Физика 3 семестр / новая папка / Помощь к экзамену / Темы / 28.диа-парамагнетики

7.3. Диамагнетики в магнитном поле

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярные водород и азот, висмут, медь, цинк, золото, серебро, кремний, вода и многие другие неорганические и органические соединения.

При внесении диамагнитного вещества во внешнее магнитное поле атомы (молекулы) вещества, согласно теореме Лармора, приобретают наведенные магнитные моменты . В пределах малого объема изотропного диамагнетика векторы одинаковы. Они, как видно из (7.5), пропорциональны магнитной индукции и противоположны ей по направлению. Поэтому намагниченность диамагнетика

,

где Z – зарядовое число атома. Тогда

.

Зависимость называется кривой намагничивания. На рис. 7.9 показана кривая намагничивания для диамагнетика. Поскольку магнитная восприимчивость такого материала не зависит от величины внешнего поля, то для диамагнетиков характерно линейное намагничивание. Относительная магнитная проницаемость диамагнетиков постоянна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис.7.10). Поскольку магнитная восприимчивость таких материалов отрицательна, то .

Поведение диамагнетиков в неоднородном магнитном поле таково, что, например, стержень из висмута выталкивается в область более слабого поля и устанавливается так, чтобы его ось была перпендикулярна . Газы, входящие в состав продуктов сгорания, обладают диамагнитными свойствами, поэтому пламя свечи выталкивается из области более сильного поля.

7.4. Парамагнетики в магнитном поле

Парамагнетиками называются вещества, которые намагничива-ются во внешнем магнитном поле в направлении вектора . Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственным магнитным моментом . В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, т.к. из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно, поэтому . При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг направления согласно теореме Лармора. В то же время совместное действие на атомы парамагнетика магнитного поля и столкновений их друг с другом (из-за теплового движения) приводит к преимущественной ориентации собственных магнитных моментов атомов по направлению . В результате парамагнетик намагничивается “по полю”, т.е. в направлении . К таким веществам относятся многие металлы (щелочные и щелочно-земельные), кислород, окись азота и др.

Классическая теория парамагнетизма была разработана в 1905 г. французским физиком П. Ланжевеном. Он рассмотрел статистическую задачу о поведении молекулярных токов и их магнитных моментов в однородном магнитном поле. Оказалось, что намагниченность парамагнетика в поле зависит от параметра , где k – постоянная Больцмана, Т – температура. Понятно, что данный параметр определяет соотношение между энергией теплового движения атомов и их энергией в магнитном поле (5.35).

Если учесть, что , т.е. максимальная намагниченность материала получается, когда все магнитные моменты атомов “выстраиваются” в одну сторону, то результаты расчетов Ланжевена можно записать в виде

. (7.14)

Рассмотрим некоторые предельные случаи соотношения (7.14). Если , то все выражение в скобках в пределе равно единице. Поэтому в области низких температур (или достаточно сильных магнитных полей) намагниченность парамагнетика практически постоянна и равна максимальной. Это состояние называется состоянием магнитного насыщения парамагнетика. При T = 300 К оно может осуществляться, если 100 Тл.

В случае, если , то выражение в скобках в (7.14) имеет предел , т.е. . Отсюда, поскольку , можно получить

. (7.15)

Т аким образом, магнитная восприимчивость парамагнетика обратно пропорциональна его термодинамической температуре (рис. 7.11).

О тносительная магнитная проницаемость парамагнетиков постоянна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис.7.12). Т.к. магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, то . На рис. 7.13 показана кривая намагничивания для диамагнетика. Поскольку магнитная восприимчивость такого материала не зависит от величины внешнего поля, то для парамагнетиков характерно линейное намагничивание. Экспериментально установлено, что намагничивание парамагнетика действительно происходит в направлении, совпадающем с вектором . При внесении парамагнитного стержня в неоднородное магнитное поле он устанавливается вдоль линий индукции этого поля и втягивается в область более сильного поля.