 |
Диамагнетизм. Влияние магнитного поля на орбитальное движение электронов
|
|
|
|
Атомы диамагнитных веществ, при отсутствии внешнего намагничивающего поля не имеют магнитного момента. Орбитальные и спиновые моменты всех электронов этих атомов скомпенсированы. Если же диамагнитное тело поместить в магнитное поле, то в нём возникнет дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Как это объяснить?
Объяснение основано на применении к атому, помещённому в магнитное поле, правило Ленца. В момент включения магнитного поля или внесении диамагнитного вещества в область, где поле уже есть, в атомах должны возникнуть индукционные токи. В действительности в атоме движутся электроны, а магнитное поле как-то изменяет движение этих электронов и эквивалентный этому движению электронов ток. Но для простоты объяснения будем говорить об индукционном токе. Согласно правилу Ленца направление индукционного тока таково, что поле, им созданное, направлено против намагничивание поля В0. Возникший дополнительный орбитальный магнитный момент электрона направлен против поля. Данный эффект продолжается и после исчезновения э.д.с. индукции, когда магнитное поле не меняется. Объясняется это отсутствием сопротивления движению электронов в атоме, вследствие чего индукционный ток в нём не затухнет и после исчезновения э.д.с.
Если орбитальные магнитные моменты разных электронов в атоме могут скомпенсировать друг друга, то дополнительные магнитные моменты электронов, направленные у всех электронов против поля, суммируются, т.е. возникает суммарный дополнительный магнитный момент атома.
Возникновения диамагнетизма можно объяснить ещё и изменением частоты обращения электрона вокруг ядра.
Рассмотрим случай, когда плоскость орбиты электрона перпендикулярна к вектору В0 магнитного поля (рис46). На электрон в этом случае, кроме кулоновской силы Fк, действует сила Лоренца Fл, равная evB0. Равнодействующая сила при этом равна либо сумме, либо разности Fк и Fл, поэтому и центростремительное ускорение в этих двух случаях различно. Оно или увеличится или уменьшится, соответственно изменяется и частота обращения электрона вокруг ядра. Это изменение частоты и обусловливает появления дополнительного магнитного момента, так как изменяется сила эквивалентного тока.
|
|
|
рис. 46
Во всех же других случаях происходит так называемая прецессия электронной орбиты в магнитном поле.
Диамагнитный эффект присущ всем атомам без исключения, но по величине он незначителен. Обнаружить диамагнитный момент удаётся лишь в том случае, когда он не подавляется более сильным парамагнитным эффектом.
Диамагнетиками являются все инертные газы, а также металлы (медь, серебро, золото, бериллий, цинк, кадмий, бор, галлий, свинец, сурьма, висмут и др.).
Парамагнетизм
У парамагнетиков атомы и молекулы имеют постоянный магнитный момент, т.е. магнитные моменты частиц, их составляющих, не скомпенсированы. Такие атомы и молекулы в магнитном поле ведут себя как магнитная стрелка, устанавливаясь по полю.
При рассмотрении поведения парамагнитных веществ в магнитном поле надо учитывать, что магнитное поле ориентирует магнитные моменты атомов, а тепловое движение, наоборот, оказывает дезориентирующее действие. В результате действия обоих факторов устанавливается некоторое распределение магнитных моментов тела.
На рисунке 48 показаны магнитные моменты атомов парамагнетика при отсутствии внешнего магнитного поля.
|
|
|
рис. 48 рис. 49
Магнитные моменты отдельных атомов ориентированы равновероятно и по всем направлениям и средний магнитный момент всего тела равен нулю.
На рис 49 показано, как при действии внешнего магнитного поля в парамагнетикевозникает преимущественное направление элементарных магнитных моментов. Средний момент тела теперь отличен от нуля, и тело намагничивается по полю. Очевидно, что степень ориентации магнитных моментов по полю зависит от величины индукции поля.
Для парамагнетиков характерна некоторая зависимость намагниченности от температуры.
Парамагнитных веществ много, это некоторые газы (N2, О2 и др.), соли лантаноидов, железа, кобальта, никеля, а также многие металлы (щелочные металлы, магний, кальций, алюминий, хром, молибден, марганец, платина, палладий) и др.
6.6. Ферромагнетизм. Элементарные носители ферромагнетизма.
Носители ферромагнетизма были установлены с помощью опытов по гиромагнитным явлениям. В этих опытах определялась гиромагнитное отношение Г.
Рассмотрим один из самых интересных гиромагнитных опытов - опыт Эйнштейна и де Газа, осуществлённый в 1915г. В этом опыте железный цилиндр помещали в соленоид и подвешивали на тонкой кварцевой нити по оси соленоида (рис50).
