Лекция 12. Вещество в магнитном поле. Магнитные моменты атомов. Намагниченность вещества. Магнитная проницаемость. Физическая природа диа- и парамагнетизма. Ферромагнетики

Вещественные тела состоят из атомов, а в состав атомов входят движу­щиеся заряженные частицы - электроны и протоны. Внутриатомное движение этих частиц может быть подразделено на орбитальное и собственное, назы­ваемое ещё спиновым. Так, например, электрон в атоме вращается вокруг ядра, а также обладает собственным (внутренним) вращением. Каждое из этих вращательных движений может быть уподоблено некоторому круговому витку с током, магнитной характеристи­кой которого служит магнитный момент = IS. Например, для орбитального движения электрона:

I = q_еn = q_е/Т, S = pr² и Р_m = q_еpr²/Т = q_еur/2, где
q_е = - 1,6×10^-19 Кл – заряд электрона, n и Т - частота и период вращения электрона, а r – радиус орбиты электрона в атоме.

Магнитный момент характеризует собственное (спиновое) вращение, как электрона, так и протона, а также и нейтрона, хотя послед­ний является электрически незаряженной частицей.

Таким образом, наличие магнитных характеристик (магнитных моментов) является неотъем­лемой особенностью всех элементарных частиц, входящих в состав атомов. Соответственно, все вещественные тела могут, как создавать собственное магнитное поле, так и взаимодействовать с внешним магнитным полем. Мерой магнитных свойств вещества является магнитная проницаемость m, численно равная отношению индукции В магнитного поля в веществе к индукции В_о магнитного поля в вакууме:

m = В/В_о

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества (их можно называть магнетиками) делятся на слабые, у которых магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы, и сильные, у которых магнитная проницаемость много больше единицы.

Слабые магнетики, в свою очередь, делят на:

- диамагнетики, у которых магнитная проницаемость чуть меньше единицы и

- парамагнетики, у которых магнитная проницаемость чуть больше единицы.

При помещении вещества в магнитное поле оно, взаимодействуя с ним, "откликается" созда­нием собственного магнитного поля (то есть намагничи­вается). В слабых магнетиках собственное магнитное поле много меньше внешнего магнитного поля, и, в результате, суммарное магнитное поле в веществе незначительно отличается от внешнего (в отсутствии вещества).

В диамагнетиках собственное магнитное поле, возникающее в результате взаимодействия вещества с внешним магнитным полем, направлено против внешнего поля, и в результате суммарное магнитное поле в диамагнетике меньше, чем в вакууме. Это соответствует значениям магнитной проницаемости меньшим единицы. У таких характерных диамагнетиков, как висмут, медь, вода, она составляет соответственно: 0,9996; 0,9999; 0,99999.

Также, как и поляризация диэлектриков внешним электрическим полем, намагничивание магнетиков может осуществляться двумя основными способами, механизмами - деформационным и ориентаци­онным. В результате того и другого способа образец ве­щества приобретает ненулевой результирующий магнитный момент.

Мерой намагниченного состояния вещества выбирается величина , называемая намагниченностью, численно равная магнитному моменту единицы объёма вещества: = /V, где - магнитный момент i - го атома вещества, а N и V - общее число атомов вещества и его полный объём, соответственно.

Диамагнетизм в чистом виде наблюдается у веществ, атомы которых в отсутствие внешнего магнитного поля обладают нулевым результирующим ма­гнитным моментом. Объяснение механизму взаимокомпенсации магнитных моментов совокупности электронов, входящих в атом, даёт кванто­вая механика.

Диамагнетизм связан с тем, что электрон в атоме является не просто носителем магнитного момента, то есть магнитной стрелкой, но, и обладает механическим моментом (моментом импульса ), то есть, представляет собой как бы волчок или гироскоп. И при включении внешнего магнитного поля, которое пытается повернуть магнитный момент электрона в своём направлении, характер вращательного движения электрона становится прецессирующим, то есть ось вращения электрона, сама начинает вращаться вокруг направления индукции внешнего поля. Такая прецессия (еще ее называют ларморовой прецессией) сопровождает­ся появле­нием дополнительного магнитного момента DР_м электрона, направленного против внешнего магнитного поля. Иначе, механизм диамагнетизма можно в классических терминах истолковать и как индуциро­вание включаемым внешним магнитным полем токов и связанных с ними магнитных моментов электронов, направленных по правилу Ленца так, чтобы противодействовать причине их вызвавшей. В итоге, в диамагнетике создается собственное маг­нитное поле, направленное против внешнего и ослабляющее внешнее магнитное поле внутри диамагнетика. Схематически это можно изобразить так.

В = m_оmН = В_о - В^¢; В^¢ = m_оJ; В = m_о(Н - J); m = В/В_о = 1 – В^¢/В_о = 1 – J/Н

Индуцированные внеш­ним магнитным полем магнит­ные моменты электронов и в целом намагни­ченность диамагнети­ка практически не зависят от температуры, что отличает диамаг­не­тизм от пара- и ферромагнетизма.

У ряда веществ, атомы которых обладают ненулевым магнитным моментом в отсутствие внешнего магнитного поля, диамагнитный эффект перекрывается и маскируется более сильным парамагнитным эффектом. К таким веществам относят вещества с нечётным числом электронов, например алюминий, щело­чные металлы, вольфрам и другие. Магнитная проницаемость у парамаг­нети­ков незначительно (на доли процента) больше единицы. У наиболее сильного парамагнетика - жидкого кислорода магнитная проницаемость равна 1,0034.

Парамагнетики являются магнитными аналогами полярных диэлектриков, и механизм их намагничивания носит ориентационный характер. При помещении во внешнее магнитное поле на магнитные моменты атомов действует со стороны магнитного поля вращающий момент, который и поворачивает, ориентирует их в направлении индукции внешнего поля. В результате образец пара­магнетика намагничивается в направлении внешнего магнитного поля, то есть его собственное магнитное поле направлено так же как внешнее, и суммарное магнитное поле в веществе больше, чем в вакууме. Ориентирующему действию внешнего магнитного поля препятствует разупорядочи­вающее действие хаотического теплового движения. В результате действия этих противонаправлен­ных факторов достигается некоторое динамическое равновесие, которое смещается в ту или иную сторону при увеличении либо температуры, либо ин­дукции внешнего магнитного поля.

Схематически механизм намагничения парамагнетика представлен на рис.

В = m_оmН = В_о + В^¢; В^¢ = m_оJ; В = m_о(Н + J); m = В/В_о = 1 + В^¢/В_о = 1 + J/Н

Дата добавления: 2014-01-06