теории парамагнетизма имело предсказанное Я. Г. Дорфманом (1923) и затем открытое Е. К. Завойским (1944) явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР).
Созданию квантовой теории ферромагнетизма предшествовали работы немецкого физика Э. Изинга (1925, двумерная модель ферромагнетиков), Дорфмана (1927, им была доказана немагнитная природа молекулярного поля), В. Гейзенберга (1926, квантовомеханический расчёт атома гелия), В. Гейтлера и Ф. Лондона (1927, расчёт молекулы водорода). В двух последних работах был использован открытый в квантовой механике эффект обменного (электростатического) взаимодействия электронов (П.Дирак , 1926) в оболочке атомов и молекул и установлена его связь с магнитными свойствами электронных систем, подчиняющихся Ферми – Дирака статистике (Паули принципу ). Квантовая теория ферромагнетизма была начата работами Я. И. Френкеля (1928, коллективизированная модель) и Гейзенберга (1928, модель локализованных спинов). Рассмотрение ферромагнетизма как квантового кооперативного явления (Ф. Блох , Дж. Слейтер , 1930) привело к открытию спиновых волн . В 1932—1933 Л. Неель и Л. Д. Ландау предсказали существование антиферромагнетизма. Изучение новых классов магнитных веществ – антиферромагнетиков и ферритов – позволило глубже понять природу М. Была выяснена роль магнитоупругой энергии в происхождении энергии магнитной анизотропии, построена теория доменной структуры и освоены методы её экспериментального изучения.
Развитию М. в значительной мере способствовало создание новых экспериментальных методов исследования веществ. Нейтронографические методы позволили определить типы атомных магнитных структур. Ферромагнитный резонанс, первоначально открытый и исследованный в работах В. К. Аркадьева (1913), а затем Дж. Гриффитса (1946), и антиферромагнитный резонанс (К. Гортер и другие, 1951) позволили начать экспериментальные исследования процессов релаксации магнитной, а также дали независимый метод определения эффективных полей анизотропии в ферро– и антиферромагнетиках.
Ядерный магнитный резонанс (Э. Пёрселл и др., 1945) и Мёссбауэра эффект (1958) значительно углубили наши знания о распределении спиновой плотности в веществе, особенно в металлических ферромагнетиках. Наблюдение рассеяния нейтронов и света позволили для ряда веществ определить спектры спиновых волн. Параллельно с этими экспериментальными работами развивались и различные аспекты теории М.: теория магнитной симметрии кристаллов, ферромагнетизм коллективизированных электронов, теория фазовых переходов II рода и критических явлений , а также модели одномерных и двумерных ферро– и антиферромагнетиков.
Развитие физики магнитных явлений привело к синтезированию новых перспективных магнитных материалов: ферритов для ВЧ и СВЧ-устройств, высококоэрцитивных соединений типа SmCo5 (см. Магнит постоянный ), прозрачных ферромагнетиков и др.
Лит.: Тамм И. Е., Основы теории электричества, 7 издание, М., 1957; Ландау Л. Д. и Лифшиц Е. М., Электродинамика сплошных сред, М., 1959; Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971; Пайерлс Р. Е., Квантовая теория твердых тел, перевод с английского, М., 1956; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Киттель Ч., Введение в физику твердого тела, перевод с английского, 2 издание, М., 1962; Вонсовский С. В., Шур Я. С., ферромагнетизм, М. – Л., 1948; Поливанов К. М., ферромагнетики, М. – Л., 1957; Бозорт Р., Ферромагнетизм, перевод с английского, М., 1956; Маттис Д., Теория магнетизма. Введение в изучение кооперативных явлений, перевод с английского, М., 1967; Туров Е. А., физические свойства магнитоупорядоченных кристаллов, М., 1963; Vleck J. Н. van, The theory of electric and magnetic susceptibilities, Oxf., 1932; Backer R., Doring W., Ferromagnetismus, B., 1939; Magnetism, ed. G. T. Rado and Н. Suhl, v. 1, v. 2, pt. A – B, v. 3, v. 4, N. Y., 1963—66; Goodenough J., Magnetism and the chemical bond, N. Y. – L., 1963.
