Магнитные свойства вещества

Нет таких веществ, состояние которых не изменялось бы при помещении их в магнитное поле. Более того, находясь в магнит­ном поле, вещества сами становятся источниками такого поля. В этом смысле все вещества принято называть магнетиками.

Так как макроскопические различия магнети­ков обусловлены их строением, то целесообразно рассмотреть магнитные характеристики электро­нов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в магнитном поле. Изложение прове­дем в рамках классической физики.

Условно будем считать, что электрон в атоме, равномерно вращается вокруг ядра со скоростью v по круговой орбите радиусом r (рис. 13.12). Такое движение аналогично круговому току и характеризуется орбитальным магнитным моментом P_орб (необходимо помнить, что электрон — отрицательно заряженная частица и его движение противоположно направлению тока). Сила тока, соответствующего движению электрона, который вращается с частотой v, равна

где е — заряд электрона. Так как v = v/(2nr), то

Тогда [см. (13.2)]

Одной из характеристик движения вращающегося тела или движения материальной точки по круговой орбите является мо­мент импульса (механический момент). Он аналогичен импуль­су тела при поступательном движении. Вектор момента импульса электрона, вращающегося по круговой орбите (L_орб), показан на рис. 13.12, а его модуль равен

Отношение магнитного момента частицы к ее моменту импуль­са называют магнитомеханическим отношением. Разделив (13.27) на (13.28), найдем орбитальное магнитомеханическое отношение для электрона:

Электрон обладает также и собственным моментом импульса, который называется спином. Спину соответствует спиновый магнитный момент. Спиновое механическое отношение вдвое больше орбитального:

выражают через множитель Ланде g:

Как видно из (13.29)—(13.31), для орби­тального магнито-механического отношения g_орб ⁼ 1, для спинового отношения g_s = 2.

Формулы (13.29) и (13.30) показывают также, что между магнитным и механиче­ским моментами существует вполне опреде­ленная «жесткая» связь, так как е и т_е — величины постоянные: эта связь проявляется в магнитомеханических явлениях. Одно из таких явлений впервые наблюдали Эйнштейн и де Гааз в 1915 г. Легкий стер­жень С подвешивался на тонкой нити в соленоиде (рис. 13.13). При пропускании тока по соленоиду создавалось магнитное поле и магнитные моменты электронов располагались упорядоченно, что приводило к упорядоченной ориентации моментов импульса. В результате весь стержень приобретал импульс и поворачивался, что было заметно по отклонению светового «зайчика», отражен­ного от зеркала.

Магнитомеханические явления позволяют определять магнитомеханические отношения и на основании этого делать выводы о роли орбитальных или спиновых магнитных моментов в процес­сах намагничивания. Так, например, опыты Эйнштейна и де Га­аза показали, что за намагниченность ферромагнитных материа­лов ответственны спиновые магнитные моменты электронов.

Ядра, атомы и молекулы также имеют магнитный момент. Магнитный момент молекулы является векторной суммой маг­нитных моментов атомов, из которых она состоит.

Магнитное поле воздействует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты, в результате чего вещество намаг­ничивается. Степень намагничивания вещества характеризуется намагниченностью J. Среднее значение вектора намагниченнос­ти равно отношению суммарного магнитного момента Σр_т всех частиц, расположенных в объеме магнетика, к этому объему:

Таким образом, намагниченность является средним магнит­ным моментом единицы объема магнетика. Единицей намагни­ченности служит ампер на метр (А/м).

Магнетики делят на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. Каждому из них соответствует

И свой тип магнетизма: парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Рассмотрим их природу.Согласно классической теории парамагнетизма, молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. В отсутствие магнитного поля эти моменты расположены хаоти­чески и намагниченность равна нулю (рис. 13.14, а). При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул ориентируются предпочтительно по направлению В, в результате чего J 0 (рис. 13.14, б). Степень упорядоченности магнитных моментов зависит от двух противоположных факторов — магнитного поля и молекулярно-хаотического движения, поэтому намагничен­ность зависит как от магнитной индукции, так и от температуры. Если стержень из парамагнетика подвесить в вакууме в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установит­ься вдоль линий магнитной индукции (рис. 13.15 вид сверху), что соответствует ориентации J по направлению В. Магнитное по-

ле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незначительно,

«внешнее магнитное поле, поэтому индукция В результирующего поля больше магнитной индукции В_о поля вне парамагнетика (В > В_о). Это означает, что магнитная проницаемость парамагнетиков больше единицы (μ > 1). К парамагнетикам относятся алюминий, кислород, молибден и т. д.

