Вещество в магнитном поле, природа пара– и диамагнетизма

Все вещества, помещенные в магнитное поле, приобретают магнитные свойства, то есть намагничиваются и поэтому изменяют внешнее магнитное поле.

1. Диамагнетики – это вещества, ослабляющие магнитное поле их магнитная проницаемость меньше единицы (). Такими веществами являются – фосфор, сера, сурьма, углерод, многие металлы (Bi, Hg, Au, Cu и др.), большинство химических соединений (H₂O и почти все органические соединения).

2. Парамагнетики – это вещества, усиливающие внешнее магнитное поле их магнитная проницаемость больше либо равна единице (). Парамагнетиками являются: газы, например, кислород и азот; металлы – алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочноземельные. В группу парамагнетиков входят ферромагнетики – это вещества, которые очень сильно усиливают внешнее магнитное поле (). Ферромагнетики – это железо, никель, кобальт, диспрозий, сплавы и окислы этих металлов, некоторые сплавы марганца и хрома.

В атомах и молекулах любого вещества есть круговые токи электронов по атомным орбиталям – это орбитальные токи. Каждый такой ток создает микроскопическое магнитное поле с соответствующим магнитным моментом – орбитальный магнитный момент. Кроме того, каждый электрон обладает собственным или спиновым магнитным моментом. Собственным магнитным моментом обладает и ядро атома. Геометрическая сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов и собственного магнитного момента ядра образует магнитный момент атома (молекулы) вещества.

У диамагнетиков суммарный магнитный момент атома (молекулы) равен нулю. Однако под влиянием внешнего магнитного поля у этих атомов (в результате явления электромагнитной индукции) индуцируется магнитный момент, направленный всегда противоположно внешнему магнитному полю. В результате диамагнитная среда намагничивается и создает собственное поле противоположное внешнему магнитному полю. Происходит это так: под влиянием внешнего магнитного поля плоскости электронных орбит начинают прецессировать вокруг силовой линии магнитного поля проходящей через ядро атома. Это движение эквивалентно круговому току. Так как этот ток индуцирован внешним полем, то, согласно правилу Ленца, его собственное магнитное поле и магнитный момент направлены противоположно внешнему полю. Намагниченность диамагнетика сохраняется пока есть внешнее поле.

У атома (молекулы) парамагнитного вещества орбитальные, спиновые и ядерные моменты не компенсируют друг друга. Поэтому атомы парамагнетика всегда обладают магнитными моментами и являются элементарными магнитами. Но магнитные моменты этих магнитиков разупорядочены и парамагнитная среда, в целом, не обнаруживает магнитных свойств. Внешнее магнитное поле создает преимущественное направление внутреннего поля, поворачивая магнитные моменты атомов в своем направлении. При отключении внешнего магнитного поля тепловое движение молекул сразу же разрушает ориентацию атомных магнитных моментов. В парамагнетиках есть и диамагнитный эффект, но он не заметен на фоне более сильного парамагнитного эффекта.

Таким образом, напряженность магнитного поля в веществе будет равна геометрической сумме напряженности внешнего магнитного поля (Н) и магнитного поля возникающего при намагничивании вещества (ΔН): , где (+) – парамагнитная среда, а (–) – диамагнитная среда. Иначе можно записать , , т.е. магнитная проницаемость сре ды показывает во сколько раз изменяется напряженность магнитного поля, существовавшего в пустоте, если пространство, охваченное этим полем заполняется средой.