Магнитные свойства вещества 1. Магнитные моменты электронов и атомов. 2. Атом в магнитном поле. 3. Магнитное поле в веществе. 4. Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле. 5. Ферромагнетики.

1. Магнитные моменты электронов и атомов Все вещества в той или иной мере взаимодействуют с магнитным полем. У некоторых материалов магнитные свойства сохраняются и в отсутствие внешнего магнитного поля. Намагничивание материалов происходит за счет токов, циркулирующих внутри атомов – вращения электронов и движения их в атоме «амперовские токи».

В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов вещества ориентированы обычно беспорядочно, так что создаваемые ими магнитные поля компенсируют друг друга. При наложении внешнего магнитного поля атомы стремятся сориентироваться своими магнитными моментами по направлению внешнего магнитного поля, и тогда компенсация магнитных моментов нарушается, тело приобретает магнитные свойства – намагничивается.

Все тела при внесении их во внешнее магнитное поле намагничиваются в той или иной степени, т.е. создают собственное магнитное поле, которое накладывается на внешнее магнитное поле. Магнитные свойства вещества определяются магнитными свойствами электронов и атомов. Магнетики состоят из атомов, которые в свою очередь состоят из положительных ядер и, условно говоря, вращающихся вокруг них электронов.

Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током где е – заряд электрона, ν – частота его вращения по орбите.

Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона где S – площадь орбиты, – единичный вектор нормали к S, – скорость электрона. Электрон, движущийся по орбите имеет орбитальный момент импульса L е, который имеет противоположное направление по отношению к P m и связан с ним соотношением:

Коэффициент пропорциональности называется гиромагнитным отношением Кроме того, электрон обладает собственным моментом импульса L еS, который называется спином электрона: где h постоянная Планка:

Спину электрона L eS соответствует спиновый магнитный момент электрона P mS, направленный в противоположную сторону: Величину γ S называют гиромагнитным отношением спиновых моментов

Проекция спинового магнитного момента электрона на направление вектора индукции магнитного поля B может принимать только одно из следующих двух значений где μ Б – квантовый магнитный момент электрона – магнетон Бора.

Орбитальным магнитным моментом Р m атома называется геометрическая сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома где Z – число всех электронов в атоме – порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева. Орбитальным моментом импульса L атома называется геометрическая сумма моментов импульса всех электронов атома:

Общий орбитальный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) всех электронов:

2. Атом в магнитном поле Магнитное поле действует на атом и создает момент сил : При этом изменяется орбитальный момент импульса электрона: Изменяется вектор орбитального магнитного момента электрона

Из этого следует, что векторы и, и орбита прецессирует вокруг направления вектора Эта прецессия называется Ларморовской прецессией. Угловая скорость этой прецессии ω L зависит только от индукции магнитного поля и совпадает с ней по направлению:

Теорема Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на орбиту электрона в атоме является прецессия орбиты и вектора – орбитального магнитного момента электрона с угловой скоростью ω L вокруг оси, проходящей через ядро атома параллельно вектору индукции магнитного поля.

Прецессия орбиты электрона в атоме приводит к появлению дополнительного орбитального тока, направленного противоположно току I и соответствующего ему наведенного орбитального магнитного момента ΔP m где – площадь проекции орбиты электрона на плоскость, перпендикулярную вектору.

Общий орбитальный момент атома в магнитном поле равен векторной сумме: Первое слагаемое – полный магнитный момент равен нулю. Тогда орбитальный момент атома Z – число электронов в атоме

3. Магнитное поле в веществе При изучении магнитного поля в веществе различают два типа токов – макротоки и микротоки. Макротоками называются токи проводимости и конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел. Микротоками (молекулярными токами) называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах.

Магнитное поле в веществе является суперпозицией двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемого макро токами и внутреннего или собственного, магнитного поля, создаваемого микротоками. Характеризует магнитное поле в веществе вектор, равный геометрической сумме создаваемого макро токами и создаваемого микротоками:

Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит – намагниченность, равная отношению магнитного момента малого объема вещества к величине этого объема: где – магнитный момент i-го атома из числа n атомов, содержащихся в объеме ΔV.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе: где I микро и I макро – алгебраическая сумма макро- и микротоков сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контур L.

Алгебраическая сумма сил микротоков связана с циркуляцией вектора намагниченности соотношением: тогда закон полного тока можно записать в виде Вектор называется напряженностью магнитного поля.

Таким образом, закон полного тока для магнитного поля в веществе утверждает, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура L равна алгебраической сумме макро токов сквозь поверхность натянутую на этот контур: Этот закон полного тока в интегральной форме. В дифференциальной форме его можно записать:

Намагниченность изотропной среды с напряженностью магнитного поля связана соотношением где – магнитная восприимчивость среды. коэффициент пропорциональности, характеризующий магнитные свойства вещества.

4. Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Парамагнетики (усиление) (Mg 2+, Li, Na) Диамагнетики (ослабление) (Bi, Cu). Ферромагнетики (многократное усиление) (Fe, Co, Ni).

Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение) свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю. Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl, Bi, Cu, Ag, Au и др.). При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты направленные противоположно магнитному полю.

Вектор намагниченности диамагнетика равен Для всех диамагнетиков Вектор магнитной индукции собственного магнитного поля, создаваемого диамагнетиком при его намагничивании во внешнем поле направлен в сторону, противоположную внешнему полю

Магнитная восприимчивость диамагнетиков Вещество мол He Cu Zn Ag Au Bi CO 2 2,02 5,41 11,40 21,50 29,59 284,0 21

Парамагнетизм (от греч. para – возле) свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля. Парамагнетиками называются вещества, атомы которых имеют в отсутствии внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент.

