7.5. Диамагнетизм

Как мы уже говорили, к диамагнетикамотносятся вещества, магнитная восприимчивость которых отрицательна, а относительная магнитная проницаемость меньше единицы. К диамагнетикам относятся вещества, у которых атомы не обладают магнитным моментом (векторная сумма орбитальных и спиновых моментов электронов равна нулю).

Выясним, по какой причине диамагнетики намагничиваются противоположно внешнему магнитному полю. Рассмотрим орбитальное движение электронов таких атомов во внешнем поле (рис. 7.10).

Если линии магнитной индукции не перпендикулярны плоскости орбиты электрона, то на электронную орбиту (ее аналог – виток с током) действует вращающий момент

Под действием магнитного поля, в соответствии с основным уравнением динамики вращательного движения

(– момент импульса электрона), орбита электрона начинает вести себя так, что векторописывает конус вокруг вектора магнитной индукции. Другими словами, возникаетпрецессияорбиты электрона. Ось орбиты совершает вращение вокруг линий магнитной индукции. За времяdtвекторполучает приращение, равное

Вектор , как и вектор, перпендикулярен к плоскости, проходящей через векторыи, и по модулю равен

dL=p_mB sin  dt,

где – угол между вектором магнитного момента и магнитной индукцией.

За время dtплоскость, в которой лежит вектор, повернется вокруг направленияна угол

Разделив этот угол на время dt, найдем угловую скорость прецессии

Подставив в это выражение значение отношения магнитного и механического моментов (гиромагнитное отношение), получаем

Частоту (7.18) называют частотой ларморовой прецессииили простоларморовой частотой.

Прецессия орбиты обуславливает дополнительное движение электрона вокруг направления поля. Это, в свою очередь, приводит к возникновению дополнительного орбитального тока

и, соответственно, дополнительного магнитного момента

направленного, как видно на рис. (7.10), в сторону, противоположную направлению магнитной индукции внешнего поля. Этот момент называют индуцированным (наведенным) магнитным моментом. С учетом выражения для ларморовой частоты, индуцированный магнитный момент равен

знак “–” отражает то, что векторы инаправлены в противоположные стороны.

Обобщим полученные результаты. При внесении любого вещества в магнитное поле каждая электронная орбита, независимо от направления движения электрона, приобретает индуцированный магнитный момент , направленный против вектора магнитной индукции внешнего поля. Этот процесс в физике магнитных явлений называетсядиамагнитным эффектом.

Магнитные свойства диамагнетиков обусловлены только диамагнитным эффектом, поэтому их намагниченность определяется индуцированным магнитным моментом

,

где Z– зарядовое число атома. Тогда магнитная восприимчивость

Зависимость называется кривой намагничивания. На рис. 7.11 показана кривая намагничивания для диамагнетика.

Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от величины внешнего поля, поэтому для них характерно линейное намагничивание. Относительная магнитная проницаемость диамагнетиков постоянна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис.7.12). Поскольку магнитная восприимчивость таких материалов отрицательна, то .

Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярные водород и азот, висмут, медь, цинк, золото, серебро, кремний, вода и ряд других неорганических и органических соединений. В неоднородном магнитном поле поведение диамагнетиков 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.