По соленоиду можно было пропускать ток. На кварцевой нити укрепляли зеркальце, на которое направляли луч света. После отражения от зеркальца этот луч попадал в виде «светового зайчика» на экране. При малейших закручиваниях нити поворачивалось и зеркальце, а световой зайчик на экране смещался. Получился весьма чувствительный индикатор закручивание нити. Чтобы разобраться в опыте Эйнштейна и де Газа, необходимо уяснить сущность закона сохранения импульса. Оказывается, каждое вращающееся тело обладает некоторым моментом импульса Р, который определяется скоростями и расстояниями тел или частиц тел относительно оси вращения. Чем больше скорости v (или ω) и расстояние точки от оси вращения, тем больше величина Р.
Установлено, что если на тело не действуют никакие силы, способные изменять его вращения, то момент импульса Р сохраняется (Р=const). Ряд опытов и часто наблюдаемые в жизни явления очень хорошо подтверждают законы сохранения момента импульса. Наиболее простой пример - вращение фигуриста. Если фигурист вращается, то стоит ему прижать руку к телу, как угловая скорость его вращения возрастёт. Если же наоборот раскинет руки, то угловая скорость его вращения уменьшится. Дело в том, что момент импульса при вмещении фигуриста не должен изменяется. Но эта величина зависит от угловой скорости ω и расстояния от оси вращения r. Поэтому, когда фигурист прижимает руки, r уменьшается, ω - возрастает.
|
|
|
Обратимся теперь к интересующему нас опыту Эйнштейна и де Газа. Если намагнитить стержень, пропустив по соленоиду ток определённого направления, то все орбитальные и спиновые моменты в сердечнике должны сориентироваться по полю.
рис. 50
Определённым образом должны сориентироваться и механические моменты атомов. Если же теперь сердечник перемагнитить, изменив направление тока в соленоиде, то должна произойти переориентация, как магнитных моментов, так и их механических моментов. А стержень в результате этого должен вращаться. Однако возникшие в опыте Эйнштейна и де Газа при такой его постановке эффект весьма незначителен и учёные усилили его, воспользовавшись явлением механического резонанса. На соленоид подавалось переменное напряжение, частота которого совпадала с частотой собственных крутильных колебаний системы. Световой зайчик в этом случае смещался вполне заметно.
В опыте Эйнштейна и Де Газа было определенно гиромагнитное отношение Г. Оно оказалось равным е/m, т.е. ферромагнетизм обусловлен не орбитальными, а спиновыми магнитными моментами.
6.7. Ферромагнетизм и кристаллическая решётка. Доменная структура ферромагнетиков.
Возникает вопрос: почему у парамагнетиков не появляются свойства, присущие ферромагнетикам, ведь спиновые магнитные моменты есть и у электронов атомов парамагнетиков. Оказывается, дело не только в наличии нескомпенсированных спиновых магнитных моментов электронов, но и в существовании особого взаимодействия между этими электронами в теле.
|
|
|
Ферромагнетизм присущ не любым веществам и веществам не в любом состоянии, а возможен лишь в кристаллическом состоянии некоторых веществ и при температурах ниже некоторой температуры, определённой для данного вещества. Это - вещества, у которых в электронной оболочке есть незаполненные внутренние слои, в них и получаются нескомпенсированные спиновые моменты.
Объяснения сильной намагниченности ферромагнетиков впервые пытался дать русский физик Б.Л.Розинг, который в 1892 г. высказал предположение о том, что в ферромагнетиках под действием особых сил возникают определённые намагниченные участки. В 1902г. французский физик П.Вейс высказал гипотезу о наличии в ферромагнитном кристалле областей - доменов, которые намагничены до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов направлены различно и общий магнитный момент тела равен нулю. В магнитном поле эти намагниченные участки ориентируются по полю.
Гипотеза Вейса о доменной структуре ферромагнетиков получила теоретическое обоснование лишь в 1935г. в работах советских физиков Л.Ландау и Е.Лившица.
Было установлено, что существуют особые силы, описываемые квантовой механикой, которые заставляют все спины внутри домена выстраиваться параллельно.
Хотя линейные размеры доменов невелики (от 10-2 до 10-5см), их удаётся наблюдать в микроскопе. Ещё в 1931 г. советские физики Н.Акулов и М.Дехтяр, а также независимо от них американский физик С.Биттер предложил метод наблюдения доменной структуры ферромагнетиков, получивший название метода порошковых фигур. Поверхность кристалла ферромагнетика полируют и наносят на неё каплю водной суспензии тонко измельчённого ферромагнитного порошка, частицы которого оседают на границах доменов. Благодаря этому они становятся видимыми в микроскоп.
|
|
|
