Магнетизм вещества

Вот уже почти в течение двухсот лет проявление магнитных свойств у нейтральных макроскопических тел (магнитов) объясняется наличием в этих телах скрытых круговых (замкнутых) токов (токов Ампера), которые в настоящее время называются молекулярными токами.

Считается, что если эти токи ориентированы «одинаковым образом», то тело является магнитом. Хотя у магнита существуют полюса (северный и южный), но зарядов, подобно электрическим, у него нет. Поэтому ученые сводят все магнитные взаимодействия к взаимодействию скрытых в телах круговых молекулярных токов. Проблеме магнетизма посвящено большое количество работ, но до сих пор важнейшие вопросы теории магнетизма остаются не решенными.
Заканчивая изложение своих лекций по магнетизму, американский физик Р. Фейнман пишет: «Мы говорили о великом пути, пройденном со времени, когда древние греки наблюдали странное поведение янтаря и магнитного железняка. Ho еще нигде в наших длинных и запутанных рассуждениях мы не объяснили, почему, кода мы натираем кусок янтаря, на нем возникает заряд, не объяснили мы и того, почему намагничен природный магнитный железняк! ... Конечно, существует магнитное поле Земли, но откуда взялось это магнитное поле Земли? Вот этого-То на самом деле никто и не знает, и приходится довольствоваться только некоторыми правдоподобными догадками. Так что, как видите, наша хваленая современная физика сплошное надувательство: начали мы с магнитного железняка и янтаря, а закончили тем, что не понимаем достаточно хорошо ни того, ни другого» [47, т.7, с. 187]. Это откровенное высказывание Р. Фейнмана показывает, что, отрицая существование эфира Вселенной, современная физика по вопросам электричества и магнетизма, да и не только по ним, совершает бег на месте.
Согласно гипотезе эфирной природы электромагнетизма, магнитные свойства у нейтральных макроскопических тел определяются ориентацией эфитонов в эфирных полях атомов и молекул вещества. Тела, у которых эфитоны эфирных полей атомов и молекул по магнитной составляющей ориентированы одинаковым образом и эта ориентация способна сохраняться продолжительное время, называются постоянными магнитами.
По характеру проявления магнитных свойств вещества подразделяются на парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.
Если эфитоны эфирных полей атомов и молекул вещества в основном ориентируются так, что создаваемое ими магнитное поле усиливает внешнее магнитное поле, намагничивающее вещество, то такое явление называется парамагнетизмом, а вещества, в которых это явление наблюдается, называются парамагнетиками.
Если эфитоны эфирных полей атомов и молекул вещества в основном ориентируются так, что создаваемое ими магнитное поле ослабляет внешнее магнитное поле, намагничивающее вещество, то такое явление называется диамагнетизмом, а вещества, в которых это явление наблюдается, называются диамагнетиками.
Проявление парамагнитных и диамагнитных свойств вещества можно продемонстрировать с помощью сильного электромагнита (рис. 5.7.1), один из полюсных наконечников которого заострен, а другой — плоский [47, т.7]. У заостренного полюса данного магнита поле будет сильнее, чем у плоского полюса. Если небольшой кусочек материала (цилиндрик), подвешенный на длинной струне, поместить между

Рис, 5.7.1.
Определение магнитных свойств веществ
полюсами такого магнита, то на него будет действовать небольшая сила, которую можно обнаружить по смещению подвешенного цилиндрика: диамагнетики выталкиваются из сильного магнитного поля (цилиндрик отклоняется в сторону плоского полюса), а парамагнетики, наоборот, стремятся сместиться в более сильное поле (к заостренному полюсу).
К парамагнетикам, например, относятся алюминий, марганец, вольфрам, платина, а к диамагнетикам — висмут, медь, серебро, кадмий и др. Из диамагнетиков наиболее сильным является висмут.
Особый интерес представляют так называемые ферромагнитные вещества, у которых намагниченность в тысячи и миллионы раз превышает намагниченность парамагнитных и диамагнитных веществ. Они, как и парамагнетики, притягиваются заостренным полюсом магнита. Наиболее сильными ферромагнетиками являются железо, кобальт и никель. В отличие от парамагнетиков, намагниченность у ферромагнетиков не пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля (рис. 5.7.2). Сначала намагниченность вещества M растет весьма интенсивно и пропорционально напряженности внешнего магнитного поля В, даже при малых значениях напряженности данного поля, а затем она по экспоненте начинает медленно приближаться к некоторому своему

