Магнитные свойства вещества. Магнитные моменты электронов и атомов

В

веществе электрон движется по электронной орбите и обладает орбитальным магнитным моментом (рисунок 19). . Модуль , где: – заряд электрона, = - сила тока, - частота вращения, – площадь орбиты, -скорость электрона.

К

роме орбитального магнитного момента электрон обладает орбитальным механическим моментом импульса . Модуль механического момента импульса: ; .

Рисунок 19. Орбитальный магнитный момент

, где - гиромагнитное отношение орбитальных моментов. Оно постоянно для любых орбит электронов. Знак (-)

означает, что векторы направлены противоположно.

Кроме орбитальных моментов электрон обладает собственным механическим моментом импульса , называемым спином. Спин является неотъемлемым свойством электрона, подобно заряду и массе. Спину соответствует собственный (спиновой) магнитный момент , пропорциональный и направленный в противоположную сторону. = , где – магнитное отношение спиновых моментов. Проекция собственного (спинового) магнитного момента на направление вектора может принимать только одно из двух значений: , где:

– постоянная Планка; – магнетон Бора, являющейся единицей магнитного момента электрона.

Магнитный момент электрона складывается из орбитального и спинового магнитных моментов. Магнитный момент атома складывается из магнитных моментов входящих в его состав электронов и магнитного момента ядра. Магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов. Поэтому общий магнитный момент атома (молекулы) равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) электронов, входящих в состав атома (молекулы):

Диамагнетики и парамагнетики

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Если орбитальный магнитный момент электрона составляет с магнитной индукцией внешнего поля угол a, то орбита электрона приходит в такое движение вокруг , при котором орбитальный магнитный момент вращается вокруг вектора магнитной индукции , сохраняя постоянный угол a. Такое движение называется прецессией (рисунок 20).

Рисунок 20. Прецессия электрона

Прецессия электронов под действием магнитного поля эквивалентна круговому току. По правилу Ленца у атома появляется составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле . Этот эффект называется диамагнитным эффектом. «Чистыми» диамагнетиками являются Ag, Au, Cu, вода и т.д. Диамагнетизм свойственен всем веществам.

Парамагнитные вещества намагничиваются во внешнем магнитном поле. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная (не полная) ориентация магнитных моментов атомов по направлению поля, появляется собственный магнитный момент атомов (собственное магнитное поле парамагнетика), которое совпадает по направлению с внешним полем и усиливает его. Это и называется парамагнитным эффектом. При снятии внешнего поля ориентация магнитных моментов исчезает вследствие теплового движения и парамагнетик размагничивается. Парамагнетиками являются Рt, Al, воздух и др.

Все вещества обладают диамагнитным эффектом, и если собственный магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными свойствами и вещество является парамагнетиком, а если магнитный момент атомов мал, то вещество – диамагнетик.

Намагниченность: , где – объем магнетика. , где - магнитный момент отдельной молекулы. Вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля:

Поле микротоков

Магнитная индукция внешнего поля

Результирующая магнитная индукция

В слабых магнитных полях , где:

– магнитная восприимчивость - безразмерная величина.

Для диамагнетиков < 0, а для парамагнетиков > 0.

относительная магнитная проницаемость вещества.

Для диамагнетиков < 1, для парамагнетиков > 1.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора В): , где:

I и I' – соответственно алгебраические суммы макротоков (токов проводимости) и микротоков (молекулярных токов), охватываемых контуром L.

Т

еорема о циркуляции вектора напряженности магнитного поля . Циркуляция вектора по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов проводимости, охватываемых этим контуром.