 |
Парамагнетики.. Діамагнетики.
|
|
|
|
Парамагнетики.
Явище парамагнетизму знайшло своє пояснення завдяки гіпотезі Ампера. Згідно з гіпотезою у речовині безперервно циркулюють замкнені мікроскопічні струми, які утворюють власний сталий магнітний момент. Якщо зовнішнє магнітне поле відсутнє, орбіти молекулярних струмів, а як наслідок і їх магнітні моменти, орієнтовані хаотично, так що сумарний магнітний момент довільного мікрооб’єму речовини дорівнює нулю – речовина не виявляє магнітних властивостей. Якщо така речовина опиняється у зовнішньому магнітному полі, власні магнітні моменти молекулярних струмів орієнтуються уздовж ліній індукції зовнішнього поля, отже речовина намагнічується. Подальші дослідження підтвердили розумність гіпотези. Зокрема, запропонована Резерфордом планетарна модель атома дозволила пояснити природу молекулярних струмів. Згідно з його моделлю, атом складається з позитивного ядра, навколо якого обертаються електрони. Рух електронів по коловій орбіті можна розглядати як контур зі струмом. Використовуючи атомні характеристики, можна обчислити величину цього струму. Якщо радіус орбіти електрона дорівнює r, і за час одного оберту переноситься заряд, який дорівнює заряду електрона е, сила струму дорівнює
, (4. 7)
де n - частота обертання електрона. Магнітний момент такого струму чисельно визначається як
(4. 8)
В останньому виразі врахували зв’язок між частотою та лінійною швидкістю руху електрона 
. Для атома повний магнітний момент визначається як векторна сума орбітальних магнітних моментів усіх електронів, які рухаються навколо ядра.
|
|
|
Якщо зовнішнє магнітне поле відсутнє, всі напрямки рівноймовірні, отже всі магнітні моменти орієнтовані хаотично, повний магнітний момент дорівнює нулю. Якщо створюють магнітне поле, орієнтація магнітних моментів атомів уздовж поля стає більш вигідною з енергетичної точки зору. Під дією зовнішнього магнітного поля атоми орієнтуються таким чином, щоб нормаль до площини орбітального руху електронів збігалась з напрямком вектора індукції. Тепер сумарний магнітний момент одиниці об’єму ненульовий, тобто речовина намагнічена. Виникло внутрішнє поле такого ж напрямку, як і зовнішнє, отже результуюче поле посилилось. Але існує разорієнтуючий фактор – це тепловий рух молекул, який не дозволяє усім молекулам зорієнтувати свої магнітні моменти суворо уздовж магнітної індукції поля 
. З підвищенням температури разорієнтуюча дія теплового руху виражена сильніше, тому зменшується величина вектора намагніченості, а як наслідок і магнітна сприйнятливість. Для магнітної сприйнятливості рідин та твердих тіл виконується закон Кюрі - Вейса
, (4. 9)
де С, Тс - сталі величини для даної речовини.
Основні властивості парамагнетиків.
1. Парамагнетики збільшують індукцію магнітного поля, оскільки вектор намагнічення змінюється пропорційно магнітній індукції зовнішнього поля і збігається з ним за напрямком.
2. Парамагнетики – це слабкі магнетики ( c » 10-4)
3. Магнітна проникність парамагнетиків залежить від температури.
Діамагнетики.
Діамагнітні властивості виявляють усі речовини, якщо їхні атоми або молекули не мають власного магнітного моменту. Розглянемо природу діамагнетизму на прикладі молекули, яка складається з двох атомів. Магнітний момент такої молекули дорівнює нулю, оскільки, згідно з уявленнями квантової фізики, молекула складається з атомів, магнітні моменти яких протилежно спрямовані та взаємно компенсуються.
|
|
|
Якщо зовнішнє поле відсутнє, кожний електрон рухається по коловій орбіті радіусом r, і циклічна частота його обертання дорівнює w 0. Другий закон Ньютона для руху електрона запишемо у вигляді
(4. 10)
де Fk - кулонівська сила притягання електрона і ядра. Ця сила велика у порівнянні з силами, які діють на електрон з боку зовнішніх полів, тому радіус орбіти електрона у зовнішньому полі майже не змінюється.
Розглянемо молекулу у зовнішньому магнітному полі, вектор індукції якого перпендикулярний площині обертання електрона. На електрон, який рухається в магнітному полі, діє сила Лоренца. В залежності від взаємної орієнтації векторів B і u сила Лоренца або спрямована до ядра та збігається за напрямком з силою Кулона, або спрямована у протилежний бік. Другий закон Ньютона буде мати вигляд
(4. 11)
для першого випадку і
(4. 12)
для другого випадку.
Величина сили Лоренца у обох випадках визначається як
. (4. 13)
Підставимо вираз для сили Лоренца і сили Кулона в рівняння і отримаємо
(4. 14)
для першого випадку і
(4. 15)
для другого випадку.
Розв’язуючи ці рівняння відносно величини Dw = w - w 0, врахуємо, що w + w0 » 2w. Тоді в першому випадку 
, тобто частота обертання електрона в магнітному полі збільшилась. Отже, збільшилась лінійна швидкість і, відповідно, орбітальний магнітний момент електрона. При цьому приріст магнітного моменту 
. В другому випадку 
, тобто частота обертання електрона в магнітному полі зменшилась. Отже, зменшилась швидкість електрона і відповідний магнітний момент. При цьому приріст магнітного моменту 
і вектор зміни магнітного моменту протилежно спрямований до магнітного моменту. Можна взагалі сказати, що в магнітному полі електрон придбає додаткову кутову швидкість, яка характеризується частотою wL = ½ Dw½ і має назву ларморовой. Напрям вектора wL протилежний до вектора магнітної індукції В у обох випадках. Саме тому, є справедливим наступне векторне співвідношення
|
|
|
. (4. 16)
В загальному випадку, коли вектор магнітної індукції напрямлений під деяким кутом до площини обертання електрона, виникає прецесія атома, тобто вісь орбітального обертання електрона рухається, описуючи конічну поверхню. В цьому випадку утворення додаткової кутової швидкості Dw можна розглядати як кутову швидкість додаткового обертання атома як цілого з частотою wL . Розрахунки, які можуть бути проведені на основі цієї моделі, приводять до наступної формули для магнітної сприйнятливості діамагнетиків:
, (4. 17)
де n 0 – число атомів в одиниці об’єму.
Наприкінці відмітимо, що діамагнетизм, як зміна власного магнітного моменту молекул, є властивим всім без винятку речовинам. Однак, у випадку парамагнетиків він “маскується” парамагнітною переорієнтацією власних магнітних моментів, яка вносить значно більший внесок в намагнічення речовини.
Основні властивості діамагнетиків:
1. Діамагнетики послаблюють зовнішнє магнітне поле, оскільки вектор намагнічування протилежний за напрямком вектору магнітної індукції, а за величиною пропорційний йому.
2. Магнітна сприйнятливість не залежить від температури.
3. Діамагнетики – слабкі магнетики, їх магнітна сприйнятливість 
10-5, тому магнітна проникність m »1 – 10-5 »1.
|
|
|
