Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации
Уральский государственный университет им. А.М.Горького
ИЗУЧЕНИЕ МАГНИТНЫХ СВОЙСТВ ВЕЩЕСТВА
Описание лабораторных работ № 6,7,8.12,14
Екатеринбург
Подготовлено кафедрой общей и молекулярной физики
© Составители: Н.Б Лобанова. Ю.А.Лобанов, Н.П.Зырянова. 1997
Утверждено учебно-методической комиссией физического факультета 17 апреля 1996 г.
1. Магнитные свойства вещества
Все тела в природе обладают магнитными свойствами. Это связано с тем, что любое вещество состоит из заряженных элементарных частиц, которые находятся в постоянном движении. Любая из элементарных частиц (электрон, протон и даже нейтрон) обладает собственным магнитным дипольным моментом, или, просто, магнитным моментом. Кроме того, любой электрон, вращающийся вокруг ядра, обладает еще и орбитальным магнитным моментом. Понять, что такое магнитный момент, проще всего на примере контура с током.
Плоский контур, имеющий площадь S, по которому течет ток I, обладает магнитным моментом
(1)
Рис. 1. Определите направление магнитного момента
где
- единичный вектор нормали к плоскости
витка, связанный правилом правого винта
с направлением тока (рис.1). Если поместить
такой контур в магнитное поле
,
то он развернется подобно магнитной
стрелке так, что векторы
и
будут параллельны, если на контур не
действуют никакие другие силы.
В магнитном отношении атом представляет собой сложную систему. Магнитный момент ядра обычно много меньше магнитного момента электронов. Магнитные моменты электронов могут оказаться скомпенсированными, тогда собственный магнитный момент атома или молекулы равен нулю. Взаимодействие магнитных моментов атомов с внешним магнитным полем приводит к возникновению макроскопического магнитного момента вещества.
Одной из основных характеристик магнитных свойств является намагниченность. Намагниченностью называется векторная величина, равная среднему магнитному моменту единицы объема вещества:
(2)
где
векторная сумма всех магнитных моментов
атомов. Средний магнитный момент единицы
объема может существенно отличаться
от намагниченности малых объемов.
Поэтому, чтобы характеризовать
намагниченность в определенной точке
для неоднородно намагниченного вещества,
вектор
определяют для физически малого объема
как
(3)
Из определений (1) и (2) видно, что намагниченность в системе СИ измеряется в амперах на метр (А/м).
Намагниченность образца зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля. Эту зависимость характеризуют объемной магнитной восприимчивостью
(4)
Поскольку магнитное поле в системе СИ измеряется в А/м, величина æ (каппа) оказывается величиной безразмерной и носит название магнитной восприимчивости единицы объема. Кроме объемной восприимчивости в физике пользуются понятиями удельной восприимчивости и молярной восприимчивости. Поскольку единица объема вещества имеет массу, равную плотности ρ, то удельная восприимчивость χ (хи), т.е. восприимчивость единицы массы
(4а)
Восприимчивость одного моля вещества
(м3/моль) (46)
где μ - молярная масса в кг/моль, называется молярной восприимчивостью.
Магнитная восприимчивость у разных веществ может быть положительной и отрицательной, сильно отличаться по величине, по-разному зависеть от напряженности магнитного поля и температуры. По совокупности этих признаков вещества обычно подразделяют на диамагнетики (χ<0), парамагнетики (χ>0), ферро- и антиферромагнетики (χ >>1)