Парамагнетизм. Парамагнетики и их свойства

Парамагнетизм - это свойство веществ, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Под общим названием парамагнетизм подразумевается совокупность всех магнитных свойств указанных материалов. Вещества, обладающие таким свойством, называют парамагнетиками.

Парамагнетизм характерен для веществ, частицы которых (атомы, молекулы, ионы, атомные ядра) обладают собственным магнитным моментом. В отсутствие внешнего магнитного поля атомы парамагнетика представляют собой молекулярные магнитные диполи, следовательно, магнитный момент атома парамагнетика не скомпенсирован, т.е. . Однако в отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически, так что в целомнамагниченность вещества J = 0.

Таким образом, при помещении парамагнитного вещества во внешнее магнитное поле молекулярные магнитные диполи стремятся ориентироваться вдоль направления вектора (рис. 3.9), (3.10). Ориентированию магнитных диполей препятствует тепловое движение атомов.

У парамагнетиков , . В не слишком больших магнитных полях уравнение магнитного состояния парамагнетиков является линейным:

. (3.29)

Для доказательства данного утверждения предположим, что число частиц, магнитные моменты которых лежат в пределах телесного угла (рис. 3.9) может быть определено с использованием распределения Больцмана:

.

В рассматриваемом случае

,

где W_p - потенциальная энергия магнитного диполя в магнитном поле.

Потенциальная энергия магнитного диполя в магнитном поле определяется соотношением

.

Воспользовавшись разложением функции в степенной ряд:

,

где , ограничившись двумя первыми членами разложения, с учетом того, что в случае малых магнитных полей , будем иметь

или .

Тогда число частиц, магнитные моменты которых заключены в телесном угле ,

,

где - число частиц, заключенных в телесном угле при В = 0.

Отсюда превышение числа частиц с ориентированными моментами будет равно

.

Соответственно в направлении поля

.

Намагниченность вещества, согласно определению,

.

Строгая теория парамагнетизма, созданная французским физиком Ланжевеном в 1905 г., приводит к выражению

. (3.30).

Следовательно, магнитная восприимчивость парамагнетиков действительно не зависит от напряженности магнитного поля:

.

Однако на практике в области достаточно больших напряженностей магнитных полей наблюдается некоторая зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля (по мере выстраивания магнитных моментов вдоль направления вектора внешнего магнитного поля) (рис. 3.11).

Из формулы (3.30) следует, что на намагниченность парамагнетика влияют магнитные свойства вещества (, ), напряженность внешнего магнитного поля Н и температура.

Причем два первых фактора и последний фактор оказывают на намагниченность J противоположное воздействие.

Поскольку , то парамагнетики втягиваются в область максимального магнитного поля (хотя и очень слабо). Парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (диамагнитные - отталкиваются). На рис. 3.12 представлено поведение ампулы с парамагнитным раствором хлористого железа в неоднородном магнитном поле.

Для парамагнетиков c_m~10^-7¸10^-4 и всегда положительна. Если поле велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц будут ориентированы строго по полю (магнитное насыщение).

В парамагнитных веществах намагниченность, обусловленная упорядоченным расположением электронов, атомов и т.д. (элементарных магнитов), значительно превосходит диамагнитный эффект.

В слабых полях и при низких температурах удельная магнитная восприимчивость парамагнитных веществ обратно пропорциональна температуре (закон Кюри):

, (3.31)

где - удельная (массовая) магнитная восприимчивость;

c_m - магнитная восприимчивость единицы объема вещества;

r - плотность вещества;

- постоянная Кюри;

n - число молекул в единице объема;

k -постоянная Больцмана;

T - абсолютная температура.

Закону Кюри подчиняются газы (O₂, NO), пары щелочных металлов, разбавленные жидкие растворы парамагнитных солей редкоземельных элементов и некоторые парамагнитные соли в кристаллическом состоянии (у таких солей между ионами - носителями магнитного момента p _m расположены препятствующие их взаимодействию группы атомов, лишенные магнитного момента, например молекулы аммиака). Классическая теория закона Кюри основана на статистическом рассмотрении свойств системы слабо взаимодействующих атомов, молекул или ионов, имеющих дипольный магнитный момент («газа»).

В сильных магнитных полях, при низких температурах (когда тепловое движение не нарушает ориентацию магнитных моментов H/T®¥) J^'®pN (при насыщении все атомные моменты ориентированы одинаково), закон Кюри не выполняется.

Дата добавления: 2017-02-01