максимальному возможному значению Mrnax. Это объясняется тем, что эфитоны эфирных полей атомов и молекул ферромагнетиков способны быстро реагировать на изменение внешнего магнитного поля. Затем, по мере ориентации основной массы эфитонов по магнитной составляющей внешнего магнитного поля, скорость приращения количества эфитонов, ориентирующихся по магнитной составляющей, снижается, а в пределе становится равной нулю независимо от дальнейшего роста напряженности этого поля (все эфитоны ориентированы).
Представляется, что магнитные свойства каждого вещества определяются особенностями строения электронной оболочки его атомов. Каковы же эти особенности у ферромагнетиков, парамагнетиков и диамагнетиков?
Обозначим через гХпакЛпЬ] — химический элемент и строение его электронной оболочки. Например, для марганца это обозначение примет вид 2JMn3d5/4s2, где 25 — атомный номер, Mn — символ элемента, 3d5/4s2-электронная конфигурация: в 3-ем слое в состоянии d находятся 5 электронов, а в 4-м слое в состоянии s — 2 электрона. Тогда запись строения электронных оболочек у ферромагнетиков (железо, кобальт, никель), парамагнетиков (марганец, вольфрам, платина) и диамагнетиков (медь, серебро, висмут) примет следующий вид: ферромагнетики — 26Fe3d6/4s2,27Co3d7/4s25 2gNc3d8/4s2; парамагнетики — 25Mn3d5/4s2,74W5d4/6s2, 7gPt5d9/6sl; диамагнетики — 29Cu3dl0/4sl, 47Ag4dl0/5sl, g3Bi6s2/6P3 .
Как следует из данной записи, для ферромагнетиков характерной особенностью строения электронной оболочки является то, что при незаполненном до конца третьем электронном слое, в четвергом слое, в состоянии s находятся по два электрона. При этом “дефицит” электронов lt; в третьем слое составляет менее половины от максимально возможного числа электронов, которое может быть в состоянии d (10).
У парамагнетиков марганца и вольфрама, как и у ферромагнетиков, во внешнем электронном слое в состоянии s также находятся по два электрона, но “дефицит” электронов в предыдущем слое составляет уже половину и больше от максимально возможного числа электронов в состоянии d.
Для диамагнетиков характерным является отсутствие “дефицита” электронов в предыдущих электронных слоях, а во внешнем слое число электронов всегда нечетно. Платина по строению своей электронной оболочки занимает промеясуточное положение между парамагнетиками и диамагнетиками: у нее в пятом слое не хватает одного электрона в состоянии d, а во внешнем (шестом) слое в состоянии s имеется только один электрон.
Каким же образом эти особенности строения электронных оболочек могут определять магнитные свойства вещества?
Еще на первых этапах развития квантовой механики было установлено, что если два электрона находятся в одном месте (близко друг к другу), то их спины имеют противоположное направление. Данный факт в квантовой механике нашел отражение в виде принципа запрета, который гласит, что два электрона не могут занимать одно и то же состояние (в смысле положения и ориентации спина). Ho какие силы обеспечивают данный запрет, до сих пор не выяснены. Об этих силах Р. Фейнман пишет: «Было замечено, что существуют мощные кажущиеся силы (однако не магнитные и не другие известные силы), которые стремятся выстроить спины соседних электронов противоположно один другому. Эти силы тесно связаны с силами химической валентности.... Иногда такие «спин-вращающие» силы называют обменными» [47, т.7, с.162].
Спины соседних электронов в электронных слоях атомов под воздействием «спин-вращающих» сил стремятся занять противоположные направления. Это стремление электронов иметь противоположные по направлению спины объясняет отсутствие магнетизма почти у всех веществ. Также известно, что если в железе магнитный момент атома направлен, например, вверх, то магнитный момент соседнего атома также стремиться направиться вверх и т.д., т.е. все моменты атомов стремятся быть параллельными.
Таким образом, в теории магнетизма остаются нерешенными вопросы, связанные как с раскрытием природы обменных сил, так и выяснением того, почему у материалов, подобных железу, магнитные моменты атомов стремятся быть параллельными. Рассмотрим оба эти вопроса в рамках гипотезы эфирной природы электромагнетизма.
В общей теории магнетизма предполагается, что намагниченность определяется спином электрона, который равен 1/2. Электрон имеет магнитный момент, равный одному магнетону Бора: ц. = = qeh/2me.
Так как заряд электрона отрицательный, то его магнитный момент имеет направление, противоположное направлению спина.
Имея магнитный момент, каждый электрон формирует вокруг ребя магнитное поле. Если магнитные поля двух соседних электронов пересекаются между собой, то от их сложения возникает результирующее магнитное поле (рис. 5.7.3). Это поле, стремясь к минимальному уровню своей энергии, вынуждает электроны развернуться таким образом, чтобы их спины имели противоположные направления. Тогда северный полюс первого электрона будет находиться на минимальном расстоянии от южного полюса второго электрона, а южный полюс первого электро-

