Магнитные свойства вещества

Нет таких веществ, состояние которых не изменялось бы при помещении их в магнитное поле. Более того, находясь в магнит­ном поле, вещества сами становятся источниками такого поля. В этом смысле все вещества принято называть магнетиками

Так как макроскопические различия магнетиков обусловлены их строением, то целесообразно рассмотреть магнитные характеристики электро­нов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в магнитном поле. Изложение прове­дем в рамках классической физики.

Условно будем считать, что электрон в атоме равномерно вращается вокруг ядра со скоростью по круговой орбите радиусом r (рис. 13.12).

Такое движение аналогично круговому току и характеризуется орбитальным магнитным моментом . (необходимо помнить, что электрон — отрицательно заряженная частица и его движение противоположно направлению тока).

Сила тока, соответствующего движению электрона, который вращается с частотой n, равна

I = e n, (13.25)

где е — заряд электрона. Так как n = u /(2pr), то

(13.26)

Тогда [см. (13.2)]

(13.27)

Одной из характеристик движения вращающегося тела или движения материальной точки по круговой орбите является момент импульса (механический момент). Он аналогичен импульсу тела при поступательном движении. Вектор момента импульса электрона, вращающегося по круговой орбите (), показан на рис. 13.12, а его модуль равен

(13.28)

где т_е — масса электрона.

Отношение магнитного момента частицы к ее моменту импуль­са называют магнитомеханическим отношением. Разделив (13.27) на (13.28), найдем орбитальное магнитомеханическое отношение для электрона:

(13.29)

Электрон обладает также и собственным моментом импульса, который называется спином. Спину соответствует спиновый магнитный момент. Спиновое механическое отношение вдвое больше орбитального:

(13.30)

Магнитомеханическое отношение обычно выражают через множитель Ланде g:

(13.31)

Как видно из (13.29)—(13.31), для орбитального магнито-механического отношения g_орб = 1 спинового отношения g_s = 2.

Формулы (13.29) и (13.30) показывают также, что между магнитным и механическим моментами существует вполне определенная «жесткая» связь, так как е и т_e — величины постоянные; эта связь проявляется в магнитомеханических явлениях. Одно из таких явлений впервые наблюдали Эйнштейн и де Гааз в 1915 г. Легкий стержень С подвешивался на тонкой нити в соленоиде (рис. 13.13). При пропускании тока по соленоиду создавалось магнитное поле и магнитные моменты электронов располагались упорядоченно, что приводило к упорядоченной ориентации моментов импульса. В результате весь стержень приобретал импульс и поворачивался, что было заметно по отклонению светового «зайчика», отраженного от зеркала.

Магнитомеханические явления позволяют определять магни-томеханические отношения и на основании этого делать выводы о роли орбитальных или спиновых магнитных моментов в процессах намагничивания. Так, например, опыты Эйнштейна и де Гааза показали, что за намагниченность ферромагнитных материалов ответственны спиновые магнитные моменты электронов.

Ядра, атомы и молекулы также имеют магнитный момент. Магнитный момент молекулы является векторной суммой магнитных моментов атомов, из которых она состоит.

Магнитное поле воздействует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты, в результате чего вещество намагничивается. Степень намагничивания вещества характеризуется намагниченностью . Среднее значение вектора намагниченности равно отношению суммарного магнитного момента всех частиц, расположенных в объеме магнетика, к этому объему:

(13.32)

Таким образом, намагниченность является средним магнитным моментом единицы объема магнетика. Единицей намагниченности служит ампер на метр (А/м).

Магнетики делят на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. Каждому из них соответствует и свой тип магнетизма: парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Рассмотрим их природу.

Согласно классической теории парамагнетизма, молекулы па­рамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты.

В отсутствие магнитного поля эти моменты расположены хаотически и намагниченность равна нулю (рис. 13.14, а). При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул ориентируются предпочтительно по направлению , в результате чего (рис. 13.14, б). Степень упорядоченности магнитных моментов зависит от двух противоположных факторов — магнитного поля и молекулярно-хаотического движения, поэтому намагниченность зависит как от магнитной индукции, так и от температуры.

