Устойчивое равновесие (минимум энергии):
( ).
Контур ориентирован так, что
.
.
Неустойчивое равновесие (максимум энергии):
(
).Контур ориентирован так, что направлен противоположно .
.
Магнитные моменты электронов и атомов. Гиромагнитное отношение. Диа- и парамагнетизм.
Магнитное поле, создаваемое веществом, обусловлено суммарными магнитными моментами его атомов. Магнитный момент атома, в свою очередь, складывается из двух основных частей, связанных с электронами:
Орбитальный магнитный момент (
):
Возникает из-за движения электронов
по орбитам вокруг ядра. Электрон,
движущийся по замкнутой орбите,
эквивалентен круговому току,
который и создаёт магнитный момент.
(
— частота обращения,
— площадь орбиты).Спиновый магнитный момент (
):
Возникает из-за собственного внутреннего
момента импульса электрона, называемого
спином. Спин — это квантовое
свойство, не имеющее классического
аналога, но его можно представить как
"вращение" электрона вокруг
собственной оси.
Результирующий магнитный
момент атома (
)
— это векторная сумма орбитальных и
спиновых моментов всех электронов в
атоме.
В большинстве атомов (с чётным числом электронов, например, в благородных газах) орбитальные и спиновые моменты скомпенсированы (спарены), и их результирующий магнитный момент равен нулю. Такие атомы не обладают собственным магнитным моментом.
В атомах с нечётным числом электронов (или с незаполненными электронными оболочками) результирующий магнитный момент не равен нулю.
Гиромагнитное отношение
(
)
— это отношение магнитного момента
частицы (
)
к её моменту импульса (угловому моменту,
):
Для чисто орбитального
движения электрона это отношение
является постоянным и не зависит от
радиуса орбиты или скорости:
Где:
— заряд электрона,
— его масса.
Для спина: Гиромагнитное
отношение спина электрона в два раза
больше орбитального:
.
Гиромагнитное отношение показывает связь между магнитными и механическими свойствами материи. Оно лежит в основе таких явлений, как эффект Эйнштейна — де Хааза (намагничивание при закручивании).
Типы Магнетизма Веществ
Магнитные свойства вещества определяются его реакцией на внешнее магнитное поле и характеризуются относительной магнитной проницаемостью ( ):
Где: — магнитная восприимчивость.
А. Диамагнетизм (Диамагнетики)
Особенность:
(но очень близко к 1, например,
).
.
Реакция на поле: Диамагнетики слабо намагничиваются против направления внешнего поля.
Причина: Диамагнетизм присущ всем веществам, но проявляется только у тех, чьи атомы не имеют собственного магнитного момента (все электронные оболочки заполнены). При включении внешнего поля возникает индукционный орбитальный момент (подобно вихревым токам), направленный против поля (согласно закону Ленца).
Примеры: Инертные
газы, большинство органических
соединений, медь (
),
вода (
),
золото (
).
Б. Парамагнетизм (Парамагнетики)
Особенность:
(но очень близко к 1).
.
Реакция на поле: Парамагнетики слабо намагничиваются по направлению внешнего поля.
Причина: Атомы парамагнетиков имеют собственный, нескомпенсированный магнитный момент. В отсутствие поля эти моменты расположены хаотично из-за теплового движения. Внешнее поле стремится ориентировать их вдоль своего направления, вызывая слабое намагничивание.
Примеры: Кислород
(
),
алюминий (
),
платина (
),
щелочные и редкоземельные металлы.
Закон Кюри: Магнитная
восприимчивость парамагнетиков обратно
пропорциональна абсолютной температуре:
.
С увеличением температуры тепловое
движение усиливает хаотичность, и
намагниченность падает.
В. Ферромагнетизм (Ферромагнетики)
Особенность:
(
может достигать
).
.
Реакция на поле: Сильно намагничиваются по направлению поля и сохраняют намагниченность после его выключения.
Причина: Взаимодействие между атомами (обменное взаимодействие) приводит к образованию доменов — областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности, где все атомные магнитные моменты ориентированы параллельно. Внешнее поле вызывает рост этих доменов и поворот их векторов намагниченности.
Примеры: Железо (
),
никель (
),
кобальт (
),
гадолиний (
)
и их сплавы.
Точка Кюри ( ): Температура, выше которой ферромагнетик теряет доменную структуру и становится парамагнетиком.