С. В. Вонсовский.
Магнетик
Магне'тик, термин, применяемый ко всем веществам при рассмотрении их магнитных свойств. Разнообразие типов М. обусловлено различием магнитных свойств микрочастиц, образующих вещество, а также характера взаимодействия между ними. М. классифицируют по величине и знаку их магнитной восприимчивости c (вещества с c < 0 называются диамагнетиками , с c > 0 – парамагнетиками , с c >> 1 – ферромагнетиками ). Более глубокая физическая классификация М. основана на рассмотрении природы микрочастиц, обладающих магнитными моментами , их взаимодействия в веществе, а также влияния на М. внешних факторов (подробнее см. Магнетизм ).
Магнетит
Магнети'т (нем. Magnetit, от греч. magnetis – магнит), магнитный железняк, минерал, сложный окисел состава FeO×Fe2 O3 ; содержит 31% FeO, 69% Fe2 O3 ; 72,4% Fe; часто присутствуют примеси MgO, Cr2 O3 , Al2 O3 , MnO, ZnO и др. М. – феррит с кристаллической структурой обращенной шпинели . Кристаллизуется в кубической системе ao = 8,3963 
. Обычно образует октаэдрические, реже додекаэдрические кристаллы и зернистые агрегаты. Весьма редко встречается в виде колломорфных агрегатов. В технике широко применяют синтезированный М., обычно его получают синтезом в твёрдой фазе в результате совместного отжига спрессованных порошков окислов FeO и Fe2 O3 при температурах 1000—1400 °С. Излом М. неровный, спайность отсутствует, хрупок, твёрдость по минералогической шкале 5,5—6. Плотность 4800—5300 кг/м3 . Цвет чёрный, блеск полуметаллический, иногда матовый; непрозрачен. Хороший проводник электричества. По магнитным свойствам М. – ферримагнетик ; намагниченность М. определяется разностью магнитных моментов двух магнитных подрешёток: 1) состоящей из ионов Fe2+ и Fe3+ , находящихся в октаэдрических узлах, и 2) состоящей из ионов Fe3+ , находящихся в тетраэдрических узлах (см. Антиферромагнетизм ). При комнатной температуре намагниченность насыщения Js= 4,8×10-2тл (480 гс ); коэрцитивная сила Hc природного М. зависит от примесей, синтезированного М. – от способа получения. У порошков М. Hc растет при уменьшении размера частиц [у тонких порошков Hc ~ 12—16 ка/м (150—200) э ]. Из порошков изготовляют магнитодиэлектрики . При температурах выше 550—600 °С (выше Кюри точки ) М. теряет ферримагнитные свойства и становится парамагнетиком . Температура плавления М. 1591—1597 °С. При окислении М. переходит в гематит (мартит ). Псевдоморфоза М. по кристаллическому гематиту называется мушкетовитом. При повышенном содержании изоморфных примесей в М. выделяют разновидности: магномагнетит, манганмагнетит, ванадомагнетит, хроммагнетит, алюмомагнетит и другие. В тесном прорастании с ильменитом и другими титановыми минералами (структура распада твёрдых растворов ) входит в состав так называемых титаномагнетитов.
Встречается в месторождениях различного генезиса, однако главные промышленные типы относятся к сложным магматическим, контактово-метасоматическим или регионально-метаморфическим образованиям. В виде акцессорных минералов часто присутствует в магматических, осадочных и метаморфических породах. См. также Железо , Железные руды .
В. М. Григорьев.
Магнето
Магне'то, магнитоэлектрический генератор переменного тока (обычно совмещенный с индукционной катушкой), предназначенный для создания электрических разрядов между электродами свечи зажигания, воспламеняющих рабочую смесь в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания . М. устанавливались в системах зажигания авиационных, тракторных, автомобильных, мотоциклетных и других двигателей; с 60-х годов 20 века практически не применяются.
