|
Содержание
Предисловие к первому изданию
Настоящая книга представляет собой популярное изложение современных представлений о магнитных свойствах веществ макроскопических размеров, а также микрочастиц — электронов, атомных ядер и элементарных частиц (адронов, кварков и т. п.). Изложение начинается с краткого введения, в котором в доступной форме рассматриваются самые общие представления о магнетизме, его универсальности и значении магнетизма для современной техники — его практическом использовании как особого состояния различных веществ и как средства информации о других их свойствах. В книге приводится большое число рисунков, таблиц, а также ряд задач и вопросов, которые могут помочь читателю лучше понять и усвоить ее содержание. В § 1 дается феноменологическое описание магнитных явлений на примерах постоянных магнитов и макроскопических электрических токов. Вводятся основные понятия физики магнитных явлений, в первую очередь — понятие магнитного поля как особой формы материи, его главные количественные характеристики, вспомогательное понятие фиктивных магнитных зарядов, магнитный момент, напряженность и индукция магнитного поля, а также намагниченность вещества. Обсуждаются гипотеза Ампера о молекулярных токах и его теорема об эквивалентности магнитов и электрических токов, сыгравшие фундаментальную роль в формировании современных физических представлений о природе магнетизма, рассматривается магнитный момент замкнутых контуров электрических токов и соленоидов как основная характеристика магнитных свойств вещества и микрочастиц. В § 2 производится феноменологическая классификация магнетиков. Выводится выражение для «атома магнетизма» — магнетона Бора. Проводится сравнение основных энергий в атомном масштабе: электрической, магнитной (относительно внешнего магнитного поля) и средней тепловой энергии, приходящейся на одну степень свободы движения атомных частиц. Даются понятия об основных эффектах влияния внешнего магнитного поля на магнитные свойства вещества — поляризационный (вытекающий из закона индукции Фарадея и лежащий в основе диамагнетизма) и ориентационный (заключающийся в ориентации элементарных магнитиков вдоль напряженности внешнего поля и лежащий в основе парамагнетизма). Выводятся элементарные выражения для циклотронной частоты, связанной с добавочным вращением электрически заряженных частиц во внешнем магнитном поле, а также для диамагнитной намагниченности и восприимчивости на основе атомных представлений. Рассматриваются также парамагнитная намагниченность и восприимчивость (закон Кюри). Дается связь между внутренней энергией взаимодействия атомных магнитиков и критической температурой (точкой Кюри). Вводятся понятия слабо- и сильномагнитных веществ. В § 3 дается объяснение обменного взаимодействия и указывается на его значение для магнитоупорядоченных состояний сильных магнетиков. Приводится вывод формулы для зависимости самопроизвольной намагниченности ферромагнетика от температуры. Вводится понятие молекулярного поля Вейсса — Розинга. Дается классификация сильных магнетиков — ферро-, ферри- и антиферромагнетиков. В § 4 излагается связь между строением электронной оболочки атома и ее магнитными свойствами. Вводятся понятия магнитомеханического отношения и фактора Ланде. Рассматриваются порядок застройки электронами атомной оболочки, нормальные и переходные элементы. В § 5 обсуждается атомная природа магнетизма слабо-магнитных тел — пара- и диамагнетиков. Дается объяснение слабой температурной зависимости парамагнитной восприимчивости слабомагнитных металлов (закон Дорфмана — Паули). Специально обсуждается вопрос о парамагнетизме слабомагнитных переходных металлов. Дается понятие об энергетических уровнях Ландау, находится выражение для диамагнитной восприимчивости металлов, кратко описываются магнитные свойства сверхпроводников. В § 6 излагаются атомные представления о сильномагнитных веществах — ферро-, ферри- и антиферромагнетиках. Подробно обсуждается вопрос об особенностях атомов переходных и редкоземельных металлов, о прямом и косвенном обменном взаимодействии, приводится вывод критерия ферромагнетизма в переходных металлах. В заключение дается вывод зависимости энергии от импульса для элементарных магнитных возбуждений — спиновых волн (или ферромагнонов). В § 7 дается описание основных характеристик сильномагнитных веществ во внешних магнитных полях. Речь здесь идет о кривой намагничивания, петле гистерезиса ферромагнетиков, остаточной намагниченности (или индукции), коэрцитивной силе, доменной структуре ферромагнетиков. Подробно обсуждается вопрос о мягких и высокоэрцитивных магнитных материалах. В § 8 рассматривается практическое применение магнетизма в различных областях науки и техники. В заключительном § 9 кратко рассказывается о магнитных моментах составных частиц атомных ядер — нуклонов (протонов и нейтронов), пионов — частиц, осуществляющих специфическое сильное взаимодействие между нуклонами, самих атомных ядер, неравновесных тяжелых элементарных частиц — адронов и их составных частиц— кварков, о магнитном монополе Дирака. Автор надеется, что, хотя часть материала книги и выходит за рамки школьного, а иногда и вузовского (не для физиков) курса физики, любознательные инженеры, аспиранты, студенты и школьники физико-математических школ смогут усвоить большую часть изложенного материала (более сложные вопросы напечатаны петитом). В этом им должны помочь задачи и вопросы, которые приводятся в конце книги. Автор благодарен Р. А. Гитлин, А. П. Заварницыну и Л. М. Шахиной за большую помощь при оформлении рукописи книги, а также Л. А. Прозоровой за многочисленные ценные замечания по содержанию и форме изложения материала книги. С. В. Вонсовский, 1984 г. ВВЕДЕНИЕ
