Барнетта эффект

Федеральное агентство по образованию  РФ 

Пензенский  государственный  педагогический университет  им. В.Г. Белинского 

Кафедра общей физики 
 
 
 
 
 

Курсовая  работа на тему: 

« Барнетта эффект » 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Выполнил: студент гр. ФИ-42

иванова

                                                                                                                                                                                                     Проверил: )  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Пенза – 2008

        СОДЕРЖАНИЕ 

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….2

ОПИСАНИЕ  ЭФФЕКТА Эффект Барнетта………………………………6

                                      Эффект Эйнштейна-де Газа…………………....8

ПРИМЕНЕНИЕ  ЭФФЕКТА………………………………………………….11

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…………………………………………………….17 

ВВЕДЕНИЕ

       Барнетта  эффект, намагничивание ферромагнетиков при их вращении в отсутствии магнитного поля; открыт в 1909 американским физиком С. Барнеттом (S. Barnett). Барнетта эффект объясняется тем, что при вращении тела момент количества движения и связанный с ним магнитный момент его атомов изменяются; появляется составляющая магнитного момента вдоль оси вращения. Барнетта эффект, так же как и другие магнитомеханические явления, позволяет получить важные сведения о природе носителей магнитного момента в веществе. С его помощью для различных веществ было определено магнитомеханическое отношение (отношение магнитного момента атома к его моменту количества движения) и сделан вывод о том, что в металлах и сплавах группы железа ферромагнетизм обусловлен в основном магнитным моментом спина электрона.

       Ферромагнетики, вещества, которые ниже определенной температуры - Кюри точки Т_к обладают самопроизвольной намагниченностью. К ферромагнетикам относятся переходные элементы - Fe, Со, Ni, некоторые РЗЭ (Gd, Tb, Dy, Но, Er, Tm); металлические бинарные и многокомпонентные сплавы и соединения перечисленных металлов между собой и с др. неферромагнетными элементами; сплавы и соединения Cr и Mn с неферромагнетными элементами; аморфные сплавы, в т. ч. металлического стекла, например, состава 80% Fe, 20% В; некоторые соединения актиноидов, например UH₃.

       Ферромагнетики  - системы с открытыми электронными оболочками, т. е. их вырожденные молекулярные орбитали заполнены частично. Магнитные моменты атомов и ионов ферромагнетиков благодаря существующему между этими частицами обменному взаимодействию направлены одинаково, поэтому ферромагнетики всегда намагничены. Однако в отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность макроскопических ферромагнитных образцов может не проявляться. Т.к. магнитные моменты малых областей ферромагнетиков - доменов направлены различно, суммарный магнитный момент м. б. равен нулю. Во внешнем магнитном поле намагниченность Ф. увеличивается вследствие роста числа доменов с вектором намагниченности, близким к направлению поля, и последующего поворота магнитных моментов доменов по полю. Магнитный момент единицы объема , где H - напряженность поля, - магнитная восприимчивость. С ростом H значение 1 увеличивается нелинейно, т.к. зависит от H. Для ферромагнетиков, как правило, характерно явление гистерезиса - кривые намагничивания и размагничивания не совпадают (см. Магнитные материалы). При устранении намагничивающего поля ферромагнетики сохраняют остаточную намагниченность. Ее можно свести к нулю, например, нагревая ферромагнетик выше точки Кюри.

       Ферромагнетики подразделяют на магнитомягкие и магнитотвердые. Первые обладают малой коэрцитивной силой и значит, мага, проницаемостью. Для вторых характерны большие значения коэрцитивной силы и остаточной намагниченности.

       Магнитотвердые  ферромагнетики служат в основном для изготовления постоянных магнитов. Магнитомягкие ферромагнетики используют в электротехнике (трансформаторы, электромоторы, генераторы и др.), для изготовления магнитопроводов, элементов памяти ЭВМ, в устройствах преобразования электромагнитной энергии в механическую и наоборот. 

