13.3 Типы магнетиков.

В отличие от диэлектриков, которые всегда уменьшают напряженность электрического поля, магнетики могут, как уменьшать индукцию внешнего магнитного поля (для этих веществ магнитная восприимчивость отрицательна χ <0, проницаемость меньше единицы μ <1), так ее и увеличивать (для этих веществ χ >0, а μ >1), причем в некоторых случаях весьма значительно (для них μ >>1).

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности. Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля  B⃗ 0 и поля  B⃗ ′ токов намагничивания i′, которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 71. а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 71.б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

Рассмотрим кратко основные классы магнетиков и механизмы их намагничивания.

13.3.1 Диамагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, молекулы которых не обладают собственным магнитным моментом. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах наводится (индуцируется) магнитный момент, направленный противоположно вектору индукции внешнего поля. Такое направление индуцированного магнитного момента приводит к тому, что диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Как возникают силы, действующие на вещество со стороны магнитного поля, мы рассмотрим чуть позже.

Подчеркнем, что диамагнитный эффект присущ всем веществам без исключения, однако во многих случаях он маскируется другими более сильными магнитными явлениями.

Детальный механизм возникновения магнитного момента несколько различен для различных видов веществ (атомов, многоатомных молекул, кристаллов) и корректно объясняется только в рамах квантовой теории строения вещества. Не претендуя на количественное соответствие результатов расчетов и экспериментальных данных, качественно понять механизм возникновения магнитного момента можно и в рамках классической физики.

Пусть в некотором атоме два электрона вращаются по одинаковым круговым орбитам в противоположные стороны (Рис. 72). На электроны действует кулоновская сила со стороны ядра, которая и обеспечивает центростремительное ускорение электронов. Каждый из движущихся электронов представляет собой круговой ток, который обладает магнитным моментом. Понятно, что в данной модели, так как электроны вращаются в противоположных направлениях, суммарный магнитный момент данной системы равен нулю. Если же этот атом поместить в магнитное поле (для простоты перпендикулярное плоскости орбит), то на движущиеся электроны начнет действовать сила Лоренца (Рис. 73), причем эта сила для одного электрона будет направлена к центру окружности, а для другого - от центра. Эти силы изменят скорости движения электронов^[1]: скорость одного возрастет, а другого уменьшится, в результате чего магнитные моменты электронов изменяться, а атом в целом приобретет магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю.

Задания для самостоятельной работы.

1. Пусть в рамках рассмотренной модели при включении внешнего магнитного поля модули скорости электронов не изменились, а изменились

только радиусы их орбит. Найдите величину индуцированного магнитного момента атома.

1. Допустим, что в данной модели при включении магнитного поля радиусы орбит электронов не изменились, а изменились скорости электронов. Найдите величину индуцированного магнитного момента атома в этом случае. Самое важное – убедитесь, что вектор индуцированного момента направлен в сторону противоположную внешнему полю. Параметры модели задайте самостоятельно.

Диамагнетиками с подобным механизмом намагничивания являются инертные газы, газообразный водород. Диамагнитный эффект для них чрезвычайно мал, их магнитная проницаемость составляет величину порядка χ ≈ −(10^-8 −10^-6) в зависимости от их концентрации.

Диамагнитными свойствами обладают также ряд молекулярных кристаллов. Заметная отрицательная магнитная проницаемость наблюдается для ароматических соединений (например, бензол, нафталин). Причем для них существенна анизотропия магнитной восприимчивости. Этот эффект также качественно понятен: ароматические молекулы являются плоскими, поэтому индуцированный магнитный момент существенно зависит от того, как направлено внешнее магнитное поле перпендикулярно плоскости молекулы (в этом случае он максимален), или вдоль этой плоскости (когда индуцированный момент минимален).

Так для кристалла нафталина, молекулы которого состоят из двух бензольных колец (Рис. 74), магнитная восприимчивость изменяется в четыре раза при изменении направления магнитного поля: χ₁ = −1,6·10^-4 для поля перпендикулярного плоскости молекулы, χ₂ = −0,4·10^-4 для поля параллельного плоскости молекулы. Высокое значение магнитной восприимчивости этих молекул связано с тем, что часть электронов «обегают» периферию колец и описывают орбиты больших радиусов.

В некоторых твердых веществах таких как, например, графит, висмут, олово, также наблюдается сильно анизотропный диамагнитный эффект, связанный с возникновением в магнитном поле замкнутых электронных орбит, охватывающих много атомов. Например, для кристалла графита магнитная восприимчивость изменяется от χ₁ = −6·10^-6 до χ₂ = −2,6·10^-4.

Для большинства диамагнетиков намагниченность пропорциональна индукции внешнего поля, то есть для них формула (6) выполняется с высокой точностью, при χ = const. Кроме того, их восприимчивость (и соответственно, магнитная проницаемость) практически не зависят от температуры.

Задание для самостоятельной работы.

1. Ознакомьтесь со структурой кристалла графита. Укажите, при какой ориентации поля его магнитная восприимчивость максимальна, а для какой минимальна.

Если продолжить нашу постоянную аналогию между магнетизмом и электричеством, то аналогом диамагнетиков являются неполярные диэлектрики. Молекулы этих диэлектриков не обладают собственным дипольным электрическим моментом, но под действием поля индуцируется электрический момент, направленные против внешнего поля, что и приводит к уменьшению последнего. Для этих веществ диэлектрические свойства также слабы. Правда, все диэлектрики, в том числе и неполярные, втягиваются в область более сильного электрического поля.