Типы магнетиков. Элементарная теория диа- и парамаг-нетизма.

Выделяют такие типы магнетиков, как диа- и парамагнетики.

Диамагнетики

У диамагнитных веществ суммарный магнитный момент атома равен нулю, так как имеющиеся в атоме орбитальные, спиновые и ядерные моменты взаимно компенсируются (рис. 4.3.1, а). Однако электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круго-вому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, его собственное магнитное поле, а следовательно и магнитный момент направлены противоположно внешнему полю (рис. 4.3.1, б). Индуцированные магнитные моменты атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничи-вающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, на-звали диамагнетиками. Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

B

а б

Рис. 4.3.1

Рассмотрим намагничивание диамагнетика (рис. 4.3.2). В отсутст-вие магнитного поля (В = 0) электрон движется в электрическом поле ядра атома по вполне определенной стационарной орбите. Электрон на круговой орбите удерживается силой кулоновского притяжения к ядру. При этом электрон обладает орбитальным механическим моментом и

магнитным моментом, которые связаны между собой гиромагнитным отношением g_opб. Поскольку В = 0, оба эти вектора L₀ и p_m сохраняют

свое направление в пространстве (если не принимать во внимание теп-ловое движение атомов). Во внешнем магнитном поле индукцией В на электрон в атоме будет действовать вращающий момент

е

L₀

Уравнения (4.3.3) по виду совпадают с кинематическим выраже-нием для скорости υ движения точки твердого тела, вращающегося вокруг неподвижной оси:

Сопоставляя уравнение (4.3.4) с соотношением (4.3.3), можно придти к выводу, что вектор L₀ орбитального момента импульса и связанный с ним вектор p_m магнитного момента совершают в магнит-

ном поле прецессионное движение вокруг оси (рис. 4.3.2), параллель-

ной вектору B с угловой скоростью

Угловая скорость прецессии ω_L совпадает по направлению с век-тором индукции В (рис. 4.3.2). Прецессионное движение электронных орбит открыл в 1895 г. ирландский физик Джозеф Лармор. Он сфор-мулировал теорему (теорема Лармора): единственным результатом действия магнитного поля на движение электрона в атоме является прецессия электронных орбит вокруг оси, параллельной магнитному полю и проходящей через ядро атома, причем модуль угловой скоро-

сти ω ^L = ^eB . А прецессионное движение электронных орбит носит

2m_e

название прецессия Лармора.

B

ω_L

^S⊥ ^Iпрец

p_m

Рис. 4.3.3

Прецессия электронных орбит приводит к появлению дополни-тельного орбитального тока (рис. 4.3.3):

Для атома, имеющего Z электронов, общий наведенный орби-тальный магнитный момент равен:

Этот дополнительный магнитный момент приводит к возникно-вению индуцированной намагниченности , направленной против внешнего поля В. Он играет определяющую роль при объяснении яв-ления намагничивания диамагнетиков.

Найдем намагниченность диамагнетика. Вектор намагниченности диамагнетика будет равен:

Оценка по формуле (4.3.11) и экспериментальные данные показы-вают, что значение магнитной восприимчивости для диамагнетиков практически составляет порядка χ = –10^–6.

Восприимчивость диамагнетиков почти не зависит от температу-ры Т и напряженности Н магнитного поля. Поэтому процесс намагни-чивания диамагнетиков характеризуется линейной зависимостью J

от H (рис. 4.3.4).

J

O

H

Рис. 4.3.4

Парамагнетики

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнит-ные – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и

атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным момен-том. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные мо-менты ориентированы беспорядочно (рис. 4.3.5, а), поэтому парамаг-нитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимуще-ственная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ори-ентации препятствует тепловое движение атомов) (рис. 4.3.5, б). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнит-ное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усили-вающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагни-чивается.

J

B

а

б O

H

Рис. 4.3.5 Рис. 4.3.6

Процесс намагничивания парамагнетиков во многом аналогичен тому, как поляризуется диэлектрик, состоящий из полярных молекул. Кривая намагничивания парамагнетиков (рис. 4.3.6) указывает на яв-ление насыщения, которое связано с ориентационным упорядочением магнитных моментов молекул вещества. Классическая статистическая теория парамагнетизма была построена французским физиком Полем Ланжевеном в 1905 г. Согласно этой теории в не очень сильных одно-родных постоянных магнитных полях, когда потенциальная энергия «элементарного тока» намного меньше характерной тепловой энер-гии, восприимчивость χ парамагнетика оказывается обратно пропор-циональна температуре:

Значения проницаемости χ парамагнетика лежит в пределах 10^–5–10^–3. Подводя итог, отметим, что атомы всех веществ являются носите-лями диамагнитных свойств. Если магнитный момент атомов велик,

то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и веще-ство является парамагнетиком. Если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамаг-нетиком.