Магнитное поле в веществе

Сходство в расположении силовых линий кругового тока и прямого магнита (рис.4 ТР с163) позволило Амперу в 1820 году выдвинуть гипотезу, что магнитные свойства вещества обусловлены наличием в них круговых микротоков, связанных с движением электронов вокруг ядра.

Если тело внести в магнитное поле проводника с током (макроток), то под его воздействием микротоки всех атомов сориентируются определенным образом, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Это означает, что при одном и том же макротоке и прочих равных условиях значение индукции В в разных средах будет разным.

Магнитное поле проводника с током (макротока) характеризуется вектором напряженности . Для однородной изотропной среды

, (8)

где μ – магнитная проницаемость среды, безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз поле макротока усиливается или ослабляется за счет полей микротоков среды (для вакуума μ = 1); μ ₀ = 4π ∙ 10^-7 Гн/м.– магнитная постоянная. [Н] =А/м.

а) Магнитные моменты электрона, атома и молекулы

Рассмотрим явление намагничивания с точки зрения строения атомов и молекул. Будем считать, что электроны в атоме движутся по круговым орбитам (рис.). Тогда каждый из электронов обращающийся по орбите с частотой ν (ν – число оборотов за секунду) создает микроток силой:

I = еν, (9)

что обуславливает появление у электрона орбитального магнитного момента: . Модуль вектора:

, (10)

где S – площадь, охватываемая орбитой. С другой стороны модуль орбитального механического момента импульса электрона можно представить в виде:

L_{e, о} = m_eυ ·r = m_e·2π rν ·r – 2m_eν S, (11)

где υ = 2π r∙ ν, S = π r². Из рис. видно, что и по направлению противоположны. Тогда с учетом (10) и (11) для получим:

. (12)

Величина g_ор = -е / 2m_е называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов. Это соотношение справедливо и для эллиптических орбит.

Эксперимент показал, что измеренное гиромагнитное отношение для электрона вдвое больше g_ор. Было высказано предположение (впоследствии доказанное), что электрон кроме орбитального обладает собственным механическим моментом импульса , который называется спином. Спин – это свойство электрона, которому соответствует собственный (спиновый) магнитный момент. По аналогии с (12):

, (13)

где g_S – спиновое гиромагнитное отношение.

Особенностью является то, что его проекция на направление принимает только одно из двух значений, т.к. квантуется:

_Б, (14)

где , h – постоянная Планка. Величина μ _Б называется магнетоном Бора и является единицей магнитного момента электрона. Т.е. магнитный момент электрона может иметь значения только кратные μ _Б.

Т.к. магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, то ими можно пренебречь в данном случае. Тогда общий магнитный момент атома или молекулы будет представлять собой векторную сумму магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом или молекулу электронов:

, (15)

В общем случае магнитные моменты отдельных атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому тела в большинстве случаев не проявляют магнитных свойств. Однако все вещества являются магнетиками, т.е. способны под воздействием внешнего магнитного поля намагничиваться (приобретать магнитный момент, как результат упорядоченности в расположении магнитных моментов отдельных атомов и молекул).

Количественно намагничивание характеризуется вектором намагниченности – .

, (16)

где – магнитный момент отдельной частицы, V– объём тела. [J] = А/м.

Как показывает опыт, намагниченность пропорциональна напряжённости внешнего поля:

, (17)

где χ – магнитная восприимчивость вещества (безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться).

Вектор магнитной индукции магнитного поля в магнетике представляет собой сумму магнитной индукции внешнего поля (поле намагничивающего тока в вакууме) и поля микротоков (поля молекул и атомов магнетика):

. (18)

Известно, что . С учётом (4) выражение для теперь примет вид:

. (19)

Из () получим для напряжённости внешнего поля:

, (20)

где 1+ χ = μ – магнитная проницаемость среды.

б) Диамагнетизм.

Для понимания механизма этого явления рассмотрим действие магнитного поля на движущийся в атоме электрон.

Орбиты электронов ориентированы относительно произвольно. Пусть нормаль к плоскости орбиты – образует с угол α. В этом случае сила Лоренца, действуя, на движущийся электрон, вызывает прецессионное движение орбиты (опыт с волчком). Это вращательное движение орбиты эквивалентно круговому току, который в соответствии с правилом Ленца имеет такое направление, чтобы магнитное поле этого прецессионного тока было противоположно внешнему. Т.е. результирующее наведенное магнитное поле атомов ослабляет внешнее поле. Это явление получило название диамагнитного эффекта. Диамагнетизм, как явление, присущ всем материалам.

В зависимости от того будет ли индукция магнитного поля в данном веществе в результате намагничивания возрастать или убывать материалы делятся на диамагнетики и парамагнетики.

в) Диамагнетики

К диамагнетикам относятся вещества, у которых магнитные моменты молекул в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Внешнее магнитное поле вызывает диамагнитный эффект. Наведённые составляющие магнитных полей молекул складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, которое направленно противоположно внешнему и ослабляет его. К диамагнетикам относятся: металлы – висмут, серебро, золото, медь и др.; большинство органических соединений; смолы; углерод; вода…