2.1.1.Парамагнетизм

Парамагнетизм (от пара... и магнетизм), свойство тел, помещенных во внешнее магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внешнего поля прибавляется действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен диамагнетизму, при котором возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внешнего магнитного поля Н. Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда название «П.»), а диамагнитные — отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики и антиферромагнетики. Однако в отсутствие внешнего поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при Н = 0 ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру.  Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих П. веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный П.), со спиновым моментом самих электронов (спиновый П.), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный П.). Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении температуры, П., обусловленный электронами проводимости, от температуры не зависит. Поэтому, например, щелочные и щёлочноземельные металлы, у которых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а П. обусловлен исключительно электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей от температуры.Парамагнитная восприимчивость диэлектриков, согласно классической теории П. Ланжевена (1906), определяется формулой  = N_a²/3kT, где N — число магнитных атомов в 1 моле вещества, _a — магнитный момент атома, к — Больцмана постоянная. Она даёт теоретическое объяснение Кюри закону. В сильных магнитных полях или при низких температурах _aH >> kT) намагниченность парамагнитных диэлектриков стремится к N_a²(к насыщению). Парамагнитная восприимчивость полупроводников ^п_э, обусловленная электронами проводимости, в простейшем случае зависит от температуры Т экспоненциально  ^п_э=АТ^1/2 exp (—E/2kT), где А — константа вещества, Е — ширина запрещенной зоны полупроводника. Особенности индивидуального строения полупроводников сильно искажают эту зависимость. Изучение П. различных веществ позволяет определять магнитные моменты отдельных атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение сложных молекул и молекулярных комплексов, а также осуществлять тонкий структурный анализ материалов, применяемых в технике. В физике парамагнитные вещества используют для получения сверхнизких температур (ниже 1 К).

 

2.1.2.Диамагнетизм

Диамагнетизм [от греч. dia... — приставка, означающая здесь расхождение (силовых линий), и магнетизм], один из видов магнетизма; проявляется в намагничивании вещества навстречу направлению действующего на него внешнего магнитного поля.

  Д. свойствен всем веществам. При внесении какого-либо тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома, в силу закона электромагнитной индукции, возникают индуцированные круговые токи, т. е. добавочное круговое движение электронов вокруг направления магнитного поля. Эти токи создают в каждом атоме индуцированный магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, навстречу внешнему магнитному полю (независимо от того, имелся ли первоначально у атома собственный магнитный момент или нет и как он был ориентирован. У чисто диамагнитных веществ электронные оболочки атомов (молекул) не обладают постоянным магнитным моментом. Магнитные моменты, создаваемые отдельными электронами в таких атомах, в отсутствие внешнего магнитного поля взаимно скомпенсированы. В частности, это имеет место в атомах, ионах и молекулах с целиком заполненными электронными оболочками, например в атомах инертных газов, в молекулах водорода, азота.

    В изолированных атомах токи, создающие Д., имеют наиболее простой характер. Вся совокупность электронов изолированного атома приобретает под действием внешнего магнитного поля синхронное вращательное движение вокруг оси, проходящей через центр атома параллельно направлению Н. Вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость изолированного атома

где е — заряд электрона  — средний квадрат расстояния электрона от ядра атома, m — масса покоя электрона, с — скорость света в вакууме. В соответствии с формулой (1) наибольший вклад в диамагнитную восприимчивость вещества дают наиболее удалённые от ядра электроны. Формула (1) позволяет теоретически рассчитать диамагнитную восприимчивость совокупности изолированных атомов (например, 1 моля или 1 см³ вещества), если известно число электронов в атомах и пространственное их распределение.

При не очень высоких температурах тепловое движение атомов слабо влияет на движение электронов в них. Поэтому Д. практически не зависит от температуры.

Если атомы не изолированы друг от друга, а, напротив, сильно взаимодействуют между собой, например в жидкостях или твёрдых телах, то электронные оболочки таких атомов деформируются, и наблюдаемый Д. оказывается часто меньше, чем у изолированных атомов.

Во всех рассмотренных выше случаях диамагнитная восприимчивость слабо зависит от напряжённости магнитного поля.

Наибольшее по абсолютной величине значение диамагнитной восприимчивости имеют сверхпроводники. У них  =  1/4   810^-1, а магнитная индукция равна нулю, т. е. магнитное поле не проникает в сверхпроводник. Д. сверхпроводников обусловлен не внутриатомными, а макроскопическими поверхностными токами.