на — от северного полюса второго электрона, что обеспечивает минимальную и равную протяженность магнитных силовых линий между магнитными полюсами электронов, т.е. такое взаимное расположение электронов обеспечивает минимальный уровень энергии магнитного поля. А так как сила магнитного взаимодействия между электронами значительно слабее силы электрического взаимодействия (отталкивания), то электроны под воздействием обменных сил только изменяют ориентацию спинов, оставаясь на прежних расстояниях между собой. Картина магнитного взаимодействия между соседними электронами подобна картине взаимодействия между двумя магнитными диполями, когда они стремится сблизиться между собой разноименными полюсами.
Учитывая, что у каждой пары соседних электронов спины имеют противоположную направленность, то их суммарный магнитный момент становится равным нулю.

Поэтому магнитный момент атома в основном определяется одиночными электронами внешнего электронного слоя. У ферромагнетиков и парамагнетиков во внешнем электронном слое в состоянии s находятся по два электрона. Если между этими электронами будет проявляться магнитное взаимодействие, то тогда атомы должны иметь нулевой (близкий к нулевому) магнитный момент. Однако, результаты исследований говорят об обратном. Это означает, что между электронами во внешнем слое ферромагнетиков и парамагнетиков практически отсутствует магнитное взаимодействие, а их спины могут занимать случайное направление в пространстве. Представляется, что это может быть только в том случае, когда электроны располагаются на противоположных сторонах атома, а сам атом играет роль экрана.
При наложении на магнетик внешнего магнитного поля (рис. 5.7.4), электроны внешних слоев атомов начинают ориентировать свои магнитные моменты в направлении магнитных силовых линий данного поля. Когда напряженность внешнего магнитного поля В достигает определенного значения, у ферромагнетиков и парамагнетиков магнитные моменты электронов во внешних слоях всех атомов стремятся быть параллельными., А это означает, что в этом случае магнитный момент атома становится равным цА = 2(^ = qeh/me. Однако не прямое магнитное взаи-

