25. 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.

Сила тока, соответствующего движению электрона, который вращается с частотой ν, равна

I=ev

Одной из характеристик движения вращающегося тела или движения материальной точки по круговой орбите является момент импульса.Он анологичен импульсу тела при поступательном движении.

Отношение магнитного момента частицы к ее моменту импульса называеют магнитомеханическим отношением.

25.1. Магнетики делят на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики и 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.

При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и намагниченность равна нулю (рис. 16.23, а). При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул ориентируются предпочтительно по направлению В, в результате чего J Φ 0 (рис. 16.23, 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 установится вдоль линий магнитной индукции ,что соответствует ориентации J по направлению B. Магнитное поле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незначительно, внешнее магнитное поле, поэтому индукция В результирующего поля больше магнитной индукции В₀ поля при отсутствии парамагнетика (В > В₀). Это означает, что относительная магнитная проницаемость парамагнетиков больше единицы (μ_Γ >1). К парамагнетикам относят 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.

 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 или вращающегося электрона (рис. 16.25, б). Она приводит к появлению добавочного магнитного момента электрона Р_доб, направленного противоположно индукции B₀ 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 или настолько мал, что диамагнетизм преобладает над парамагнетизмом, то вещества, состоящие из таких молекул, относят к диамагнетикам.

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 относительная магнитная проницаемость много больше единицы (μ_Γ >>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 относят 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, но и от их предыдущего состояния, от времени нахождения образца в магнитном поле. Ферромагнитные свойства вещества сохраняются лишь ниже определенной температуры, соответствующей точке Кюри.