1.2. Условия возникновения упорядоченных магнитных структур в твердых телах
Необходимое условие возникновения упорядоченных магнитных структур в веществе – наличие у атомов собственных магнитных моментов. Благодаря этому возможно образование спонтанного магнитного момента вещества даже в отсутствие магнитного поля.
В магнетиках, где присутствуют только магнитные моменты, локализованные на атомах или молекулах, магнитный момент образца:
,
(1.5)
где i – номер атома.
Магнитный момент единицы объема образца называется намагниченностью вещества:
.
(1.6)
Намагниченность
зависит
от напряженности магнитного поля:
(1.7)
где
–
коэффициент пропорциональности,
называемый магнитной
восприимчивостью
вещества.
Магнитные свойства вещества можно охарактеризовать также с помощью магнитной проницаемостью μ вещества. Величины и μ связаны соотношением:
. (1.8)
Внешнее магнитное поле создает дополнительную намагниченность вещества как за счет ориентации магнитных моментов отдельных атомов или молекул по полю, так и за счет индукции дополнительных магнитных моментов . Эта намагниченность суммируется со спонтанной намагниченностью образца.
В металлах и сплавах большую роль играет также намагниченность, связанная с коллективизированными электронами.
Таким
образом, магнитное поле в веществе
складывается из внешнего магнитного
поля
и
магнитного поля
вещества, возникшего вследствие его
намагничивания:
.
(1.9)
Для
однородного бесконечно длинного
намагниченного стержня с учетом
можно получить, что
.
(1.10)
Другое необходимое условие магнитного упорядочения – наличие в твердых телах обменного взаимодействия, которое является частью электростатического взаимодействия, зависящего от ориентации спинов взаимодействующих электронов. Обменное взаимодействие возникает благодаря квантовомеханическим эффектам и обуславливает кооперативный магнетизм.
Известны следующие типы магнитного упорядочивания в веществах.
У диамагнетиков (к ним относятся инертные газы, многие органические соединения, некоторые металлы) магнитная восприимчивость отрицательна (c < 0) и, как правило, очень мала (~10-6), m < 1. Орбитальные и спиновые моменты атомов или молекул диамагнетиков скомпенсированы. Во внешнем магнитном поле в результате прецессии векторов и у атомов появляются индуцированные магнитные моменты, направленные против поля. Суммарное поле вещества ослабляет внешнее магнитное поле.
У парамагнетиков восприимчивость положительна (c > 0) и находится в пределах ~10-3¸10-6, m > 1. При отсутствии внешнего поля магнитные моменты атомов или молекул парамагнетика отличны от нуля, но вследствие теплового движения ориентированы хаотически, поэтому вещество, в целом, не намагничено. Во внешнем магнитном поле эти магнитные моменты ориентируются в направлении поля, в результате намагниченность вещества становится отличной от нуля. Суммарное поле атомов и молекул вещества усиливает внешнее магнитное поле.