21

Магнитные свойства вещества.

Магнитные свойства материала определяются структурой материала и, в особенности,

1 - спином электрона – направлением его вращения вокруг собственной оси (спиновые свойства). (Класс устройств, характеристики которых зависят от спина и величины магнитного момента, называют спиновой электроникой или спинтроникой.)

2 - параметрами дрейфа носителей заряда (токовые свойства).

Внешнее магнитное поле с напряженностью Но:

1 - вызывает прецессию электрона,

2 - вызывает намагниченность образца Jm = м Н₀ (аналогично поляризации диэлектрика, м - магнитная восприимчивость),

3 - расщепляет уровень свободного атома на подуровни с различными магнитными квантовыми числами.

Рис. Электроны «спин - вверх» и «спин - вниз».

Магнитные моменты.

Магнитные свойства определяются магнитными моментами, возникающими при вращении электронов вокруг собственной оси (спиновый момент m_s) и вокруг ядра (орбитальный момент m_l ). Магнитные моменты протонов и нейтронов (ядра) малы по сравнению с параметрами электрона.

Спиновые магнитные моменты спаренных электронов компенсируют друг друга (Be, C, Mg,...) (принцип Паули). Постоянным магнитным моментом обладают атомы, у которых

- на внешней орбите находится нечетное число электронов ( H, K, Na, Ag,..),

- есть распаренные электроны ( О ).

Единицей измерения атомных магнитных моментов является магнетон Бора в

_в = q_е  ħ / ( 2 m_e ) = 9.27 10^-24 Дж/Тл,

где q_е - заряд электрона, ħ = h / 2π - нормированная постоянная Планка, m_е - масса электрона, Тл - тесла - единица измерения индукции.

Теоретически спиновый магнитный момент у атома железа мог бы составлять 5 в, однако, часть электронов покидает атом при образовании кристаллической структуры, поэтому результирующий спиновый магнитный момент атома меньше.

Вещество	Fe	Cr	Mn	Диспрозий (№66)
Результирующий для атома спиновый магнитный момент, число в	2.3	0.4	0.5	5

Орбитальный магнитный момент m_орб создан движущимся вокруг ядра электроном (т.е. током) и направлен перпендикулярно плоскости орбиты в соответствии с правилом буравчика. Результирующий атомный орбитальный магнитный момент зависит от расположения электронных орбит и магнитного квантового числа m.

Результирующий атомный магнитный момент - вектор суммы отдельных спиновых и орбитальных моментов - не равен 0 в отсутствие симметрии структуры. Это постоянный магнитный момент атома М_ат.

Результирующий магнитный момент образца М_обр складывается из векторов атомных магнитных моментов.

Рис.  Силовые линии электрического поля Е, образованные двумя разноименными точечными зарядами и магнитные силовые линии вокруг проводника с током Н.

Рис. Магнитные силовые линии катушки и постоянного магнита.

Прецессия электрона.

Если ось орбитального вращения электрона не совпадает с направлением вектора внешнего магнитного поля напряженностью Н_о, появляется дополнительное движение – вращение орбиты электрона (I_орб) вокруг направления вектора Н_о - прецессия. Угловая частота прецессии (частота Лармора):

w_L = (q_e / 2 m_e ) m_o H_o .

Прецессия происходит под углом a к оси (угол прецессии)

Рис. Эффект расщепления в слабом магнитном поле энергетического уровня на подуровни в соответствии с магнитными квантовыми числами.

H_o

I_орб

a

Dm

Рис. Схема прецессии электрона во внешнем магнитном поле.

Дополнительное движение электрона вызывает дополнительный ток и, следовательно, индуцирует магнитный момент Dm , направленный противоположно вектору Н_о. В итоге результирующее магнитное поле Н и магнитная индукция В становятся меньше. Этот эффект называется диамагнетизмом. Он имеет место в любом веществе, но проявляется там, где отсутствуют другие, более сильные магнитные эффекты.