модействие обеспечивает выстраивание магнитных моментов атомов, например, железа в одном направлении, а эффективные силы взаимодействия внешнего магнитного поля с магнитными полями, создаваемыми магнитными моментами атомов. Данные эффективные силы в тысячи раз больше сил прямого магнитного взаимодействия между атомами.
Таким образом, согласно гипотезе эфирной природы электричества и магнетизма, природа обменных («спин-вращающих») сил и сил, обеспечивающих ориентацию магнитных моментов атомов, является магнитной (эфирной). Именно эфир, обладая электрическими и магнитными свойствами, обеспечивает все нам известные и неизвестные взаимодействия в природе.
Теперь посмотрим, почему у парамагнетиков намагниченность проявляется во много-много раз меньше, чем у ферромагнетиков. Как было сказано выше, и ферромагнетики, и парамагнетики во внешнем (четвертом) электронном слое имеют по два электрона в состоянии s, но в третье^ слое парамагнетики имеют электронов меньше, чем ферромагнетики. Поэтому эффективный (интегральный) электрический заряд, действующий на каждый электрон внешнего слоя, у парамагнетиков будет больше, чем у ферромагнетиков, так как чем больше электронов в третьем слое, тем они сильнее «экранируют» силу кулоновского взаимодействия между ядром атома и внешними электронами. Отсюда следует, что сила кулоновского взаимодействия электронов внешнего слоя с ядром атома у парамагнетиков сильнее, чем у ферромагнетиков. И если электрический заряд в электроне имеет неравномерное распределение по его объему, то более сильное кулоновское взаимодействие с ядром может являться основной причиной того, что электроны, в стремлении согласовать направления своих магнитных моментов с направлением внешнего магнитного поля, будут испытывать противодействие со стороны электрических сил, следствием чего является слабая намагниченность вещества. J
У диамагнетиков во внешнем слое всегда находится нечетное число электронов. При числе электронов от трех и выше ядро атома уже не может служить экраном для «спин-вращающих» сил. Поэтому соседние электроны будут стремиться свои спины ориентировать в про
тивоположных направлениях. Оставшийся нечетный электрон будет испытывать воздействие одновременно как со стороны ядра и соседних электронов (электрическое), так со стороны внешнего магнитного поля. Поэтому такой электрон не способен обеспечить намагниченность вещества, а расход энергии на его ориентацию приводит к снижению напряженности внешнего магнитного поля.-
Все, что было сказано выше о магнетизме вещества, относится только к отдельным атомам. Вместе с тем, магнитные свойства вещества (куска железа) зависят не только от строения электронной оболочки его атомов, но и от формы кристаллической решетки, направления внешнего магнитного поля относительно граней решетки, количества примесей, температуры.
Обычной формой решетки у железа является объемноцентрирован- ная кубическая решетка, но при температуре более 11 О00 С она перестраивается в гранецентрированную кубическую решетку (рис. 3.8.1). Магнитные свойства у железа проявляются тогда, когда оно находится в обычной форме, а в другой форме они практически не проявляются как из-за формы решетки, так и из-за высокой температуры. Влияние гра- нецентрированной кубической решетки на намагничивание вещества демонстрирует, например, сплав из железа (74%), хрома (18%) и никеля (8%), который называется нержавеющей сталью и при обычной температуре имеет гранецентрированную кубическую решетку, благодаря чему этот сплав обладает совершенно другими магнитными свойствами. Несмотря на то, что сплав состоит в основном из ферромагнетиков (82%), но он не ферромагнетик, хотя и является магнетиком. Отсюда
следует, что форма кристаллической решетки играет существенную роль в намагничивании вещества.
Рассмотрим процесс намагничивания, например, куска железа, когда направление внешнего магнитного поля совпадает , с направлением граней решетки (а = 0). Под воздействием сил активации (спин-вращающих сил) электроны внешнего слоя атомов сориентируют свои магнитные моменты по магнитным силовым линиям внешнего поля, что обеспечивает параллельность магнитных моментов всех атомов и ориентацию
намагничивания железа (а = 0) магнитного момента каждого атома
в направлении соседних атомов (рис. 5.7.5). При этом атом становится магнитным диполем, у которого северный полюс направлен на южный полюс одного соседнего атома, а южный полюс — на северный полюс другого соседнего атома. Вследствие этого между атомами возникает магнитное -взаимодействие с образованием межатомных магнитных полей, направление которых совпадает с направлением внешнего магнитного поля, в результате чего происходит усиление этого поля. При а = О напряженность межатомных магнитных полей достигает своего максимального значения Вшах, так как в этом случае длина магнитных силовых линий оказывается минимальной. При выключении внешнего поля межатомное магнитное взаимодействие сохраняется до тех пор, пока не будет нарушена параллельность магнитных моментов атомов вещества под воздействием внешних факторов (температуры, внешних магнитных полей другого направления).
Если кусок железа повернуть таким образом, чтобы между направлениями внешнего магнитного поля и гранью вещества образовался угол а Ф 0, то под воздействием сил активации электроны внешнего слоя атомов, как и при а = 0, сориентируют свои магнитные моменты по направлению этого поля, обеспечивая тем самым параллельность магнитных моментов атомов (рис. 5.7.6). А так как в данном случае между направлением магнитного момента атома и направлением на соседние атомы будет угол а Ф 0, то напряженность межатомных магнитных полей будет определяться следующей зависимостью:
В = Вшах(1 -|tga|), (5.7.1)
где: Вшах — значение напряженности межатомных магнитных полей при a = 0.
Отсюда следует, что если кристалл имеет идеальную кубическую решетку, то при наложении на него внешнего магнитного поля под углом 45 градусов относительно любой его грани, вещество, независимо от сорта его атомов, намагничиваться не будет.

