Намагниченность. Магнитное поле в веществе

Магнитное поле при наличии магнетиков. Поле элементарного тока. Магнитный момент элементарного тока. Механизмы намагничивания. Напряженность магнитного поля. Граничные условия для векторов магнитного поля.

Движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса , модуль которого

,

где , . Вектор (его направление определяется по правилу правого винта) называется орбитальным механическим моментом электрона. Направления и противоположны, поэтому

,

где величина

называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов (общепринято писать со знаком “-”, указывающим на то, что направления моментов противоположны). Это отношение, определяемое универсальными постоянными, одинаково для любой орбиты, хотя для разных орбит значения и различны.

Аналогично электрон обладает собственным механическим моментом импульса , называемый спином. Считалось, что спин обусловлен вращением электрона вокруг своей оси, что привело к целому ряду противоречий. Спину электрона соответствует собственный (спиновой) магнитный момент , пропорциональный и направленный в противоположную сторону:

.

Величина называется гиромагнитным отношением спиновых моментов.

Проекция собственного магнитного момента на направление вектора может принимать только одно из следующих значений:

,

где , - магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона.

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Ради простоты предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора произвольным образом, составляя с ним угол , то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг , при котором вектор магнитного момента , сохраняя постоянным угол , вращается вокруг вектора с некоторой угловой скоростью. Такое движение называется прецессией.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а веществ, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы, большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Так диамагнитный момент эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного пол до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. Диамагнитный момент наблюдается и у парамагнетиков, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

Также для определения вида магнетика проводят следующий опыт: 1 грамм исследуемого вещества помещают в поле (Гс – единица магнитного поля в ГДС). Диамагнетики выталкиваются магнитным полем. Например, вода (сила – -22 дины), свинец (сила – -37 дин), медь (сила – -2.6 дин). Парамагнетики втягиваются полем. Например, Al +17 дин, жидкий +20 дин, Fe +400000 дин, магнетит +120000 дин.

Для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину – намагниченность, определяемую магнитным моментом единицы объема магнетика:

,

где - магнитный момент магнетика, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов отдельных молекул.

Магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля, создаваемого током, и поля, создаваемого намагниченным веществом. Тогда можем записать, что вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен векторной сумме магнитных индукций внешнего поля (поля, создаваемого намагничивающим током в вакууме) и поля микротоков (поля, создаваемого молекулярными токами):

,

где . Так как - вектор намагниченности, и для изотропных магнетиков , где - магнитная восприимчивость.

,

здесь - относительная магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в окружающей среде отличается от индукции в вакууме. Для диамагнетика , для парамагнетика .

Электронный парамагнитный резонанс используется для определения величины . В определенном объеме – резонаторе - находится исследуемое вещество. Образец перемагничивают с частотой , он помещен в магнитное поле . Наблюдают поглощение энергии, которое максимально, если .

Граничные условия:

Рассмотрим границу двух однородных изотропных магнетиков, вдоль которой течет поверхностный ток проводимости с линейной плотностью . Пусть система находится в однородном магнитном поле. Используем теорему о полном магнитном потоке и теорему о циркуляции вектора напряженности и .

Рассмотрим на границе замкнутую поверхность в виде прямого цилиндра с (рис.101). Поток вектора магнитной индукции в этом случае: или , т.е. нормальная составляющая вектора магнитной индукции одинакова в обоих магнетиках. Так как , то .

Применим теорему о циркуляции вектора напряженности к очень малому прямоугольному контуру. Пусть вектор линейной плотности тока совпадает с нормалью к контуру (рис.102).

Так как контур очень узкий, то вклад в циркуляцию на боковых сторонах очень мал. Тогда: , т.е. тангенциальная составляющая вектора напряженности, а следовательно и вектора магнитной индукции на границе раздела претерпевает скачок, обусловленный наличием поверхностных токов проводимости.

Если на границе раздела магнетиков токов проводимости нет, то и, соответственно, . На границе раздела двух магнетиков линии вектора индукции испытывают преломление, но непрерывны .

Линии вектора напряженности преломляются по такому же закону, но терпят разрыв из-за поверхностных токов намагничивания (даже в отсутствие токов проводимости).

На рис. 103 представлены линии векторов индукции и напряженности для случая >.

На этом основана магнитная защита, т.е. использование замкнутой железной оболочки для защиты внутреннего пространства от внешнего магнитного поля. Линии поля концентрируются в самой оболочке, а в окруженном оболочкой пространстве магнитное поле значительно меньшей величины, чем внешнее поле.

Дата добавления: 2014-01-04