В неоднородном магнитном поле в вакууме частицы парамаг­нитного вещества перемещаются в сторону большего значения магнитной индукции, как говорят, втягиваются в поле.

Объяснение природы диамагнетизма несколько сложнее, по­этому сначала целесообразно рассмотреть одно механическое яв­ление.

Читатель, несомненно, наблюдал, что ось обычного детского волчка описывает вращательные конусообразные движения, ко­торые называют прецессией (рис. 13.16, а). Она возникает тогда, когда на вращающееся тело с моментом импульса L_орб действует опрокидывающий момент силы. Если бы волчок не вращался, то он бы опрокинулся под действием момента силы тяжести mg, вра­щение же волчка приводит к прецессии.

Аналогичное явление происходит и с электронными орбитами в магнитном поле. Электрон, вращающийся по орбите, обладает мо­ментом импульса, подобно волчку, а также характеризуется орби­тальным магнитным моментом Р_орб. Поэтому на него, как на контур с током, со стороны магнитного поля действует момент силы. Та­ким образом, создаются условия для возникновения прецессии электронной орбиты (рис. 13.16, б). Это приводит к появлению до­бавочного магнитного момента электрона р _орб, направленного про­тивоположно индукции В_о внешнего магнитного поля, что ослабля­ет поле. Так возникает диамагнетизм. Диамагнетизм присущ всем веществам. В парамагнетиках диамагнетизм перекрывается более сильным парамагнетизмом.

Если магнитный момент молекул ра­вен нулю, то диамагнетизм преобладает над парамагнетизмом; ве­щества, состоящие из таких молекул, относят к диамагнетикам.

На рис. 13.17 схематично показаны молекулы диамагнетика при отсутствии магнитного поля (а) и в поле (б). Намагниченность диамагнетиков направлена противоположно магнитной индук­ции, ее значение растет с возрастанием индукции.

Так как собственное магнитное поле, созданное диамагнетиком, направлено противоположно внешнему, то индукция В внутри меньше индукции В_о вне диамагнетика (В < В_о). Следовательно, магнитная проницаемость диамагнетика меньше единицы (μ < 1).

К диамагнетикам относятся азот, водород, медь, вода и др. Частицы диамагнетика в вакууме в неоднородном магнитном поле будут «выталкиваться из поля».

Магнитные свойства веществ зависят от строения молекул, по­этому магнитные методы измерений используют в химических ^исследованиях. Специальный раздел физической химии — магнетохимия — изучает связь между магнитными и химическими свойствами вещества.

Ферромагнетики, подобно парамагнетикам, создают намагни­ченность, направленную по индукции поля; их магнитная прони-1 цаемость много больше единицы (μ >> 1). Однако ферромагнетизм существенно отличен от парамагнетизма. Ферромагнитные свой­ства присущи не отдельным атомам или молекулам, а лишь неко­торым веществам, находящимся в кристаллическом состоянии. Объяснение этому явлению дает квантовая теория. К ферромагнетикам относятся кристаллическое железо, ни­кель, кобальт, многие сплавы этих элементов между собой и с другими неферромагнитными соединениями, а также сплавы и Соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами. Намагниченность ферромагнетиков зависит не только от маг­нитной индукции внешнего магнитного поля, но и от их предыду­щего состояния. Ферромагнитные свойства вещества сохраняются лишь ниже определенной температуры, называемой точкой Кюри. Хотя ферромагнетиков и не очень много в природе, в основном именно их используют как магнитные материалы в технике. Это
обусловлено их сильным магнетизмом и остаточной намагничен­ностью (например, постоянные магниты).

Значительные механические силы, действующие на ферромаг­нитные тела и постоянные магниты в магнитном поле, находят разнообразные применения в медицине: исправление грудной клетки у детей (Ю. Ф. Исаков, Э. А. Степанов и др.) магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного на­ружного свища ободочной кишки (В. Д. Федоров и др.), удаление ферромагнитных пылинок и опилок из глаза.