Если попытаться ответить на вопрос — что такое магнетизм — возникнет большое затруднение. Оно связано с тем, что магнитные свойства присущи буквально всему, что окружает нас в природе, в техническом и домашнем обиходе. В природе мы встречаемся с магнетизмом, начиная с элементарных частиц материи, обладающих магнитными свойствами, и кончая безграничными космическими пространствами, заполненными электромагнитным полем, одной из основных компонент которого является магнитное поле. В технике и науке многие аппараты и машины не обходятся без участия магнитных элементов. Можно, конечно, выделить и более узкий круг явлений, где магнитные свойства первостепенны, он составляет содержание специального раздела естествознания и техники и носит название физики и техники магнитных явлений. Универсальность магнитных свойств движущейся материи, их тесная связь с внутренней структурой вещества и объясняет то большое место, которое магнетизм занял в современном естествознании и в общественной практике человечества. Можно также понять, что универсальность магнитных свойств атомных частиц и магнитного поля позволяет использовать эти свойства как тонкий источник информации о внутреннем строении как самих микрочастиц, так и их коллективов — макроскопических тел. Кроме того, эта универсальность открыла большие возможности и для применения магнетизма в технике путем использования магнитных свойств вещества, во-первых, для создания технических магнитных материалов и, во-вторых, для получения детальной информации о других, более труднодоступных для непосредственного изучения, физико-химических свойствах веществ, что лежит в основе методов магнитоструктурного анализа, магнитной дефектоскопии и магнитных измерений. Если задать любому человеку, знакомому с физикой лишь по школьному курсу, вопрос — что такое магнетизм — то у него сразу возникнут в памяти картинки подковообразных магнитов, стрелки магнитного компаса, полосатые осадки из очень мелких железных опилок, обрисовывающие так называемые линии магнитной индукции (магнитные силовые линии) у полюсов постоянных магнитов, правила правой и левой руки, правило буравчика и тому подобные сведения, которые сохранились в памяти еще с юношеских лет. Ясно, что эти смутные школьные воспоминания далеко не исчерпывают такого сложнейшего явления природы, каким является магнетизм. Они, конечно, не в состоянии помочь глубокому научному разъяснению этого интереснейшего и важнейшего явления в современной человеческой цивилизации, особенно в эпоху научно-технической революции. Чтобы лучше понять огромное значение, которое приобрел магнетизм в жизни человека, представим себе на мгновение, что материя потеряла свои магнитные свойства. Можно сразу сказать, что это вызвало бы катастрофические последствия. Во всем мире была бы полностью парализована вся энергетика, поскольку вышли бы из строя все электрические генераторы и моторы, действие которых основано на использовании магнитных свойств вещества. Замолчало бы радиовещание и вся проволочная электросвязь. В домах замолчали бы телефоны, радиоприемники, не действовали бы телевизоры. Остановились бы сразу все электропоезда, трамваи, тепловозы, автомашины, т. е. практически весь транспорт. Современная цивилизация замерла бы, и человечество было бы отброшено в своем развитии на сотни лет назад. Из этой, к счастью, нереальной картины каждый человек, даже не искушенный в тонкостях физики, поймет, что магнетизм — это такое свойство материи, которое достойно более глубокого внимания и изучения, чем сохранившиеся остатки разрозненных школьных воспоминаний о стрелке магнитного компаса или правиле буравчика. Ниже мы постараемся в доступной форме ввести читателя в круг современных физических представлений о природе магнетизма, рассказать о различных его проявлениях и познакомить с некоторыми практическими применениями магнетизма в экспериментальных исследованиях при изучении разнообразных свойств вещества и магнитного поля, а также в технике.
Об авторе
 Вонсовский Сергей Васильевич Советский и российский физик, специалист по ферромагнетизму и квантовой теории твердого тела. Академик АН СССР (1966), академик РАН (1991). Доктор физико-математических наук, профессор. Заместитель директора Института физики металлов Уральского научного центра АН СССР, основатель уральской научной школы теории магнетизма. Лауреат Государственной премии СССР (1975, 1982), премии Совета Министров СССР (1969). Награжден орденами Красной Звезды, орденом Трудового Красного Знамени, двумя орденами «Знак Почета», Золотой медалью имени С. И. Вавилова. С 1947 г. непрерывно работал в Институте физики металлов АН СССР: заведующий отделом, с 1950 г. — заместитель директора института, с 1953 г. — заведующий лабораторией, с 1993 г. — главный научный сотрудник.
Труды С. В. Вонсовского посвящены квантовой теории твердого тела, многоэлектронной теории металлов и полупроводников, теории ферро- и антиферромагнетизма, сверхпроводимости. В 1941 г. он разработал способ создания в ферромагнетиках магнитной текстуры путем термомеханической обработки. Создал новые технические магнитные материалы. Он автор более 170 научных работ и 8 монографий, основные из которых: «Ферромагнетизм» (1948, соавтор Я. С. Шур), «Современное учение о магнетизме» (1953), «Магнетизм» (1971), «Сверхпроводимость переходных металлов, их сплавов и соединений» (1977), «Квантовая физика твердого тела» (1984). |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||