Магнитные свойства у ферромагнетиков зависят от температуры. Чем ниже температура вещества, тем сильнее проявляются ферромагнитный эффект. При понижении температуры амплитуда колебаний атомов в решетке уменьшается, атомы выстраиваются по граням более строго, угол а—»0, а напряженность межатомного магнитного поля В—»Втах. И, наоборот, при повышении температуры растут колебания атомов в узлах решетки, увеличивается угол а, снижается напряженность межатомного магнитного поля. При достижении температуры некоторой величины (точки Кюри), ферромагнетики становятся парамагнетиками. Ho когда температура опять снижается ниже точки Кюри, вещество снова становится ферромагнетиком.
Влияние температуры на магнитные свойства вещества демонстрирует следующий опыт. Возьмем кусок никелевого провода и нагреем его на газовой горелке до температуры выше точки Кюри, т.е. до такой температуры, когда провод не будет притягиваться даже сильным магнитом. Если после этого оставить данный провод остывать рядом с магнитом, то в тот момент, когда температура провода станет ниже температуры точки Кюри, он внезапно притянется магнитом.
Еще пример. Если нагреть ферромагнетик до температуры выше точки Кюри, при которой у него начинается перестройка кристаллической решетки (для железа t = 753 градуса), и поместить его во внешнее магнитное поле, а затем медленно остудить, то ферромагнетик приобретает сильную намагниченность, которая сохраняется сотни и тысячи лет. В данном случае под воздействием внешнего магнитного поля в процессе остывания у ферромагнетика происходит формирование такой кристаллической решетки, грани шторой будут параллельны магнитным силовым линиям внешнего поля, т .е. у него угол а будет равен нулю.
Количество и состав примесей могут, как снижать магнитные свойства вещества, так и повышать. Все зависит от того, какое влияние они оказывают на форму и строение кристаллической решетки вещества. В сплаве нержавеющей стали примеси в виде хрома и никеля отрицательно влияют на магнитные свойства железа. Однако существуют такие сплавы, используемые для изготовления постоянных магнитов, у которых намагниченность в сотни раз превышает намагниченность в железе. Одним из таких сплавов является мелкозернистый сплав под названием Алнико V (51% Fe, 8% Al, 14% Ni, 24% Co, 3% Cu). Механическая Обработка этого сплава ведется таким образом, чтобы кристаллы выстраивались в виде продолговатых зерен в направлении будущей намагниченности. Естественно, при намагничивании Алнико V направление внешнего магнитного поля должно как можно точнее совмещаться с направлением
граней его кристаллов. В этом случае петля гистерезиса у Алнико V становится примерно в 500 раз шире, чем у мягкого железа.
Таким образом, степень проявления магнитных свойств в веществе в основном зависит от следующих факторов: строения электронной оболочки атомов, формы и строения кристаллической решетки, точности совмещения направления граней кристаллов с направлением внешнего намагничивающего поля.

<< | >>

Источник: Микерников Николай Григорьевич. Эфир Вселенной и современное естествознание. Основы эфирной физики. 2009

Еще по теме Магнетизм вещества:

- Биология индивидуального развития - Для внеклассного чтения - История биологии - Книги по биологии - Научно-популярная биология - Теория эволюции - Физиология животных -

- Биолгия - Ветеринария - Взаимоотношения животных - Все животные - Геология - Зоопсихология - Коровы - Кошки - Лечение животных - Лошади - Насекомые - Науки о Земле - Опасные растения и животные - Растительный мир - Редкие животные - Сельское хозяйство - Собаки - Экология -