Магнитные свойства вещества.

37. Магнитные моменты электронов и атомов.

До сих пор влияние среды на магнитные явления учитывалось формально введением магнитной проницаемости . Для того, чтобы разобраться в магнитных свойствах сред и их влиянии на магнитную индукцию, необходимо рассмотреть действие магнитного поля на атомы и молекулы вещества.

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, поскольку в любом теле существуют микроскопические токи (микротоки), обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Для многих целей, в том числе и для объяснения многих магнитных явлений, можно использовать квазиклассическую модель, в которой предполагается, что атом состоит из положительно заряженного ядра, вокруг которого обращаются электроны по круговым или эллиптическим орбитам, подобно планетам солнечной системы (планетарная модель атома).

Такие электроны, обращающиеся по орбитам, представляют собой замкнутые электрические токи, и поэтому естественно предположить, что именно они являются микротоками (существование которых предполагал еще Ампер), ответственными за намагничивание вещества.

Если электрон совершает v оборотов в секунду, то сила тока .
Орбитальный магнитный момент электрона, движущегося по круговой орбите, площадью S:

Если электрон движется по часовой стрелке, то ток направлен против часовой стрелки и вектор (в соответствии с правилом правого винта) направленперпендикулярно плоскости орбиты электрона.

Так как электронам присущ не только заряд, но еще и масса, то каждый орбитально движущийся электрон обладает не только магнитным моментом (как и всякий замкнутый ток), но еще и определенным механическим моментом импульса т.е. подобен волчку:

где — угловая скорость электрона, . Вектор называется орбитальным механическим моментом электрона. Поскольку направление вектора также определяется по правилу правого винта, то направления и противоположны. Поэтому:

где величина Γ называется гиромагнитным отношениеморбитальных моментов.

Кл/кг— удельный заряд электрона.

Кроме орбитальных моментов, электрон обладает собственным механическим моментом импульса , называемый спином.

Спину электрона соответствует собственный (спиновый) магнитный момент . Проекция спина на направление вектора может принимать только одно из следующих двух значений:

где (h - постоянная Планка), - магнетон Бора, являющийся единицей магнитного момента электрона.

Общий магнитный момент атома или молекулы равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:

Магнитные моменты атомных ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому ими как правило пренебрегают.

38. Диа- и парамагнетики.

Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться).

На вращающийся по орбите электрон, как на замкнутый ток, в магнитном поле действует вращающий момент сил. В результате электрон получает дополнительное равномерное вращение, при котором вектор будет описывать конус вокруг направления индукции с некоторой угловой скоростью . Такое движение называется прецессией.

Теорема Лармора: действие магнитного поля на электронную орбиту можно свести к сообщению этой орбите прецессии с угловой скоростью Ω.

Прецессионное движение электронных орбит эквивалентно круговому микротоку. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется магнитный момент, направленный против внешнего поля.

Наведенные составляющие магнитных полей атомов складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил название диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками (например, Ag. Au, Cu...).

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам.

Наряду с диамагнитными веществами существуют и парамагнитные — вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном попе по направлению поля (пример: редкоземельные металлы, Pt, Al…).

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и молекулы парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом {такие молекулы называются полярными).

Вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому, в отсутствие магнитного поля, парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают.

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов (молекул) по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).

Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающим его. Этот эффект называется парамагнитным. Если магнитный момент атомов (молекул) велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком.

Пара- и диамагнетики по-разному ведут себя в неоднородных магнитных полях.

Рассмотрим малый виток с током в неоднородном магнитном поле (см. рисунок). Силы , действующие на отдельные участки витка, перпендикулярны к току и к магнитному попю. Составляющие , параллельные витку, создают усилия, растягивающие (или сжимающие) виток. Составляющие , перпендикулярные к плоскости витка, складываясь, дадут некую силу , стремящуюся перемещать виток в магнитном поле. Если магнитный момент тока сонаправлен с вектором магнитной индукции (как изображено на рисунке), то виток будет втягиваться в область более сильного поля. Если же вектор противонаправпен вектору В, то виток будет выталкиваться и перемещаться в область более слабого поля.

Поэтому парамагнетики втягиваются в область сильного поля, в то время, как диамагнетики выталкиваются из этой области.

39. Намагниченность. Магнитное поле в веществе.

Подобно тому, как для количественного описания поляризации диэлектриков была введена поляризованность. для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину — намагниченность, определяемую магнитным моментом единицы объема магнетика:

где — магнитный момент магнетика, равный векторной сумме магнитных моментов отдельных молекул.

В несильных полях намагниченность пропорциональна напряженности поля, вызывающего намагничение. Поэтому, аналогично диэлектрической восприимчивости, можно ввести понятие магнитной восприимчивости вещества χ:

χ — безразмерная величина.

Для диамагнетиков χ отрицательна (χ < 0 поле молекулярных токов противоположно внешнему полю), для парамагнетиков — положительна (χ > 0 поле молекулярных токов совпадает с внешним).

Абсолютное значение магнитной восприимчивости для диа- и парамагнетиков очень мало — порядка

Магнитное поле в веществе складывается из двух полей: внешнего поля создаваемого намагничивающим током в вакууме, и поля намагниченного вещества:

где

Для описания поля, создаваемого молекулярными токами, рассмотрим магнетик в виде кругового цилиндра сечения S и длины l, внесенного в однородное внешнее магнитное поле с индукцией параллельное оси цилиндра. Если рассмотреть любое сечение цилиндра, перпендикулярное его оси, то во внутренних участках сечения магнетика молекулярные токи соседних атомов направлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Некомпенсированными будут лишь молекулярные токи, выходящие на поверхность цилиндра.

Магнитную индукцию тока текущего по боковой поверхности цилиндра, вычислим (считая для простоты =1) по формуле для соленоида с N= l (соленоид из одного витка):

Магнитный момент этого суммарного тока микротоков внутри магнетика , где V — объем магнетика

Намагниченность магнетика , следовательно

или в векторной форме

Следовательно,

.

Безразмерная величина

называется магнитной проницаемостью вещества. Именно эта величина использовалась ранее в соотношении