К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О 2, оксид азота NO В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0. При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, происходит преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов по направлению поля, так что парамагнетик намагничивается.

Магнитная восприимчивость парамагнетиков в расчете на один моль (атом) Вещество мол Вещество мол Mg Na Rb Ba K Li Ca W 13,25 15,1 18,2 20,4 21,25 24,6 44,0 55,0 Sr Ti U Pu FeS EuCl 3 CoCl 3 91,2 161,0 414,0 627,0 1074,0 2650, ,0

5. Ферромагнетики К ферромагнетикам (ferrum – железо) относятся вещества, магнитная восприимчивость которых положительна и очень велика. Намагниченность и магнитная индукция ферромагнетиков растут с увеличением напряженности магнитного поля нелинейно, и в полях ~ А/м намагниченность ферромагнетиков достигает предельного значения

Ферромагнетики это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. У ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительна и очень велика = В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni

Основные отличия магнитных свойств ферромагнетиков. 1) Нелинейная зависимость намагниченности от напряженности магнитного поля Н (рис.). Как видно из (рис.), при Н > H S наблюдается магнитное насыщение. Рис. 13.5

2) При Н H S – линейна (рис.). Рис. 13.6

3) Зависимость относительной магнитной проницаемости μ от Н имеет сложный характер (рис.), причем максимальные значения μ очень велики (10 3 ÷ 10 6 ). Рис. 13.7

Впервые систематические исследования μ от Н были проведены в 1872 г. А. Г. Столетовым (1839–1896) – выдающимся русским физиком.

4) У каждого ферромагнетика имеется такая температура называемая точкой Кюри (Т К ), выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства. Для никеля температура Кюри равна 360 С.

Температура Кюри T С ферромагнетиков МатериалFeCoNiGdDyHoTmEr Температу ра Кюри, K ,6

5) Существование магнитного гистерезиса. На (рис) показана петля гистерезиса – график зависимости намагниченности вещества от напряженности магнитного поля Н.

J R - остаточная намагниченность J S -намагниченность насыщения Н с - коэрцитивная сила.

Измерение гиромагнитного отношения для ферромагнетиков показали, что элементарными носителями магнетизма в ферромагнетиках являются спиновые магнитные моменты электронов. Самопроизвольно намагничиваются лишь очень маленькие монокристаллы ферромагнитных материалов, например никеля или железа.

Оказывается, что большой исходный кусок железа разбит на множество очень маленьких (10 –2 10 –3 см), полностью намагниченных областей – доменов. Векторы намагниченности доменов в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы таким образом, что полный магнитный момент ферромагнитного материала равен нулю.

Если бы в отсутствие поля кристалл железа был бы единым доменом, то это привело бы к возникновению значительного внешнего магнитного поля, содержащего значительную энергию (рис.). Разбиваясь на домены, ферромагнитный кристалл уменьшает энергию магнитного поля. При этом, разбиваясь на косоугольные области, можно легко получить состояние ферромагнитного кристалла, из которого магнитное поле вообще не выходит.

Если поместить ферромагнетик, разбитый на домены, во внешнее магнитное поле, то в нем начинается движение доменных стенок. Они перемещаются таким образом, чтобы областей с ориентацией вектора намагниченности по полю стало больше, чем областей с противоположной ориентацией. По мере нарастания магнитного поля весь кристалл превращается в один большой домен с магнитным моментом, ориентированным по полю

Движение доменных стенок приводит к характерному шуму по мере того, как увеличивается магнитное поле. Впервые этот эффект наблюдался в 1919 г. немецким профессором Г. Г. Баркгаузеном (1881– 1956).

Намагничивание поликристаллического ферромагнетика: a – область обратимого намагничивания; b, c – необратимое намагничивание; d – изменение намагничивания при выключении внешнего магнитного поля.

Ферромагнитные материалы играют огромную роль в самых различных областях современной техники. Магнитомягкие материалы используются в электротехнике при изготовлении трансформаторов, электромоторов, генераторов, в слаботочной технике связи и радиотехнике; Магнитожесткие материалы применяют при изготовлении постоянных магнитов. Широкое распространение в радиотехнике, особенно в высокочастотной радиотехнике получили ферриты – ферромагнитные неметаллические материалы – соединения окиси железа (Fe 2 O 3 ) с окислами других металлов.

Магнитные материалы широко используются в традиционной технологии записи информации.

Магнитное вещество нанесено тонким слоем на основу твердого диска. Каждый бит информации представлен группой магнитных доменов (в идеальном случае – одним доменом). Для перемагничивания домена (изменения направления вектора его намагниченности) используется поле записывающей головки.

Сверхпроводники в магнитном поле Необычными магнитными свойствами обладают сверхпроводники – вещества с бесконечно большой проводимостью или нулевым электрическим сопротивлением. В идеальном проводнике нет рассеяния электронов проводимости на дефектах решетки, что соответствует бесконечно большой длине свободного пробега электронов.

В сверхпроводнике электроны объединяются в куперовские пары с нулевым спином, а затем эти пары электронов при низких температурах конденсируются в сверхтекучую электропроводящую жидкость. В сверхтекучей электропроводящей жидкости, нельзя внешним магнитным полем изменить импульс отдельного электрона или равномерное распределение электронов в объеме сверхпроводника. В результате магнитное поле оказывается всегда вытолкнутым из объема сверхпроводника

В идеальный проводник после охлаждения магнитное поле не проникает (б); проводник, ставший идеальным проводником при охлаждении во внешнем магнитном поле, сохраняет в себе магнитное поле после выключения внешнего магнитного поля (в); сверхпроводник, охлаждаемый в магнитном поле, после перехода в сверхпроводящее состояние выталкивает из своего объема внешнее магнитное поле – эффект Мейснера – Оксенфельда (г)