Курсовая работа: Производство гадолиния из отходов производств запоминающих устройств
Магнитная же индукция определяется как напряженностью, так и свойствами среды (вещества), характеризующимися относительной магнитной проницаемостью , (или просто магнитной проницаемостью), которая показывает, во сколько раз проницаемость вещества больше или меньше проницаемости вакуума.
Магнитная индукция в среде (веществе)
В = 0 Н , (1)
где 0 = а – абсолютная магнитная проницаемостьвещества.
Чтобы понять магнитные свойства различных веществ, характеризуемые значением , и, в частности, материалов, которые применяют для изготовления сердечников электромагнитных элементов разных типов, необходимо знать строение атомов и кристаллов твердых тел. Как известно, атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам. Круговой ток создает магнитный момент, (А м2 ), определяемый формулой
m = i S ,
где i — сила тока, А; S — площадь, обтекаемая током, м 2 ; поэтому вращающийся по орбите электрон обладает некоторым орбитальным магнитным моментом. Кроме того, при движении по орбите каждый электрон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вращающегося вокруг своей оси.
Это свойство называют спином электрона. Спин электрона, эквивалентный круговому току, обусловливает спиновый магнитный момент. Протоны и нейтроны, входящие в ядро атома, тоже имеют некоторые магнитные моменты, но в сотни раз меньшие, чем электроны. Поэтому можно считать, что магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойствами его электронов (рисунок 1, а). В случае нескольких электронов полный, или собственный, магнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов с учетом их направления.
Орбитальные и спиновые магнитные моменты могут иметь лишь одно из двух возможных направлений (согласное или противоположное). В том случае, если они направлены в противоположные стороны, магнитные моменты пары электронов взаимно компенсируются.
Это имеет место в любой полностью заполненной оболочке, например, у атома гелия, изображенного на рисунок 1, б. Собственный магнитный момент такого атома в отсутствие внешнего поля равен нулю.
Рисунок 1. Магнитные моменты электрона в атоме.
Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью (А / м)
J = m / V ,
где m – суммарный момент атомов, занимающих объем V .
Намагниченность можно рассматривать как напряженность, создаваемую микротоками электронных оболочек вещества. Поэтому индукцию в веществе можно представить как
В = 0 (Н + J) (2)
Часто векторы Н и J имеют одинаковое направление. При этом можно перейти к скалярному выражению и разделить обе части равенства (2) на Н :
B / H = 0 (1 + 1 / H ) (3)
Отношение J / H называют магнитной восприимчивостью вещества, а из сравнения (1) и (3) следует, что = 1 + .
Если на атом воздействует внешнее магнитное поле Н, то возникает прецессия орбит электронов вокруг вектора этого поля. Прецессия орбиты, показанная на рисунке 1, в пунктиром, эквивалентна некоторому дополнительному вращению электрона, которое вследствие его заряда, создает дополнительный магнитный момент. По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится ослабить его. Это явление называют диамагнетизмом; оно присуще атомам всех веществ.
У диамагнитных веществ вектор намагниченности направлен навстречу вектору напряженности поля (рис. 1, в), поэтому их магнитная восприимчивость отрицательна, а < 1 . Магнитная индукция в таких веществах меньше, чем в вакууме, при одной и той же напряженности внешнего поля H. Кроме инертных газов являются диамагнитными вода, некоторые металлы (медь, серебро, золото, ртуть, цинк, свинец, висмут) и многие органические соединения.
У парамагнитных веществ атомы обладают отличными от нуля собственными магнитными моментами, которые в отсутствие внешнего поля ориентированы равновероятно по всем направлениям; поэтому средний магнитный момент вещества равен нулю. При наложении внешнего поля возникают силы, которые преодолевают дезориентирующее действие теплового движения атомов и ориентируют магнитные моменты атомов по полю подобно магнитным стрелкам, помещенным во внешнее поле. Эта ориентация превышает диамагнитный эффект, создаваемый прецессией электронных орбит, в результате чего у парамагнетиков общая намагниченность совпадает с направлением внешнего поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков имеет положительное значение, а > 1 . К парамагнетикам относятся многие металлы (магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец) и соли железа, кобальта, никеля, редкоземельных элементов и др. У диамагнетиков и парамагнетиков – слабомагнитных веществ – намагниченность невелика и является наведенной внешним полем намагниченностью, которая исчезает вместе с исчезновением этого поля.
Ферромагнетики — это сильномагнитные вещества, у которых относительная магнитная проницаемость >>1 и может достигать десятков и даже сотен тысяч. Из химически чистых элементов ферромагнитными свойствами обладают только девять: железо, никель, кобальт, гадолиний и при температурах значительно ниже 0С пять редкоземельных элементов (эрбий, диспрозий, тулий, гольмий и тербий). Однако число ферромагнитных материалов очень велико, потому что к ферромагнитным материалам относятся сплавы самих ферромагнитных элементов и их сплавы с неферромагнитными элементами. Кроме того, известны ферромагнитные сплавы из неферромагнитных элементов.
Как уже отмечалось, собственный магнитный момент атома является суммой орбитальных и спиновых моментов электронов. Физические эксперименты показали, что ферромагнитные свойства определяются именно нескомпенсированными спинами электронов.
В атомах с достаточно большими порядковыми номерами электроны сгруппированы в электронные оболочки (слои). Максимальное число электронов в слое равно 2 n 2 . В слоях имеются подслои: первый s , второй р, третий d , четвертый f, пятый g . Для каждого подслоя существует свое предельное число электронов, полностью заполняющих подслой, причем у заполненных слоев и подслоев как орбитальные, так и спиновые магнитные моменты взаимно скомпенсированы. По мере увеличения числа электронов в атоме происходит последовательное заполнение слоев и подслоев и лишь у ферромагнетиков эта последовательность нарушается.
На рисунке 2, а изображены электронные слои (их номер обозначают цифрой) и подслои (s , р, d ) в атоме железа. В скобках около каждого подслоя указано число электронов, необходимое для полного его заполнения. Например, подслой 3d еще не заполнен (в нем шесть электронов, а для заполнения нужно десять) и в то же время началось заполнение следующего подслоя 4s , который имеет два электрона. В незаполненном подслое пять электронов обладают положительным (правым) спином и лишь один – отрицательным (левым). Следовательно, атом железа имеет четыре нескомпенсированных спина. Подобное отсутствие компенсации спиновых моментов в одном из внутренних слоев электронной оболочки атома является необходимым условием ферромагнетизма.
Рисунок 2 – Условия ферромагнетизма:
a - электронные слои и подслои атома железа б - график зависимости интеграла обмена от отношения расстояния между атомами a к диаметру незаполненного слоя d.