Магнетокалорический эффект
Магнетокалори'ческий эффе'кт, изменение температуры магнетика при адиабатическом изменении напряжённости магнитного поля Н, в котором находится магнетик. С изменением поляна dH совершается работа намагничивания dА =JdH (J — намагниченность). По первому началу термодинамики dА = dQ – dU, где dQ – сообщенное магнетику количество теплоты (оно равно нулю в условиях адиабатичности), dU — изменение внутренней энергии магнетика. Таким образом, при dQ = 0 работа совершается лишь за счёт изменения внутренней энергии (dA = —dU ), что приводит к изменению температуры магнетика, если его внутренняя энергия зависит от температуры Т. В пара– и ферромагнетиках с ростом Н намагниченность J увеличивается, то есть растет число атомных магнитных моментов (спиновых или орбитальных), параллельных Н . В результате энергия пара– и ферромагнетиков по отношению к полю и их внутренняя энергия обменного взаимодействия уменьшаются. С другой стороны, внутренняя энергия пара– и ферромагнетиков увеличивается с увеличением Т. Поэтому на основании Ле Шателье – Брауна принципа при намагничивании должно происходить нагревание пара– и ферромагнетиков. Для ферромагнетиков этот эффект максимален вблизи точки Кюри, для парамагнетиков М. э. растет с понижением температуры. При адиабатическом уменьшении поля происходит частичное или полное (при выключении поля) разрушение упорядоченной ориентации моментов за счёт внутренней энергии, к охлаждению магнетика (См. Магнитное охлаждение ).
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм, М., 1971.
С. В. Вонсовский.
Магнетон
Магнето'н, единица измерения магнитного момента , принятая в атомной и ядерной физике.
Магнитный момент атомных систем в основном обусловлен движением электронов и их спином и измеряется в магнетонах Бора:
эрг/гс (1)
Здесь 
– Планка постоянная , е и m – абсолютные величина заряда и масса электрона, с – скорость света.
В ядерной физике магнитные моменты измеряются в ядерных магнетонах, отличающихся от mБ заменой массы электрона m на массу протона М :
эрг/гс (2)
Физический смысл величины mБ легко понять из полуклассического рассмотрения движения электрона по круговой орбите радиуса r со скоростью v. Такая система аналогична витку с током, сила I которого равна заряду, деленному на период вращения: I = ev / 2pr . Согласно классической электродинамике, магнитный момент витка с током, охватывающего площадь S, равен в системе Гаусса (см. СГС система единиц ) m = IS/c = evr / 2c , или m = eMl / 2mc , где Ml = mvr – орбитальный момент количества движения электрона. Если учесть, что по квантовым законам орбитальный момент Ml электрона может принимать лишь дискретные значения, кратные постоянной Планка, Ml = l 
, где l = 0, 1, 2,..., то получится следующее выражение:
(3)
Таким образом, магнитный момент электрона, находящегося в состоянии с орбитальным моментом Ml , кратен М. Бора. Следовательно, в данном случае mБ играет роль элементарного магнитного момента – «кванта» магнитного момента электрона.
Помимо орбитального момента количества движения Ml , обусловленного вращением, электрон обладает собственным механическим моментом – спином, равным s = 1 /2 (в единицах 
). Спиновый магнитный момент ms = 2mБs , то есть в 2 раза больше величины, которую следовало ожидать на основании формулы (3), но так как s = 1 /2 , то ms электрона также равен М. Бора: ms = mБ . Этот факт непосредственно вытекает из релятивистской квантовой теории электрона, в основе которой лежит Дирака уравнение .
Ядерный М. имеет аналогичный смысл: это магнитный момент, создаваемый движением протона (внутри ядра) с орбитальным моментом l = 1. Однако собственные магнитные моменты ядерных частиц – протона и нейтрона, обладающих, как и электрон, спином 1 /2 , значительно отличаются от тех значений, которые они должны были бы иметь по теории Дирака. Аномальные магнитные моменты этих частиц обусловлены их сильным взаимодействием .
Д. В. Гольцов.
