Магнитное поле в веществе. Магнитные моменты электрона, атома и молекулы.

Сходство в расположении силовых линий кругового тока и прямого магнита позволило Амперу в 1820 году выдвинуть гипотезу, что магнитные свойства вещества обусловлены наличием в них круговых микротоков, связанных с движением электронов вокруг ядра. Если тело внести в магнитное поле проводника с током (макроток), то под его воздействием микротоки всех атомов сориентируются определенным образом, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее поле, создаваемое всеми макро- и микротоками. Это означает, что при одном и том же макротоке и прочих равных условиях значение индукции В в разных средах будет разным.

Магнитное поле проводника с током (макротока) характеризуется вектором напряженности . Для однородной изотропной среды

,

где μ – магнитная проницаемость среды, безразмерная величина, которая показывает, во сколько раз поле макротока усиливается или ослабляется за счет полей микротоков среды (для вакуума μ = 1); μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м.– магнитная постоянная. [Н] =А/м.

Магнитные моменты электрона, атома и молекулы

Рассмотрим явление намагничивания с точки зрения строения атомов и молекул. Будем считать, что электроны в атоме движутся по круговым орбитам . Тогда каждый из электронов обращающийся по орбите с частотой ν (ν – число оборотов за секунду) создает микроток силой: I = еν, что обуславливает появление у электрона орбитального магнитного момента: . Модуль вектора: , где S – площадь, охватываемая орбитой. С другой стороны модуль орбитального механического момента импульса электрона можно представить в виде: L_e,о = m_eυ·r = m_e·2πrν ·r – 2m_eνS, где υ = 2πr∙ν, S = πr². Из рис. видно, что и по направлению противоположны. Тогда с учетом предыдущих формул для получим:

.

Величина g_ор = -е / 2m_е называется гиромагнитным отношением орбитальных моментов. Это соотношение справедливо и для эллиптических орбит. Эксперимент показал, что измеренное гиромагнитное отношение для электрона вдвое больше g_ор. Было высказано предположение (впоследствии доказанное), что электрон кроме орбитального обладает собственным механическим моментом импульса , который называется спином.

Спин – это свойство электрона, которому соответствует собственный (спиновый) магнитный момент. По аналогии с предыд.формулой: ,где g_S – спиновое гиромагнитное отношение.Особенностью является то, что его проекция на направление принимает только одно из двух значений, т.к. квантуется:

_Б,

где , h – постоянная Планка. Величина μ_Б называется магнетоном Бора и является единицей магнитного момента электрона. Т.е. магнитный момент электрона может иметь значения только кратные μ_Б.

Т.к. магнитные моменты ядер в тысячи раз меньше магнитных моментов электронов, то ими можно пренебречь в данном случае. Тогда общий магнитный момент атома или молекулы будет представлять собой векторную сумму магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом или молекулу электронов:

,

В общем случае магнитные моменты отдельных атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому тела в большинстве случаев не проявляют магнитных свойств. Однако все вещества являются магнетиками, т.е. способны под воздействием внешнего магнитного поля намагничиваться Количественно намагничивание характеризуется вектором намагниченности – . , где – магнитный момент отдельной частицы, V– объём тела. [J] = А/м. Как показывает опыт, намагниченность пропорциональна напряжённости внешнего поля: , где χ – магнитная восприимчивость вещества (безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться).

Напряжённость внешнего поля: , где 1+ χ = μ – магнитная проницаемость среды.

32. Вектор намагничивания. Магнитная проницаемость вещества. Диа-, пара- и ферромагнетики
магнитные моменты отдельных атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому тела в большинстве случаев не проявляют магнитных свойств. Однако все вещества являются магнетиками, т.е. способны под воздействием внешнего магнитного поля намагничиваться (приобретать магнитный момент, как результат упорядоченности в расположении магнитных моментов отдельных атомов и молекул).
Количественно намагничивание характеризуется вектором намагниченности – . , где – магнитный момент отдельной частицы, V– объём тела. [J] = А/м. Как показывает опыт, намагниченность пропорциональна напряжённости внешнего поля: , где χ – магнитная восприимчивость вещества (безразмерная величина, характеризующая способность вещества намагничиваться). Вектор магнитной индукции магнитного поля в магнетике представляет собой сумму магнитной индукции внешнего поля (поле намагничивающего тока в вакууме) и поля микротоков (поля молекул и атомов магнетика): .

Известно, что . выражение для теперь примет вид: .

К диамагнетикам относятся вещества, у которых магнитные моменты молекул в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Внешнее магнитное поле вызывает диамагнитный эффект. Наведённые составляющие магнитных полей молекул складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, которое направленно противоположно внешнему и ослабляет его. К диамагнетикам относятся: металлы – висмут, серебро, золото, медь и др.; большинство органических соединений; смолы; углерод; вода… У молекул парамагнитных веществ орбитальные, спиновые и ядерные магнитные моменты не компенсируют друг друга. Поэтому атомы парамагнитных веществ обладают не равным нулю результирующим магнитным моментом Р_m. Моменты отдельных молекул расположены хаотично и в целом вещество не обнаруживает магнитных свойств. Внешнее поле стремиться сориентировать по направлению поля. В результате парамагнетик намагничивается, т.е. в нём появляется собственное поле, совпадающее по направлению с внешним. Возникает парамагнитный эффект – внешнее поле усиливается.

Интенсивность намагничивания (суммарный магнитный момент единицы объёма в данном случае будет зависеть не только от внешнего поля, но и от температуры. При ликвидации внешнего поля тепловое движение разрушает ориентацию атомных магнитных моментов.

Удельная магнитная восприимчивость парамагнитных веществ – закон Кюри, где С – константа, характерная для каждого вещества. Т – температура.

Ферромагнетики

Помимо слабомагнитных веществ, к которым относится диамагнетики и парамагнетики, существует еще сильномагнитные вещества ферромагнетики. Намагниченность ферромагнетиков имеет тенденцию к насыщению. Существенной особенностью этого класса веществ являются: а) большие значения магнитной проницаемости (для Fe – 5000, супермаллоя – 800000) и б) зависимость μ от H (рис.). Такой характер поведения μ обуславливает явление магнитного гистерезиса – зависимость не только от H, но и от того какой была намагниченность в предыдущий момент.

Формула справедлива и для ферромагнетиков, однако магнитная индукция теперь не будет пропорциональна напряжённости намагничивающего поля, т.к. μ = f(H).

Особенности ферромагнетика обусловлены тем, что в нём имеется множество сравнительно крупных самопроизвольно намагниченных до насыщения областей – доменов, размером порядка 10^-2 см. В пределах одного домена спиновые магнитные моменты электронов ориентированы одинаково. Однако ориентация самих доменов хаотична. Поэтому в отсутствие магнитного поля ферромагнетик не обнаруживает намагниченности. Внешнее поле упорядочивает ориентацию доменов. При напряжённости поля H_μ все домены занимают положение, при котором их магнитные моменты ориентированы в направлении внешнего поля – ферромагнетик намагничивается до насыщения. При выключении поля ферромагнетик не размагничиватся полностью.

Ферромагнитики с широкой петлей гистерезиса называются жесткими, а с узкой мягкими.