Если стержень из парамагнетика подвесить в вакууме в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установится вдоль линий магнитной индукции (рис. 13.15, вид сверху), что соответствует ориентации по направлению . Магнитное поле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незначительно, внешнее магнитное поле, поэтому индукция В результирующего поля больше магнитной индукции В₀ поля вне парамагнетика (В > В₀). Это означает,что магнитная проницаемость парамагнетиков больше единицы (m > 1). К парамагнетикам относятся алюминий, кислород, молибден и т. д

В неоднородном магнитном поле в вакууме частицы парамагнитного вещества перемещаются в сторону большего значения магнитной индукции, как говорят, втягиваются в поле.

Объяснение природы диамагнетизма несколько сложнее, поэтому сначала целесообразно рассмотреть одно механическое явление.

Читатель, несомненно, наблюдал, что ось обычного детского волчка описывает вращательные конусообразные движения, которые называют прецессией (рис. 13.16, а). Она возникает тогда, когда на вращающееся тело с моментом импульса L _орб действует опрокидывающий момент силы. Если бы волчок не вращался, то он бы опрокинулся под действием момента силы тяжести , вращение же волчка приводит к прецессии.

Аналогичное явление происходит и с электронными орбитами в магнитном поле. Электрон, вращающийся по орбите, обладает моментом импульса, подобно волчку, а также характеризуется орбитальным магнитным моментом . Поэтому на него, как на контур с током, со стороны магнитного поля действует момент силы. Таким образом, создаются условия для возникновения прецессии электронной орбиты (рис. 13.16, б).

Рис. 13.16

Это приводит к появлению добавочного магнитного момента электрона , направленного противоположно индукции внешнего магнитного поля, что ослабляет поле. Так возникает диамагнетизм. Диамагнетизм присущ всем веществам. В парамагнетиках диамагнетизм перекрывается более сильным парамагнетизмом. Если магнитный момент молекул равен нулю, то диамагнетизм преобладает над парамагнетизмом; вещества, состоящие из таких молекул, относят к диамагнетикам.

На рис. 13.17 схематично показаны молекулы диамагнетика при отсутствии магнитного поля (а) и в поле (б). Намагниченность диамагнетиков направлена противоположно магнитной индук­ции, ее значение растет с возрастанием индукции.

Так как собственное магнитное поле, созданное диамагнетиком, направлено противоположно внешнему, то индукция В внутри меньше индукции В₀ вне диамагнетика (В < В₀). Следовательно, магнитная проницаемость диамагнетика меньше единицы (m < 1). К диамагнетикам относятся азот, водород, медь, вода и др. Частицы диамагнетика в вакууме в неоднородном магнитном поле будут «выталкиваться из поля».

Магнитные свойства веществ зависят от строения молекул, поэтому магнитные методы измерений используют в химических исследованиях. Специальный раздел физической химии — магнетохимия — изучает связь между магнитными и химическими свойствами вещества.

Ферромагнетики, подобно парамагнетикам, создают намагниченность, направленную по индукции поля; их магнитная проницаемость много больше единицы (m >> 1). Однако ферромагнетизм существенно отличен от парамагнетизма. Ферромагнитные свойства присущи не отдельным атомам или молекулам, а лишь неко­торым веществам, находящимся в кристаллическом состоянии. Объяснение этому явлению дает квантовая теория.

К ферромагнетикам относятся кристаллическое железо, никель, кобальт, многие сплавы этих элементов между собой и с другими неферромагнитными соединениями, а также сплавы и соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами.

Намагниченность ферромагнетиков зависит не только от магнитной индукции внешнего магнитного поля, но и от их предыдущего состояния. Ферромагнитные свойства вещества сохраняются лишь ниже определенной температуры, называемой точкой Кюри.

Хотя ферромагнетиков и не очень много в природе, в основном именно их используют как магнитные материалы в технике. Это обусловлено их сильным магнетизмом и остаточной намагниченностью (например, постоянные магниты).

Значительные механические силы, действующие на ферромагнитные тела и постоянные магниты в магнитном поле, находят разнообразные применения в медицине: исправление грудной клетки у детей (Ю. Ф. Исаков, Э. А. Степанов и др.), магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного на­ружного свища ободочной кишки (В. Д. Федоров и др.), удаление ферромагнитных пылинок и опилок из глаза.