7.6. Парамагнетики в магнитном поле

Парамагнетикаминазываются вещества, магнитная восприимчивость которых положительна, а относительная магнитная проницаемость больше единицы. К парамагнетикам относятся вещества, атомы (молекулы или ионы) которых обладают собственным магнитным моментом (векторная сумма орбитальных и спиновых моментов электронов не равна нулю). В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы беспорядочно, поэтому.

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле происходят два процесса: с одной стороны, за счет диамагнитного эффекта возникает намагниченность против внешнего поля, а с другой стороны, собственные магнитные моменты атомов (молекул) ориентируются вдоль внешнего поля. Вклад собственных магнитных моментов преобладает, поэтому парамагнетики намагничиваются вдоль направления внешнего магнитного поля.

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 (5.34).

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

Рассмотрим некоторые предельные случаи соотношения (7.21). Если a >> 1, 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. ПриT = 300 К оно может осуществляться, еслиB100 Тл.

В случае, если a << 1, выражение в скобках в (7.21) имеет предел, т.е.

.

Отсюда, поскольку , можно получить

Таким образом, магнитная восприимчивость парамагнетика обратно пропорциональна его термодинамической температуре (рис. 7.13).

Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков постоянна и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля (рис.7.14).

Так как магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна, то . На рис. 7.15 показана кривая намагничивания для парамагнетика. 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.

К парамагнетикам относятся многие металлы (щелочные и щелочно-земельные), кислород, окись азота и др. К парамагнетикам относятся и ферромагнетики (ферромагнетизм – особое состояние парамагнетика).