Magnetizarea substantelor

Magnetizarea substantelor

Magnetizarea unei substante introdusa intr-un camp magnetic se poate explica, in absenta sarcinilor magnetice, pe baza existentei de curenti circulari elementari in atomii si moleculele substantei, produsi de electronii acestora, numiti curenti amperieni sau dipoli magnetici.

In general, un dipol magnetic este un contur circular de diametru mic parcurs de un curent stationar de intensitate I. Acest dipol se comporta ca un mic magnet. Plasat intr-un camp magnetic uniform de inductie se constata experimental ca asupra lui actioneaza un cuplu de forte, unde fiecare forta este proportionala cu intensitatea curentului I din contur, cu sectiunea S a conturului si nu depinde de forma acestuia. Pe aceasta baza s-a definit momentul magnetic al dipolului, figura 3, prin relatia:

Momentul cuplului de forte care produce rotirea dipolului in campul magnetic extern, figura 4, este caracterizat prin momentul cuplului dat de relatia:

(8)

La rotirea dipolului cu elementul de unghi in campul magnetic exterior, modificarea energiei potentiale a acestuia este:

de unde, prin integrare, se obtine variatia energiei potentiale a dipolului la rotirea acestuia cu un unghi oarecare :

adica:

(9)

Intr-o substanta, in absenta campului magnetic exterior, momentele magnetice ale dipolilor sunt orientate haotic si, drept urmare, substanta, in ansamblul ei, nu prezinta camp magnetic; momentul magnetic rezultant este nul. Cand substanta este introdusa in camp magnetic exterior momentele magnetice moleculare se orienteaza si ca urmare substanta se magnetizeaza producand un camp magnetic propriu , care se suprapune peste campul magnetic exterior, campul magnetic rezultant fiind:

(10)

Se defineste intensitatea de magnetizare (sau magnetizatie) ca fiind marimea fizica vectoriala reprezentand suma momentelor magnetice din unitatea de volum:

(11)

Se constata experimental ca:

(12)

unde reprezinta intensitatea campului magnetic;

reprezinta permeabilitatea magnetica a vidului, iar reprezinta o constanta dependenta de natura substantei denumita susceptibilitate magnetica.

In functie de semnul si valoarea susceptibilitatii magnetice substantele se clasifica astfel:

- substante diamagnetice; susceptibilitatea magnetica are valori negative apropiate de zero, vectorul magnetizatie orientandu-se in sens contrar campului magnetic exterior. Exemple de substante diamagnetice: bismutul, mercurul, apa, hidrogenul molecular;

- substante paramagnetice; susceptibilitatea magnetica are valori pozitive apropiate de zero, vectorul magnetizatie este orientat in acelasi sens cu campul magnetic exterior. Exemple de substante paramagnetice: Na, K, Rb, Cs, Mg, Al, Mn, oxigenul gazos si lichid;

- substante feromagnetice; susceptibilitatea magnetica are valori mult mai mari de zero, aceasta (deci si magnetizatia) fiind functie de valoarea campului exterior, fenomen numit histerezis magnetic. Curba de variatie se numeste, drept urmare, histereza, figura 5.

Pentru o substanta care nu a mai fost magnetizata, variatia magnetizatiei in functie de inductia campului magnetic exterior, este descrisa de curba OA, numita curba de prima magnetizare. Se ajunge la saturatie cand toate momentele magnetice ce compun substanta sunt orientate. La valori descrescatoare ale campului magnetic exterior magnetizatia descrie alta curba decat curba parcursa initial, avand o valoare diferita de zero, numita magnetizatie remanenta, , pentru o valoare nula a campului magnetic exterior. Aceasta se reduce pana la zero pentru o valoare a campului magnetic exterior numit camp coercitiv, . In continuare, pentru valori descrescatoare ale campului magnetic exterior, magnetizatia are o comportare asemanatoare, dar de semn contrar, atingand din nou saturatia apoi ramanand magnetizata remanent pentru valoarea nula a campului magnetic exterior, respectiv devenind zero pentru aceeasi valoare absoluta a campului magnetic exterior, .

Explicarea magnetizarii remanente este data de fizica cuantica care precizeaza existenta unor forte interne, numite forte de schimb, care tin orientate momentele magnetice dupa indepartarea campului magnetic exterior. Orientarea era realizata de aceste forte si initial, dar pe domenii, numite domenii Bloch, orientate spontan, figura 6, de aceea magnetizatia totala a substantei era zero.

Introdusa intr-un camp magnetic exterior intr-o asemenea substanta are loc atat o orientare a domeniilor cat si o marire a celor initial orientate in sensul campului magnetic exterior, in detrimentul celorlalte, figura 7.

Substantele feromagnetice prezinta o temperatura, numita punct Curie, T_C; peste aceasta temperatura, acestea devin paramagnetice;

- substante antiferomagnetice; sunt substante feromagnetice care se comporta ca niste substante paramagnetice (cu foarte mic). Au momentele magnetice orientate antiparalel. Prezinta o temperatura, numita punct Néel, T_N, peste aceasta temperatura acestea devin paramagnetice;

- substante ferimagnetice (ferite); sunt substante antiferomagnetice speciale in care numai o parte din momentele magnetice se orienteaza in sens contrar campului magnetic exterior si din acest motiv au o permeabilitate magnetica apropiata de cea a substantelor feromagnetice insa o conductivitate electrica redusa, ca cea a semiconductorilor, ceea ce le ofera un camp larg de aplicatii in electronica. Exemplu: (amestec echimolar).