7. Магнитные свойства твердых тел

В общем виде магнетизм можно определить как особую форму материальных взаимодействий, возникающих между движущимися электрически заряженными частицами. Источником электрического поля, как мы ранее установили, являются электрические заряды, а источником магнитного поля таким образом служит электрический ток. Магнитное взаимодействие осуществляется через магнитное поле. В атомных масштабах для электронов и протонов, нейтронов имеются два типа микроскопических токов - орбитальные, связанные с переносом центра тяжести этих частиц в атоме, и спиновые, связанные с их внутренним движением.

Количественной характеристикой магнетизма частиц являются их орбитальный и спиновый магнитные моменты, к рассмотрению которых мы и перейдем.

Орбитальный магнитный момент. Известно, что момент импульса (L) есть вектор, т.е. он естественно, имеет не только численное значение, но и направление. Связь магнитного поля с направлением момента импульса обусловлена тем, что орбитальный электрон эквивалентен круговому току, который ведет себя как крошечный магнит и поэтому взаимодействует с магнитным полем. Так как движущийся заряд отрицателен, т.е. магнитный момент , обусловленный орбитальным движением электрона, направлен противоположно моменту импульса Р_L (рис.7.1).

e

P_L

Рис. 7.1. Магнитный момент электрона

Орбитальный магнитный момент электрона квантуется и единицей квантования служит магнетон Бора.

, (7.1)

Если L = 0, то и _L = 0

Для многоэлектронного атома говорят об орбитальном магнитном моменте L.

Спиновой магнитный момент. Вообще в концепции спина, введенной в физику в 1925 году, рассматривался электрон как вращающийся волчок с собственным механическим моментом и собственным (спиновым) магнитным моментом равным магнетону Бора (7.1).

Для многоэлектронного атома можно говорить о спиновом магнитном моменте S.

Полный магнитный момент (момент импульса) электронов запишем в виде

.

Сложение механических и магнитных моментов представлено на рис.7.2.

M

механический

момент

S

L

180

магнитный

момент

_l

_S



Рис. 7. 2 Сложение механического и магнитного моментов

Поскольку все микроструктурные элементы веществ (электроны, протоны, нейтроны) обладают магнитным моментом, то их любые комбинации, т.е. атомы, молекулы и макроскопические тела могут быть источником магнетизма и ,следовательно, все тела обладают магнитными свойствами.

Различают два основных эффекта взаимодействия внешнего магнитного поля и вещества. Во-первых, в соответствии с законом электромагнитной индукции Фарадея внешнее поле создает индукционный ток, магнитное поле которого направлено навстречу внешнему, т.е. создаваемый магнитный момент всегда направлен противоположно внешнему полю (диамагнетизм).

Во-вторых, если атом обладает отличным от нуля магнитным моментом, то внешнее поле будет ориентировать его вдоль своего направления. В результате возникает параллельный полю магнитный момент, называемый парамагнитным.

Существенное влияние на магнитные свойства оказывают внутренние взаимодействия между микрочастицами (атомами и др.) Благодаря этим взаимодействиям иногда оказывается энергетически выгодно, чтобы существовала в веществе самопроизвольная упорядоченность в ориентации магнитных моментов частиц. Вещества, в которых атомные магнитные моменты ориентированы параллельно друг другу, называют ферромагнетиками. Если же расположены антипараллельно, то вещества являются антиферромагнетиками.