12. Діамагнетики і парамагнетики в магнітному полі

Усі речовини при розгляді їхніх магнітних властивостей називають магнетиками. Існують три класи магнетиків з різко відмінними магнітними властивостями: діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики. Будь-яка речовина при внесенні її в зовнішнє магнітне поле намагнічується в тому або іншому ступені, тобто створює своє власне магнітне поле, яке накладається на зовнішнє поле.

Кількісною характеристикою намагніченого стану речовини є векторна величина – намагніченість , що дорівнює відношенню магнітного моменту макроскопічного малого об’єму речовини до цього об’єму:

, (5.73)

де − магнітний момент i-го атома (молекули), N – загальна кількість атомів (молекул) в об’ємі . Цей об’єм має бути таким малим, щоб в його межах магнітне поле можна було вважати однорідним. Водночас кількість атомів (молекул)має бути досить великою, щоб до них можна було застосовувати статистичні закономірності.

Діамагнетикаминазивають речовини, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі в напрямі, протилежному напрямові вектора магнітної індукції.

Діамагнетиками є речовини, магнітні моменти атомів, молекул або іонів яких за відсутності зовнішнього магнітного поля дорівнюють нулеві. До діамагнетиків належать інертні гази, молекулярні водень і азот, вісмут, цинк, мідь, золото, срібло, кремній, германій, вода у рідинному стані, ацетон, гліцерин, нафталін і багато інших речовин. При внесенні діамагнітної речовини в зовнішнє магнітне поле атоми (молекули) речовини набувають, згідно з теоремою Лармора, наведених магнітних моментів . Останні пропорційні магнітній індукції і протилежні вектору за напрямом. У межах малого об’єму ізотропного діамагнетика вектори усіх атомів (молекул) однакові.

Тому намагніченість:

, (5.74)

де − концентрація атомів (молекул), − безрозмірний коефіцієнт пропорційності ( у діамагнетиків ). Для атомарного діамагнетика

. (5.75)

Магнітна сприйнятливість середовища зв’язана з співвідношенням:

або . (5.76)

У діамагнетиків ~, тобтоі магнітна сприйнятливість практично дорівнює:

. (5.77)

Поводження діамагнетиків у магнітному полі істотно відрізняється від поводження неполярних діелектриків у електричному полі. Діелектрик поляризується в напрямі вектора напруженості електричного поля. Тому легкий стрижень, виготовлений з діелектрика і вільно підвішений в однорідному електричному полі, встановлюється так, щоб його вісь була паралельна. У неоднорідному електричному полі стрижень з діелектрика втягуватиметься в область поля, де напруженість поля більша.

Стрижень з діамагнітного матеріалу (наприклад, з вісмуту) намагнічується в напрямі, протилежному вектору магнітної індукції зовнішнього поля. Тому в неоднорідному магнітному полі діамагнітний стрижень виштовхується в область поля, де магнітна індукція менша, і встановлюється так, щоб його вісь була перпендикулярна (рис.5.20). Діамагнітним є полум’я, наприклад, полум’я свічки. (Головним чином, за рахунок вуглекислого газу СО₂.) Тому полум’я виштовхується з магнітного поля (рис. 5.21).

Діамагнетизм властивий усім тілам без винятку, бо в усіх атомах, вміщених у магнітне поле, виникають наведені магнітні моменти . Але проявляється діамагнетизм тільки у тих речовин, атоми або молекули яких не мають власних магнітних моментів. Діамагнітні властивості тіл не залежать від температури. Тепловий рух атомів у цілому не порушує орієнтацію індукованих магнітних моментів.

Парамагнетиками називають речовини, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі в напрямі вектора магнітної індукції. Атоми (молекули або іони) парамагнетика мають власні магнітні моменти. До парамагнетиків належать багато металів (лужні і лужноземельні метали, певні перехідні метали, а також сплави цих металів), кисеньО₂, оксид азоту NO, оксид марганцю MnO, хлорид заліза FeCl₂ і багато інших елементів, а також розчини різних солей.

За відсутності зовнішнього поля парамагнетик не намагнічений, оскільки внаслідок теплового хаотичного руху власні магнітні моменти атомів орієнтовані цілком безладно . При внесенні парамагнітної речовини в зовнішнє магнітне поле атоми (молекули) прецесують навколо напрямуз кутовою швидкістюпрецесії Лармора. У той же час спільна дія на атоми (молекули) парамагнетика магнітного поля та їхніх зіткнень один з одним внаслідок теплового руху спричиняють переважну орієнтацію власних магнітних моментів атомів уздовж напряму вектора. В результаті парамагнетик намагнічується „вздовж поля”, тобто в напрямі вектора.

Класичну теорію парамагнетизму розробив П.Ланжевен (1905). Він розглянув статистичну задачу про поводження молекулярних струмів і відповідних їм магнітних моментів у однорідному магнітному полі з індукцією . Виявилося, що намагніченість парамагнетикав полі залежить від параметра, де − стала Больцмана, Т – абсолютна температура:

, (5.78)

де − концентрація атомів (молекул) парамагнетика. Функція називається класичною функцією Ланжевена і має вигляд:

, (5.79)

де − гіперболічний котангенса.

На рисунку 5.22 подано графік функції . При: магнітні моменти всіх атомів „вишикувані” вздовж поля, і намагніченістьпарамагнетика не збільшується при подальшому зростанні. Цей стан називаютьстаном магнітного насичення парамагнетика. Він може відбуватися тільки в дуже сильних полях і при досить низьких температурах (наприклад, при К , якщоB ~ 100 Тл). Зазвичай і. Отже, в слабкому магнітному полі намагніченість ізотропного парамагнетика пропорційна магнітній індукції поля:

, (5.80)

де .

Величина для парамагнетиків додатна і дуже мала (від10^-5 до 10^-3). Тому магнітна сприйнятливість для парамагнетиків практично не відрізняється від. Тобто

. (5.81)

Це співвідношення є виразом закону Кюрі (1895):

Магнітна сприйнятливість парамагнетика обернено пропорційна його абсолютній температурі.

При внесенні парамагнітного стрижня в магнітне поле, створене між полюсами електромагніту, він встановлюється вздовж лінії індукції цього поля і притягається до найближчого полюса (рис. 5.23).