15.2.5 Вопросы для повторения

1. Выведите формулу для расчёта работы по перемещению прямого проводника с током в однородном магнитном поле.

2. Что называется магнитным моментом витка с током? Как ведёт себя виток в однородном и неоднородном магнитных полях?

3. Какой принцип лежит в основе работы электромотора?

4. Что называется намагниченностью вещества ? В каких единицах намагниченность измеряется в СИ?

5. Что называется вектором напряжённости магнитного поля ? В каких единицах напряжённость магнитного поля измеряется в СИ?

6. Сформулируйте закон полного тока. Продемонстрируйте, как, пользуясь этим законом, можно вывести формулу для индукции магнитного поля, создаваемого прямым тонким проводником с током на некотором расстоянии от него.

7. Какие классы магнетиков вам известны? По какому параметру они отличаются друг от друга?

Лекция 16 магнитное поле. Часть IV

16.1 МАГНИТОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

16.1.1 Парамагнетизм

16.1.2 Прецессия электронных орбит в атоме. Диамагнетизм

16.1.3 Ферромагнетизм. Петля гистерезиса

Некоторые примеры

Вопросы для повторения

16.1 Магнитое поле в веществе

16.1.1 Парамагнетизм

Итак, все вещества по их магнитным свойствам можно разделить на несколько классов, среди которых мы выделили парамагнетики (их магнитная восприимчивость   1 и при этом   0), диамагнетики (  1, но при этом   0) и ферромагнетики ( 0, причём   (H)). Рассмотрим, чем обусловлены магнитные свойства этих веществ.

Как мы уже говорили, движение электрона по орбите вокруг ядра можно интерпретировать, как протекание микротока, имеющего некоторый магнитный момент , связь которого с орбитальным моментом импульса описывается гиромагнитным отношением   . Кроме того, как следует из уравнений квантовой механики, каждый электрон обладает собственным моментом импульса , спином (поначалу его связывали с вращением электрона вокруг собственной оси, но такое представление оказалось неверным) и соответствующим ему собственным (спиновым) магнитным моментом . Связь с описывается своим гиромагнитным отношением:   . Более того, собственными (спиновыми) магнитными моментами обладают также протоны и нейтроны, входящие в состав ядра. Сказанное означает, что общий магнитный момент атома, позволяющий интерпретировать его, как некий единый микроток, должен являться суммой векторов всех электронов и всех электронов, протонов и нейтронов, входящих в состав атома:

   …    … (16.1)

Если не равен нулю, то отличной от нуля является и намагниченность  (здесь k – номер атома в малом объёме V материала), а поскольку микротоки в магнитном поле стремятся развернуться так, чтобы их совпадали по направлению с векторами и , то магнитная восприимчивость  (коэффициент пропорциональности в формуле  ) оказывается положительной. Из-за того, что магнитные моменты электронов протонов и нейтронов направлены в разные стороны суммарный магнитный момент атома оказывается малым, не очень большой оказывается и намагниченность, поэтому   1. Вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствие внешних воздействий не равны нулю и при этом не оказывают влияния друг на друга, являются парамагнетиками, для них обычно   10^5  10^4.

Очевидно: чем больше напряжённость внешнего поля , тем больше атомов разворачивает свои магнитные моменты по полю (их полномы развороту мешают тепловые колебания атомов, их взаимодействие друг с другом – аналог трения). Зависимость J(H) оказывается линейной, правда, лишь в области в не слишком больших значениях напряжённости магнитного поля. Возрастание H может привести к выходу кривой J(H) на насыщение (рис. 16.1), которое наступит, когда по полю развернутся магнитные моменты всех атомов.

То, что тепловые колебания атомов мешают упорядочению их магнитных моментов, находит своё отражение в законе Кюри, согласно которому магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна термодинамической температуре:

  , (16.2)

где C₁ – некоторая постоянная для данного вещества величина (постоянная Кюри).

Парамагнитными свойствами может обладать также газ свободных электронов в твёрдом теле. Это происходит в случае, если число электронов, обладающих проекцией собственного (спинового) магнитного момента, направленной по полю, заметно превышает число электронов, собственный магнитный момент которых направлен против поля. В отличие от парамагнетизма электронов в атоме, парамагнетизм свободных носителей заряда не зависит от температуры.

Типичным примером веществ – парамагнетиков являются щелочные металлы.