Właściwości magnetyczne materiałów: ferromagnetyzm, paramagnetyzm i diamagnetyzm

Materiał wypełniający wnętrze zwojnicy lub otaczający przewodnik dowolnego kształtu zazwyczaj wpływa na wartość indukcji magnetycznej, pełniąc funkcję podobną do dielektryków w polu elektrycznym. W odróżnieniu od dielektryków, materiały magnetyczne mogą jednak zarówno osłabiać, jak i wzmacniać pole magnetyczne przewodnika. W związku z tym wyróżniamy następujące trzy rodzaje tych materiałów: ferromagnetyki – silnie zwiększające wartość indukcji, paramagnetyki – zwiększające ją w bardzo niewielkim stopniu oraz diamagnetyki – nieznacznie zmniejszające indukcję magnetyczną. Aby stwierdzić, z jakim materiałem magnetycznym mamy do czynienia, można z niego wykonać cienki pręcik i zawiesić go między uzwojeniami silnego elektromagnesu (rys. 1), gdyż pręcik z materiału paramagnetycznego lub ferromagnetycznego ustawi się wzdłuż linii pola (a), a pręcik z materiału diamagnetycznego – prostopadle (b).

Największe znaczenie techniczne mają ferromagnetyki (zwłaszcza żelazo i jego stopy), z których wykonuje się magnesy stałe, rdzenie elektromagnesów, taśmy magnetofonowe oraz dyskietki komputerowe.

Wielkością opisującą magnetyczne właściwości substancji jest względna przenikalność magnetyczna (μ), która wskazuje, ile razy indukcja magnetyczna w zwojnicy wypełnionej daną substancją jest większa od indukcji magnetycznej w takiej samej zwojnicy próżniowej, przy tym samym natężeniu prądu. Wartość względnej przenikalności magnetycznej jest dla diamagnetyków nieco mniejsza niż 1 (zwykle o wielkość rzędu od 10⁻⁶ do 10⁻⁵), dla paramagnetyków nieco większa od 1 (o wielkość rzędu od 10⁻⁶ do 10⁻⁴), natomiast dla ferromagnetyków jest bardzo duża (kilka–kilkadziesiąt tysięcy). W przypadku diamagnetyków i paramagnetyków natężenie pola magnetycznego H jest proporcjonalne do indukcji pola magnetycznego B, przy współczynniku proporcjonalności μ₀, czyli:

Niekiedy do scharakteryzowania paramagnetyków i diamagnetyków stosuje się wielkość zwaną względną podatnością magnetyczną χ.

χ = μ – 1

Wielkość χ wyznacza się eksperymentalnie, mierząc działanie siły ciężkości na substancję umieszczoną w silnym polu magnetycznym. Wykorzystuje się tutaj metodę Gouya przy użyciu wagi magnetochemicznej.

Mierzoną eksperymentalnie wielkością jest różnica ciężaru próbki (ΔQ_pr) w polu magnetycznym i bez pola. Podatność magnetyczną odniesioną do 1 g substancji, zwaną podatnością gramową χ_g, oblicza się ze wzoru:

χ_g = (ΔQ_pr / m_pr) / (ΔQ_wz / m_wz) * χ_wz

gdzie χ_wz oznacza podatność magnetyczną wzorca, ΔQ_pr – różnicę między ciężarem próbki (o masie m_pr) w polu magnetycznym i bez pola, a ΔQ_wz oznacza różnicę ciężaru wzorca (o masie m_wz) w polu i bez pola magnetycznego. Jako wzorca używa się zwykle roztworu chlorku niklowego o dokładnie znanej podatności gramowej.

Dla ferromagnetyków natężenie H nie jest proporcjonalne do indukcji magnetycznej B, tak że jedna stała μ nie wystarcza do pełnego uwzględnienia roli ośrodka. Do scharakteryzowania ferromagnetyków konieczne jest zbadanie przebiegu zmian indukcji magnetycznej w ośrodku, gdy pole zewnętrzne (np. pochodzące od zwojnicy) cyklicznie rośnie, maleje i zmienia kierunek. Jeśli indukcję pola zewnętrznego B₀ odkładamy na osi poziomej, a indukcję całkowitą na osi pionowej, to otrzymujemy wykresy przedstawione na rysunku 3.

Obserwujemy zjawisko histerezy, polegające na tym, że przy danej wartości B₀ indukcja B jest mniejsza w fazie wzrostu pola niż w fazie jego spadku. Przyczyna leży w tym, że zmiany stanu namagnesowania ośrodka zachodzą z pewnymi oporami, a zatem z opóźnieniem. „Cienka” pętla histerezy (rys. 2b) świadczy o niewielkich stratach energii przy przemagnesowaniu – tego rodzaju ferromagnetyki nazywamy miękkimi i można z nich wytwarzać np. rdzenie transformatorów, natomiast magnesy stałe wykonuje się z ferromagnetyków twardych, których magnetyzację trudno zmienić (rys. 2a).

Zjawiska magnetyczne w materii tłumaczy się jako wynik oddziaływania elektronów z polem magnetycznym i ze sobą wzajemnie. W substancjach paramagnetycznych i ferromagnetycznych atomy mają charakter dipolowy, czyli poglądowo można je przedstawić jako prądy cząsteczkowe krążące w maleńkich pętlach. W paramagnetykach te dipole są w zasadzie zorientowane chaotycznie, lecz pod wpływem pola zewnętrznego ulegają częściowemu uporządkowaniu (polaryzacji), natomiast po wyłączeniu pola zewnętrznego ruch cieplny atomów usuwa to uporządkowanie. W ferromagnetykach występuje silne oddziaływanie (będące efektem czysto kwantowym, wynikającym z faktu, że elektron ma wewnętrzny moment pędu – spin) między sąsiadującymi ze sobą dipolami, które orientuje je zgodnie, tak że następuje podział materiału na mikroskopijne obszary o wspólnej orientacji dipoli (jakby maleńkie magnesy) – tzw. domeny. Oddziaływanie magnetyczne między domenami sprzyja ich przeciwnemu ustawieniu (biegun N przyciąga S), co ogranicza wzrost domen i utrudnia jednolite namagnesowanie makroskopowej bryły ferromagnetyka. W odpowiednio silnym polu zewnętrznym te domeny, które są zorientowane zgodnie z nim, powiększają się kosztem innych, a ponadto może następować zmiana (obrót) kierunku namagnesowania w niektórych domenach; po zmianie pola procesy te ulegają odwróceniu z pewnymi oporami.

Jeśli substancja ferromagnetyczna zostanie ogrzana powyżej pewnej temperatury (nazwanej temperaturą Curie), to przechodzi ona w stan paramagnetyczny, gdyż następuje zerwanie sprzężenia między sąsiednimi dipolami. Ferromagnetyzm jest więc właściwością nie tylko atomu, ale także oddziaływania między atomami w sieci krystalicznej.

Przyczyną diamagnetyzmu jest zakłócenie ruchów elektronów wokół jądra wywołane przez zewnętrzne pole magnetyczne. W rezultacie atom uzyskuje pewien niewielki moment magnetyczny, nawet jeśli w nieobecności pola był on równy zeru. Diamagnetyzm jest powszechną cechą materii, która bywa jednak maskowana przez silniejszy para- lub ferromagnetyzm.

Tabela przedstawiająca podatność magnetyczną χ dla niektórych paramagnetyków i diamagnetyków (μ = 1 + χ) oraz temperaturę Curie dla niektórych ferromagnetyków: