Матеріал для самостійної роботи

37. Магнітні моменти атомів. Намагніченість. Атоми в магнітному полі

Щоб з’ясувати причини відміннос­тей магнітних властивостей середовищ та їх впливу на величину магнітної індукції маг­нітного поля, треба вивчити процеси, що відбуваються в речовині під впливом зов­нішнього магнітного поля на атоми і молекули речовини. В будь-якій речовині, вміщеній у зовнішнє магнітне поле, вини­кає особливий стан намагніченості і ство­рюється внутрішнє магнітне поле.

Розглянемо причини цього явища з погляду будови атомів і молекул, поклавши в основу гіпотезу Ампера, згідно з якою в будь-якому тілі існують мікроскопічні стру­ми, зумовлені рухом електронів в атомах і молекулах.

Електрони в ато­мах рухаються по дея­ких замкнених орбітах. Електрон, що рухається по одній з таких орбіт (рис.14), еквівалент­ний коловому струму, тому він має орбі­тальний магнітний момент , модуль якого , де S - площа орбіти електрона.

Вектор напрямлений в той самий бік, що й індукція магнітного поля в центрі колового струму І. Кількість обертів електронів в секунду . Тоді сила струму

і .

З іншого боку, кожний електрон, що рівномірно рухається по орбіті, має орбіталь­ний механічний момент імпульсу, який числово дорівнює . Тоді

.

Вектори , і , напрямлені у взаєм­но протилежні сторони. Тому

, ,

де –гідромагнітне відношення орбітальних моментів.

Знайдене експериментальне значення гіромагнітного відношення відрізняється від орбітального гіромагнітного відношення:

і .

Щоб пояснити результат експери­менту, припустили, що електрон, крім орбі­тальних моментів і , має власний механічний момент імпульсу , що на­зивається спіном електрона. Спін є не­від’ємною властивістю електрона, подібно до того, як йому властиві заряд е і маса m. Спін електрона виявляється в багатьох екс­периментальних фактах. Спіну електрона відповідає власний (спіновий) магніт­ний момент , який дорівнює:

,

де – гіромагнітне відношення спінових моментів.

Магнітний момент електрона склада­ється з його орбітального і спінового магніт­них моментів. Відповідно магнітний момент атома дорівнює сумі магнітних моментів електронів, що входять до складу атома, і магнітного моменту ядра, який значно мен­ший від моментів електрона. Тому магніт­ним моментом ядра нехтують.

Отже, ,

де Z - атомний номер хімічного елемента.

За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти орієнтовані хаотично, внаслідок чого сумарний магнітний момент речовини дорівнює нулю і результуюча індук­ція магнітного поля, яке створене мікро­скопічними струмами, дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля магнітні моменти орієнтуються в певному напрямку і виникає внутрішнє магнітне поле, сумарний магнітний момент відмінний від нуля і ре­човина намагнічується.

Для кількісного опису намагнічуван­ня магнетиків введемо векторну величину - намагніченість , яка числовo дорів­нює магнітному моменту одиниці об’єму магнетика:

,

де N — кількість атомів (молекул), що знахо­дяться в об’ємі V, - магнітний момент і-го атома (молекули). Об’єм V повинен бути настільки малим, щоб в його межах магнітне поле можна вважати однорідним.

38 Діа- і парамагнетики

Досліди і теорія показують, що всі речовини, які поміщені в магнітне поле, на­бувають магнітних властивостей, тобто на­магнічуються і тому деякою мірою зміню­ють зовнішнє поле.

При цьому виявляється, що одні речо­вини послаблюють зовнішнє поле, а інші – підсилюють його; перші називаються діа­магнетиками, другі - парамагнетиками.

Більшість речовин належить до діа­магнетиків.

Діамагнетиками називають ре­човини, магнітні моменти атомів або моле­кул яких дорівнюють нулю, коли немає зов­нішнього магнітного поля.

В цих речовинах спінові та орбітальні магнітні моменти електронів взаємно скомпенсовані.

До діамагнетиків належать інертні гази Не, Ne. Аr Кr, Хе, а також такі речови­ни, як Н₂О, С, Си, Zп, Аg, Sb, Нg, Рb, Ві, багато органічних сполук тощо.

Коли внести діамагнетик у зовнішнє магнітне поле, у кожному його атомі індукується магнітний момент , який нап рямлений протилежно до вектора маг­нітної індукції поля. В межах малого об’єму V ізотропного діамагнетика вектори всіх N атомів (молекул) однакові. Вони пропорційні до вектора і проти­лежні йому за напрямком. Тому вектор на­магнічування дорівнює:

,

де – безрозмірний коефіцієнт пропорцій­ності, який залежить від природи речовини. Коефіцієнт називається магніт­ною сприйнятливістю речовини. Для всіх діамагнетиків і за величиною , тобто . Тому діамагнітний ефект малопомітний, цей ефект виникає у всіх речовинах, внесених у магнітне поле.

Стрижень з діамагнітного матеріалу намагнічується в напрямку, протилежному до напрямку зовнішнього магнітного поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діа­магнетик виштовхується в область слаб­шого поля і встановлюється так, щоб його вісь була перпендикулярна до вектора магнітої індукції поля.

Якщо векторна сума орбітальних маг­нітних моментів усіх електронів атома або молекули не дорівнює нулю, то атом загалом має деякий магнітний момент . Такі ато­ми (молекули) називаються парамагнітни­ми, а речовини, що складаються з них – парамагнетиками.

До парамагнетиків належать речо­вини, атоми яких мають незабудовану до кінця зовнішню електронну підоболонку:

Мg, Аl, Са, Сr, Мn, Рt, кисень атомарний і молекулярний, солі заліза, кобальту, ніке­лю, рідкісноземельних елементів тощо.

За відсутності зовнішнього магніт­ного поля парамагнетик ненамагнічений, оскільки внаслідок теплового руху власні магнітні моменти атомів орієнтовані хао­тично (J=0).

При внесенні парамагнітної речовини в зовнішнє магнітне поле в ній поряд з слаб­ким діамагнітним ефектом виникає переважна орієнтація елементарних магнітних моментів атомів у напрямку цього поля. При звичайних температурах парамагнітний ефект дещо сильніший за діамагнітний. Тому парамагнетики намагнічуються вздовж зовнішнього поля і підсилює його. Магнітна сприйнят­ливість парамагнетиків невелика, але за зна­ком додатна. За величиною вона в середньому на один порядок більша, ніж у діамагнетиків.

У дуже сильних магнітних полях або при дуже низьких температурах спостеріга­ється насиченість: намагніченість не зале­жить від .

Далеко від області насиченості

.

де – магнітна сприйнятливість парамагнетика, причому i .

Макроскопічне парамагнетизм виявля­ється в тому, що парамагнетики втягуються в неоднорідне магнітне поле, а в однорід­ному полі парамагнітний стрижень орієн­тується паралельно до ліній індукції магніт­ного поля.

При нагріванні парамагнетика, який внесений у зовнішнє магнітне поле, тепло­вий рух атомів зростатиме і руйнуватиме ту Орієнтацію елементарних магнітних момен­тів частини атомів, яка встановилася під дією зовнішнього поля. Отже, магнітна сприйнятливість парамагнетиків як ве­личина, що характеризує з макроскопічного погляду магнітні властивості речовини, по­винна залежати від Т:

,

де С – стала Кюрі.

Це співвідношення виражає закон Кюрі:

магнітна сприйнятливість парамагнетика обернено пропорційна до його термодинамічної температури.