Лекции по физике 2 семестр / 19 МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Магнитный момент. Намагниченность.

Рассмотрим среду. Она состоит из атомов или молекул. В дальнейшем оперируем с атомами. Атом состоит из ядра и электронов, которые двигаются вокруг ядра. Ядро несет положительный заряд. Электроны заряжены отрицательно.

Электроны в атоме двигаются по орбитам. Если электроны рассматривать как точечные материальные частицы, тогда они должны обладать моментом импульса. Этот момент называется орбитальным моментом электрона. С другой стороны эти частицы заряженные, поэтому при движении они создают электрический ток. С этим током можно связать магнитный момент. Итак, пришли к выводу, что электрон, обладающий моментом импульса, должен иметь магнитный момент. Существует связь между моментом импульса электрона и его магнитным моментом .

, где . (1)

Знак минус определяется знаком заряда электрона. Кроме орбитального момента импульса существует ёще собственный момент импульса и связанный с ним магнитный момент электрона. Собственный момент импульса называется спином, а магнитный момент – спиновым. Для них связь имеет вид (1), но коэффициент пропорциональности равен . Эти два момента складываются, в результате получается полный момент. Это определение относится как к механическим моментам, так и к магнитным. Магнитные моменты отдельных атомов создают свои магнитные поля. Эти поля зависят от внешнего магнитного поля, складываются с ним и образуют суммарное магнитное поле, которое мы фиксируем в среде.

(2)

- напряженность внешнего магнитного поля. - магнитное поле, обусловленное внутренними магнитными моментами. Магнитные момента атомов складываются, что приводит к появлению макроскопического магнитного поля образца (среды). Такой магнитный момент, отнесенный к единице объема, обозначается и называется намагниченностью. Намагниченность зависит от внешнего поля. Такая связь имеет вид:

(3)

- называется восприимчивостью вещества. Как уже отмечалось, магнитное поле порождается магнитными моментами атомов. Эту связь представляют в виде

(4)

С учетом (3) и (4) уравнение (2) примет вид

(5)

где - магнитная проницаемость вещества. Это безразмерная величина.

Диа-, пара-, ферромагнетизм.

Различные среды по-разному ведут себя во внешнем магнитном поле. Во внешнем магнитном поле вещество приобретает магнитный момент. Однако природа этого момента различная. Различают следующие виды вещества: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики. Атомы, из которых состоит диамагнетик, не имеют собственного магнитного момента. Появление магнитного момента в веществе этого класса связано с диамагнитным эффектом. Суть этого эффекта заключается в следующем. Электрон в атоме двигается по орбите. Во внешнем магнитном поле эта орбита прецессирует вокруг направления МП, т.е. магнитный момент вращается вокруг , что эквивалентно круговому току. Этот ток создает свое магнитное поле, которое, согласно правиле Ленца, направлено противоположно внешнему полю . Для диамагнетиков выполняются следующие соотношения: и . К диамагнетикам относятся такие элементы

.

Парамагнетики. Атомы вещества имеют магнитный момент, который отличен от нуля. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов ориентированы хаотично за счет теплового движения так, что суммарный момент и, следовательно, намагниченность равна нулю. Во внешнем магнитном поле магнитные моменты атомов ориентируются по полю . Как следствие возникает суммарный магнитный момент. Для парамагнетиков характерны следующие соотношения: и . К парамагнетиком относятся, в частности, такие вещества, как и редкоземельные элементы.

Ферромагнетики. Эти вещества обладают спонтанной намагниченностью даже в отсутствие внешнего магнитного поля. К ним относятся . Намагниченность ферромагнетика во внешнем магнитном поле значительно растет с ростом поля, затем достигает насыщения. Для ферромагнетиков магнитная проницаемость имеет большие значения. Например, для железа и для сплава супермаллоя. Графики зависимости намагниченности от внешнего магнитного поля различных классов веществ приведены на рис.