Элементы теории магнетизма вещества

Различают следующие виды магнетизма вещества: диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм, ферримагнетизм, антиферромагнетизм.

Явления диа- и парамагнетизмов объясняются в рамках классической физики, остальные – квантовой физикой.

Диа- и парамагнетизм

Диамагнетизм. Атомы (молекулы) ряда веществ обладают нулевым магнитным моментом при отсутствии внешнего магнитного поля, вследствие чего это вещество размагничено при отсутствии внешнего магнитного поля. При воздействии внешнего магнитного поля возникает прецессия (от латинского – движение впереди) плоскости орбиты каждого электрона вокруг вектора этого поля.

Прецессия плоскости орбиты электрона – это вращение указанной плоскости вокруг атомного ядра (т.О), при котором угол b между нормалью к этой плоскости и осью О1О2, параллельной направлению внешнего поля и проходящей через т. О, сохраняется неизменным (см. рис. 2.1). Вектор движется по конической поверхности с центром в т. О, а его острие – по окружности. Прецессия эквивалентна некоторому дополнительному вращению электрона, которое создает дополнительный магнитный момент и является причиной возникновения у вещества собственного магнитного поля.

Рис. 2.1. Прецессия плоскости орбиты электрона

Согласно правилу Ленца этот дополнительный магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится его ослабить. Ослабление внешнего поля является весьма малым, составляя тысячные и сотые доли процента. При исчезновении внешнего поля исчезает и магнитное поле вещества.

Явления возникновения магнитного поля вещества за счет прецессии орбит электронов называется диамагнетизмом, а вещества, в которых реализуется диамагнетизм, называются диамагнетиками.

Диамагнетики не используются в технике построения электромагнитных и электромашинных устройств из-за того, что диамагнетизм слабо изменяет внешние магнитные поля, в которые помещаются диамагнетики, вызывая к тому же ослабление указанных полей. Диамагнетиками являются, в частности, вода, медь, серебро, золото, ртуть, цинк, свинец, висмут, инертные газы, а также многие органические соединения.

Отметим в заключение, что, во-первых, явление диамагнетизма характерно для всех атомов (молекул), а следовательно, возникает в любом веществе, во-вторых, диамагнетики выталкиваются из более интенсивных областей магнитного неоднородного поля в менее интенсивные [10, с. 7] и, в-третьих, для диамагнетиков величина m r» 1 при условии, что m r <1.

Парамагнетизм. Атомы (молекулы) ряда веществ обладают отличными от нуля собственными магнитными моментами, которые в отсутствие внешнего поля сориентированы равновероятно по всем направлениям. Поэтому средние значения магнитных моментов некоторых объемов таких веществ равны нулю. Иначе говоря, данные вещества при отсутствии внешних полей в целом размагничены.

При воздействии на такие вещества внешних магнитных полей в них возникают два явления:

– прецессия орбит электронов;

– установление магнитных моментов атомов вдоль внешнего магнитного поля, называемое парамагнетизмом.

Вещества, в которых возникает явление парамагнетизма, называются парамагнетиками.

Первое явление (диамагнетизм) ослабляет внешнее поле, а второе (парамагнетизм) усиливает его. Для реальных веществ эффект усиления магнитного поля проявляется более существенно, чем эффект диамагнитного ослабления. Поэтому результирующее магнитное поле, устанавливающееся в парамагнетике, усиливается по сравнению с исходным внешним полем. Эффект усиления однако весьма незначителен. Усиление происходит на тысячные – десятые доли процента [10, с. 7]. При исчезновении внешнего магнитного поля исчезает и магнитное поле парамагнетика. Парамагнетики, как и диамагнетики, не используются в технике построения электромагнитных и электромашинных устройств.

К парамагнетикам относятся, в частности, магний, соли железа, никеля, кобальта.

Отметим, что, во-первых, парамагнетики втягиваются из менее интенсивных областей в более интенсивные области неоднородного магнитного поля [10, с. 7] и, во-вторых, для парамагнетиков величина m r»1 при условии, что m r > 1.