Природа парамагнетизму. Парамагнетизм електронного газу

Парамагнітні властивості характерні речовинам, електронні оболонки атомів яких не повністю заповнені, тобто атоми мають постійний магнітний момент М, або уявляють собою постійні магнітні диполі. Другою умовою існування парамагнітного ефекту є слаба взаємодія цих диполів між собою. Відомо, що потенціальна енергія U магнітного диполя М у зовнішньому полі напруженістю Н залежить від кута θ між ними (рис.8.7)

. (8.14)

Мінімальне значення буде при θ = 0^о. Тому всі диполі намагаються зорієнтуватись у напрямку зовнішнього поля Н, викликаючи його підсилення. Результуючий магнітний момент речовини складається із проекцій магнітних моментів окремих атомів на напрямок зовнішнього поля. Тепловий рух викликає дезорієнтацію магнітних моментів окремих атомів, і чим вища температура, тим сильніша ця дезорієнтуюча дія і тим менша намагніченість і магнітна сприйнятливість. При певній температурі встановлюється динамічна рівновага між орієнтуючою дією поля і дезорієнтуючою дією теплового руху.

Вважаючи, що кут θ може приймати будь-яке значення, і скориставшись законом Больцмана розподілу енергій, французький фізик П.Ланжевен (1872-1946) розрахував намагніченість одиниці об’єму J_m і магнітну сприйнятливість χ

, , (8.15)

де n – концентрація атомів.

Видно, що J_m ~ H, а χ ~ Т^-1 у відповідності із законом Кюрі.

Відмітимо, що речовина буде парамагнетиком, коли підсилення магнітного поля за рахунок орієнтації магнітних диполів буде перевищувати діамагнітний ефект.

Парамагнітні властивості мають і вільні електрони. В зоні провідності знаходяться електрони з протилежно направленими спінами і спіновими магнітними моментами приблизно в однаковій кількості. Результуючий спіновий магнітний момент електронного газу дорівнює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля частина спінів, „перекидається” (змінює напрямок на протилежний), щоб потенціальна енергія їх була мінімальною у відповідності з формулою (8.14). В результаті кількість електронів з протилежними спінами становиться не однаковою. Виникає результуючий магнітний момент, який і підсилює зовнішнє поле.