7.3. Диамагнетизм

Диамагнетизм (dia - расхождение) - свойство вещества намагничиваться навстречу внешнему полю. При внесении тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого из атомов в силу закона электромагнитной индукции возникают индуцированные круговые токи, которые создают магнитный момент, направленный навстречу внешнему полю. Намагниченность эта невелика.

Магнитные моменты электронов в таких случаях в отсутствии внешнего поля взаимно скомпенсированы (вещества с целиком заполненными электронными оболочками).

Магнитный момент J , приобретаемый единицей объема диамагнитного тела, пропорционален

.

В диамагнетике - вся совокупность электронов изолированных атомов приобретает под действием внешнего поля синхронное вращательное движение вокруг оси проходящей через центр атома вдоль Н. Это вращение электронов атома называется прецессией Лармюра.

При этом частота орбитального движения электрона, обладающего орбитальным магнитным моментом, параллельно полю, медленно уменьшается, в то время как частота орбитального движения электрона, у которого орбитальный магнитный момент направлен против поля, быстро увеличивается. Изменение частоты орбитального движения есть ларморова частота прецессии.

, (7.17)

где е - заряд электрона.

Все N электронов прецессируют в одном направлении и результатом является циркулирующий ток.

I = -eN/2c (7.17)

минус означает отрицательный знак заряда электрона.

Элементарный ток обладает магнитным моментом (М дип.), выражение для которого можно получить

М_дип.= I S, (7.19)

где S - площадь контура, который описывает электрон вследствие прецессии, т.е.S = 2r²_ср /3, а - среднее расстояние электрона от ядра. Подставим в (7.19)

М_дип. = . (7.20)

Далее подставив в (7.20) значения I| и  из (7.17) и (7.18) получим

М_дип. = - . (7.21)

Индуцированный магнитный момент отрицателен, поэтому диамагнетизм способствует появлению отрицательной магнитной восприимчивости.

Диамагнетизм практически не зависит от температуры, как не зависит от напряженности магнитного поля.

К диамагнетикам относятся такие элементы, как азот, водород, висмут, цинк, медь, золото, серебро и другие.

Однако природа преподнесла нам сюрприз. Существуют вещества (раздел 5), которые будучи охлажденными до температур ниже критической Т_к (Н) переходят в новое состояние – сверхпроводящее. Оно характеризуется идеальным диамагнетизмом, то есть в них _а = 0 и, следовательно, в соответствии с выражением (7.7), магнитная индукция их в объеме равна 0, то есть

В = 0 при Н_е > 0.

Состояние идеального диамагнетизма, при котором внешнее магнитное поле выталкивается из объема сверхпроводника, используется в технике.

Получение низких и сверхнизких температур. Низкотемпературные жидкости.

8. Физические основы охлаждения.

Прежде всего, определимся с понятием "температура", основанном на принципах статистической физики и связанном с тепловым состоянием твердого тела и которое исходит из рассмотрения внутренней структуры вещества, характера поведения его микрочастиц. На основании молекулярно-кинетической теории идеального одноатомного газа запишем

Е_ср = k_ВТ, (8.1)

где Е_ср – средняя кинетическая энергия движения молекул, Т – абсолютная температура, k_В – постоянная Больцмана.

Здесь температура выступает как параметр, характеризующий среднюю кинетическую энергию теплового движения молекул, описывающий любую другую, кроме идеального газа, систему. Распределение частиц по энергетическим состояниям Больцмана записывается в виде уравнения

N_e = Aе (8.2)

где А – постоянная, N_e – среднее число частиц с энергией ε.

Из выражения (8.2) следует, что неупорядоченное тепловое движение частиц определяется температурой, т.е. величиной характеризующей распределение энергии между частицами.

Для всякой термодинамической системы в соответствии со вторым законом термодинамики, кроме температуры, объема (V) и давления (р) существует еще один параметр состояния – энтропия (s). Энтропия – это тепловая функция, которая полностью характеризует изменение теплового состояния тепла, что не могут дать в отдельности ни температура, ни теплота.

ds ≥ (8.3)

При увеличении температуры тела, т.е. сообщении ему тепла энтропия возрастает (при давлении р – const или объеме V -const). Постоянство энтропии (ds = 0) означает, что изменение состояния обратимо, а возрастание энтропии означает необратимость процесса. Способов прямого изменения энтропии не существует, а ее величина определяется косвенно. При отнятии тепла от системы (при р – const или V – const) происходит уменьшение ее энтропии при этом возрастает упорядоченность системы (газ уплотняется, конденсируется, переходит в жидкую фазу, а в конце концов - в твердую фазу). При обсолютном нуле тепловое движение полностью исчезает.

Вообще различают следующие низкотемпературные процессы:

1. Изоэнтропное расширение - это адиабатное расширение с совершением внешней работы. Осуществляется оно в расширительных машинах - детандерах поршневого или турбинного типа.

2. Дросселирование - адиабатное расширение газа в условиях стационарного течения без совершения внешней работы и приращения скорости (в основе

лежит эффект Джоуля-Томсона). Температура при этом может повышаться или

понижаться в зависимости от параметров состояния (дроссель-эффект или инверсия).

3. Расширение из постоянного объема.

4. Десорбционное охлаждение, в основе которого лежит тепловой эффект адсорбции.

5. Откачка паров кипящей жидкости.

Рассмотрим простейшие из них, которые используются при ожижении основных газов.