15.2. Магнитное поле в веществе.

ДИА- И ПАРА- МАГНЕТИКИ.

Всякое вещество является магнетиком, т. е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие магнитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Ради простоты предположим, что электрон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В произвольным об­разом, составляя с ним угол ,, то можно доказать, что она приходит в такое движение вокруг В, при котором вектор магнитного момента р_m, сохраняя постоянным угол , вращается вокруг вектора В с некоторой угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная проти­воположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в дан­ном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома (он равен векторной сумме магнитных моментов (орбиталь­ных и спиновых) составляющих атом электронов) равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Au, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные — 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 моментом. Однако вследствие теплового движе­ния молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамаг­нитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное маг­нитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля да нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземельные эле­менты, Pt, Аl и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

Из рассмотрения явления парамагнетизма следует, что его объяснение совпадает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с полярными молекулами, только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничения.

Индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция В магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции В₀ магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью: μ = В/В₀. (15.3.)

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. Магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов. Внешнее магнитное поле изменяет характер движения электронов в атомах. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора магнитной индукции внешнего поля В под углом , то она приходит (под действием силы Лоренца) в прецессионное движение.

Рис. 79. Движение электрона.

При этом вектор магнитного момента p_m., сохраняя постоянным угол , вращается вокруг направления В с некоторой угловой скоростью. Прецессионное движение дает дополнительный круговой микро ток. По правилу Ленца у атома появляется наведенное магнитное поле. Наведенные поля отдельных атомов складываются и образуют суммарное наведенное магнитное поле вещества. Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и собственного магнитного поля. Собственное магнитное поле электрона называют спиновым (spin – вращение). Электрон создает магнитное поле также и за счет орбитального движения вокруг ядра, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальными движениями, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ. Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам.

Магнитное поле в веществе создается возбудителями двух видов: первичными (независимыми) источниками, которыми чаще всего являются токи (движущиеся заряды) и вторичными (зависимыми), обусловленными средой. По своим магнитным свойствам вещество делится на три основных типа: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

В диамагнетиках , то есть магнитное поле в веществе меньше магнитного поля в вакууме; в парамагнетиках , магнитное поле возрастает по сравнению с полем в вакууме; в ферромагнетиках , магнитное поле возрастает значительно, в сотни и более раз. Следует отметить, что у ферромагнитных материалов магнитная проницаемость не является постоянной величиной, а зависит от индукции внешнего магнитного поля. Слабо-магнитные вещества делятся на две большие группы – парамагнетики и диамагнетики. Они отличаются тем, что при внесении во внешнее магнитное поле парамагнитные образцы намагничиваются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю. Но из-за теплового движения атомов в парамагнетиках магнитные моменты ориентированы хаотично и суммарный магнитный момент вещества равен нулю. Во внешнем магнитном поле магнитные моменты отдельных атомов ориентируются по полю и усиливают его. И вещества являются парамагнетиками (магнитная проницаемость >1). А диамагнитные образцы намагничиваются против внешнего поля и поэтому у диамагнетиков μ < 1. Отличие μ от единицы у пара- и диамагнетиков чрезвычайно мало.