4.2.2. Магнитное поле в веществе. Намагниченность
Известно, что помещенные в магнитное поле вещества за счет ориентации магнитных моментов частиц, из которых состоит вещество (рис.4.17), намагничиваются.
Намагниченностью вещества называют магнитный момент единицы объёма вещества:
В вакууме микротоки (молекулярные токи) отсутствуют, и вектор намагничивания тождественно равен нулю:
вак
= 0.
В отличие от вакуума любое тело, имеющее молекулярное строение (твердое, жидкое или газообразное), может быть намагничено так, что 0. В этом отношении магнитные свойства тел аналогичны электрическим свойствам диэлектриков, и любое тело может быть названо магнетиком.
В отсутствие внешнего магнитного поля магнетик обычно не намагничен:
= 0 при = 0.
При внесении магнетика во внешнее магнитное поле он приобретает магнитный момент . В не слишком сильных полях и кроме так называемых ферромагнетиков зависимость от можно считать практически линейной:
= m , (4.9)
где m - магнитная восприимчивость вещества, характеризующая его магнитные свойства. В общем случае m может зависить от напряженности магнитного поля .
Таким образом, характеристиками магнитного поля в веществе являются: вектор – характеризует магнитное поле молекулярных токов (микротоков); вектор – характеризует магнитное поле макротоков; вектор – характеризует результирующее поле макро - и микротоков. M = А/м.
Между векторами
,
и
существует связь
.
С учетом формулы
(4.9)
,
где = (1 + m) - относительная магнитная проницаемость среды.
Следовательно,
.
В зависимости от относительной магнитной проницаемости среды применяется следующая классификация магнетиков:
а) диамагнетики
;
б) парамагнетики
;
в) ферромагнетики
и
являются функцией от
.
4.2.3. Диамагнетики и их свойства
При внесении в
магнитное поле вещества каждая электронная
орбита, независимо от направления
движения электрона (т.е. независимо от
ориентировки его магнитного момента
относительно
),
приобретает индуцированный магнитный
момент
.
Вещество становится намагниченным. При
этом каждая единица объема вещества,
содержащая N электронных орбит, приобретает
индуцированный магнитный момент, равный
.
Наведённые
составляющие магнитных полей молекул
складываются и образуют собственное
магнитное поле вещества, ослабляющее
внешнее магнитное поле. Появление
индуцированных моментов
и
,
направленных против внешнего магнитного
поля, называется диамагнитным
эффектом.
Д
иамагнитный
эффект очень слаб, поэтому его можно
обнаружить лишь у тех веществ, для
которых атомный магнитный момент
практически полностью скомпенсирован,
в противном случае преобладают
парамагнитные свойства.
Вещества (среда), которые обладают диамагнетизмом, называют диамагнитными или диамагнетиками. Примером диамагнетика является висмут. Удлиненный образец из висмута в строго однородном магнитном поле ориентируется перпендикулярно к силовым линиям поля (рис. 4.18).
Диамагнитными свойствами обладают и газы.
Так как
= m
,
,
значит
- при внесении во внешнее магнитное поле
диамагнетики выталкиваются из него,
т.к. их намагниченность отрицательна.
Итак:
а) диамагнетизм – это свойство, присущее любым веществам, так как он обусловлен действием внешнего магнитного поля на электронные орбиты атомов и молекул;
б) изменение скоростей движения электронов по орбитам сопровождается появлением магнитного поля, направленного против внешнего поля и ослабляющего его (закон Ленца). Следовательно, любое вещество противодействует проникновению магнитного поля внутрь его объема;
в) диамагнитный эффект не связан с появлением упорядоченности в расположении электронных орбит, поэтому диамагнитная восприимчивость m не зависит от температуры;
г) вещество является диамагнетиком, если только его атомы и молекулы не имеют собственного магнитного момента. Тогда диамагнитный эффект является единственной реакцией вещества на воздействие внешнего магнитного поля.
К диамагнетикам также относятся медь, дюралюминий, серебро, золото, большинство органических соединений…