       Кюри точка (температура Кюри), температура Т_к, вблизи которой происходит качественное изменение физических свойств некоторых кристаллических тел (фазовый переход 2-го рода). В Кюри точке происходит переход ферромагнетик - парамагнетик, сопровождаемый исчезновением макроскопического магнитного момента. При температурах ниже Кюри точки ферромагнетик обладает самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью; при нагревании вещества и приближении к Кюри точке, тепловое движение атомов разупорядочивает ориентацию магнитного моментов атомов и в Кюри точке самопроизвольная намагниченность исчезает, ферромагнетик превращается в парамагнетик. Аналогично в антиферромагнитной Кюри точке (или точке Нееля) происходит разрушение характерной для антиферромагнетиков магнитной атомной структуры (магнитной подрешетки), и вещество превращается в парамагнетик. У сегнетоэлектриков в Кюри точке пропадает самопроизвольная (спонтанная) поляризация вещества из-за того, что тепловое движение атомов разрушает упорядоченную ориентацию электрических диполей элементарных ячеек кристаллической решетки. Вблизи Кюри точки наблюдается специфичная температурная зависимость не только магнитной восприимчивости (или электрической поляризации), но и теплоемкости. Однако плотность вещества изменяется непрерывно, теплота не поглощается и не выделяется. Для количественной оценки изменения свойств вводят т. наз. параметр порядка h, за который в случае перехода ферромагнетик - парамагнетик принимают намагниченность вещества. При температуре Т : Т_к параметр h : 0 и при Т_кh=0. Кюри точка названа по имени П. Кюри, подробно изучившего переход ферромагнетик-парамагнетик.

       Магнитомеханические явления, гиромагнитные явления, группа явлений, обусловленных взаимосвязью магнитного и механических моментов микрочастиц - носителей магнетизма. Любая микрочастица, обладающая определённым моментом количества движения (электрон, протон, нейтрон, атомное ядро, атом), имеет также и определённый магнитный момент. Благодаря этому увеличение момента количества движения системы микрочастиц - физического тела, образца - приводит к возникновению у образца дополнительного магнитного момента и, наоборот, при намагничивании образец приобретает дополнительный механический момент.  
Магнитный момент, основная величина, характеризующая магнитные свойства вещества. Источником магнетизма, согласно классической теории электромагнитных явлений, являются электрические макро- и микротоки. Элементарным источником магнетизма считают замкнутый ток. Из опыта и классической теории электромагнитного поля следует, что магнитные действия замкнутого тока (контура с током) определены, если известно произведение (М) силы тока i на площадь контура s. Вектор М и есть, по определению, М. м. Его можно записать и в иной форме: М = m l, где m - эквивалентный магнитный заряд контура, а l - расстояние между "зарядами" противоположных знаков (+ и -).

       Магнитный заряд, вспомогательное понятие, вводимое при расчётах статических магнитных полей (по аналогии с электрическим зарядом, создающим электростатическое поле). Магнитный заряд, в отличие от электрических зарядов, реально не существуют, так как магнитное поле не имеет особых источников, помимо электрических токов. Гипотеза П. Дирака (1931) о существовании в природе магнитных зарядов (магнитных монополей) экспериментально не подтверждена, хотя попытки обнаружить магнитные заряды продолжаются. Для тел, обладающих намагниченностью, можно ввести понятия объёмной r_m и поверхностной s_m плотностей магнитного заряда. Первая связана с неоднородным распределением намагниченности по объёму тела, вторая - со скачком нормальной составляющей намагниченности на поверхности магнетика. Магнитные заряды располагаются двойными слоями на поверхностях, где происходит скачок нормальной составляющей намагниченности, причём элементарные магнитные заряды противоположных знаков оказываются связанными в магнитные диполи.

       ОПИСАНИЕ ЭФФЕКТА

       Эффект  Барнетта заключается в намагничивании тел путем их вращения при отсутствии внешнего магнитного поля. Эффект реализуется в ферромагнетиках.

       Во  вращающемся с постоянной угловой  скоростью вокруг неизменной оси z образце (рис. 1) элементарные магнитики его материала представляют собой своеобразные гироскопы, обладающие механическим моментом количества движения и магнитным моментом.  

       Геометрия наблюдения эффекта Барнета.   

       Рис. 1  

       Вращающийся цилиндр сделан из ферромагнетика.  

       Вращение  гироскопов с постоянной угловой  скоростью W_z вокруг неизменной оси z эквивалентно процессу вращения гироскопов вокруг этой оси под действием некоторой ”опрокидывающей” пары сил, стремящейся поставить ось каждого гироскопа параллельно оси z.

       В то же время вращение всех гироскопов с постоянной угловой скоростью  вокруг неизменной оси z эквивалентно воздействию на эти магнетики поля Н_эф, направленного вдоль оси z, т.к. подобное поле вызовет, согласно теореме Лармора, прецессию гироскопических магнетиков с угловой скоростью W_z= g*_**. Наличие же эффективного поля Н_эф  должно проявиться не только в прецессии магнетиков, но и в возникновении  намагниченности образца вдоль оси z.

       Из  опытов по исследованию эффекта определено гиромагнитное отношение:  

       g = М / q = ge /(2mc),  

       где М - магнитный момент частицы вещества;

       q - момент количества движения частицы;

       е и т - заряд и масса электрона;

       с - скорость света;

       g - магнитно-механический фактор.(табл.1)  

       Эффект  возможен при температуре ниже точки  Кюри.