Магнитные свойства вещества. 1. Парамагнетизм и диамагнетизм

1. Парамагнетизм и диамагнетизм

Ранее влияние свойств среды на магнитное взаимодействие проводников с током или движущихся зарядов учитывалось на­ми формально, а именно, введением в формулы относительной магнитной проницаемости μ.

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля приобретать магнитный момент (на­магничиваться).

В чем состоит причина намагничивания? Согласно предста­влениям классической физики электроны в атомах движутся по замкнутым орбитам. Такое движение каждого электрона эквива­лентно замкнутому контуру тока. Сила этого тока I = е/Т, где е — заряд электрона, а T — период обращения электрона вокруг ядра. Подобный замкнутый ток обладает магнитным моментом р = I ∙ S, где S — площадь, обтекаемая током.

Замкнутые токи внутри атомов и молекул называются мо­лекулярными токами. Каждый молекулярный ток, таким обра­зом, обладает магнитным моментом и создает в окружающем про­странстве магнитное поле.

Опыт показывает, что в одних веществах, называемых пара­магнетиками, магнитное поле отдельных молекулярных токов совпадает с направлением внешнего намагничивающего поля; в других, называемых диамагнетиками, — противоположно напра­влению внешнего магнитного поля.

Молекулы парамагнетиков обладают магнитным моментом, но в отсутствие внешнего магнитного поля, вследствие теплового движения молекул, их магнитные моменты ориентированы беспо­рядочно; поэтому суммарный магнитный момент равен нулю, и в целом парамагнетик магнитными свойствами не обладает. Если же парамагнетик поместить в магнитное поле напряженностью Н, то молекулярные токи поворачиваются таким образом, что их магнитные моменты оказываются направленными в ту же сторо­ну, что и Н, т.е. внутри парамагнетиков происходит наложение двух магнитных полей одинакового направления. Таким обра­зом, парамагнетики усиливают внешнее магнитное поле. К па­рамагнетикам относятся некоторые газы (кислород, азот) и металлы (алюминий, вольфрам, платина, щелочные и щелочнозе­мельные металлы).

Молекулы диамагнетиков в отсутствии внешнего магнитно­го поля магнитным моментом не обладают. У диамагнетиков магнитные моменты всех электронов атома или молекулы ком­пенсируют друг друга, и поэтому суммарный магнитный момент отдельных молекул равен нулю. При внесении диамагнитного ве­щества во внешнее магнитное поле в каждом атоме возбуждают­ся молекулярные токи такого направления, что создаваемое ими магнитное поле направлено против внешнего поля. Таким обра­зом, диамагнетики ослабляют внешнее магнитное поле. Лиамаг-нетиками являются инертные газы, большинство органических соединений, многие металлы (цинк, золото, ртуть, серебро), смо­лы, вода, стекло, мрамор.

Таким образом, если в пустом пространстве существует маг­нитное поле, имеющее напряженность Я, то при заполнении это­го пространства однородной средой результирующая напряжен­ность магнитного поля равна:

где ∆Н — напряженность поля, создаваемого самой средой; знак плюс относится к случаю парамагнитной среды, знак минус — к случаю диамагнитной среды. Добавочная напряженность ∆Н магнитного поля, создаваемого самой средой за счет диамагнит­ного или парамагнитного эффекта, пропорциональна напряжен­ности внешнего поля; поэтому формулу (1) можно записать в виде:

где μ — безразмерный коэффициент пропорциональности, назы­ваемый относительной магнитной проницаемостью среды.

Коэффициент μхарактеризует магнитные свойства среды, ее способность намагничиваться под действием внешнего поля. Очевидно, что у вакуума μ = 1 (H' = H), у диамагнетиков μ < 1 (Н¹ < H), а у парамагнетиков μ > 1 (H' > H). Вооб­ще говоря, у диамагнитных и парамагнитных веществ магнит­ная проницаемость мало отличается от единицы. Так, например, μH₂O = 0,999991, μ Al= 1,000023.

Магнитное поле в веществе принято характеризовать не ре­зультирующей напряженностью Н', а величиной В, равной про­изведению Н' на магнитную постоянную μ₀. Она называется ин­дукцией магнитного поля (магнитной индукцией): В = μ₀H’ или, согласно формуле (2):

Так как у вакуума μ= 1, то магнитная индукция в вакууме:

Тогда формулу (3) можно записать в виде В = μВо, откуда сле­дует определение μ.