Магнитные свойства вещества. Все вещества являются магнетиками и взаимодействуют с магнитным полем. Магнитные свойства материалов определяются природой атомов и характером их взаимодействий. В зависимости от магнитных свойств вещества делятся на: 1. Ферромагнетики – магнитная восприимчивость очень велика. Сильно взаимодействуют с магнитным полем. Величина внешнего поля внутри ферромагнетика сильно возрастает. 2. Парамагнетики - магнитная восприимчивость небольшая. Слабо взаимодействуют с магнитным полем. Величина внешнего поля внутри ферромагнетика незначительно возрастает 3. Диамагнетики - магнитная восприимчивость небольшая. Слабо взаимодействуют с магнитным полем. Величина внешнего поля внутри ферромагнетика незначительно уменьшается Откуда у вещества магнитные свойства? Ранее мы выяснили, что МП действует только на движущиеся заряды. Все тела состоят из атомов, а атомы из ядра и движущихся вокруг ядра электронов. Электроны, которые движутся в атоме и определяют способность атомов любого вещества взаимодействовать с МП Предполагается, что электроны в атоме совершают два типа вращательных движений: 1. Вращение вокруг ядра 2. Вращение вокруг своей оси Рассмотрим движение электрона вокруг ядра Электрон, движущийся по орбите в атоме эквивалентен замкнутому контуру с орбитальным током I ev, Орбитальному току соответствует орбитальный магнитный момент электрона Pm ev Pm IS n , 2πr А движению электрона соответствует механический момент импульса Le = pr Магнитный момент и момент импульса электрона связаны соотношением Pm γLe . e γ 2m - гиромагнитное отношение Рассмотрим движение электрона вокруг своей оси Электрон обладает собственным механическим моментом или спином 3 LeS 2 h 34 1,05 10 2π - постоянная Планка Спину электрона LeS соответствует спиновый магнитный момент электрона PmS, направленный в противоположную сторону: PmS γ S LeS . Величину γS называют гиромагнитным отношением спиновых e моментов γS m . Орбитальным магнитным моментом Рm атома называется геометрическая сумма орбитальных магнитных моментов всех Z электронов атома Pm Pm i ; i 1 где Z – число всех электронов в атоме – порядковый номер элемента в периодической системе Менделеева. Орбитальным моментом импульса L атома называется геометрическая сумма моментов импульса всех электронов атома: Z L Lei . i 1 Общий орбитальный момент атома равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) всех электронов: Pa Pm PmS Атом в магнитном поле. В магнитное поле с индукцией на В электрон, движущийся по орбите эквивалентной замкнутому контуру сM током, сил действует момент M Pm ,B . : При этом изменяется момент dL e орбитальный Pm , B γB, L e . импульса электрона: dt Аналогично изменяется вектор орбитального магнитного момента dPm электрона dt γB, Pm . и e L P , иm сама Из этого следует, что векторы орбита прецессирует вокруг направления вектора В Эта прецессия называется Ларморовской прецессией. Угловая скорость этой прецессии ωL зависит только от индукции магнитного поля и совпадает с ней по направлению: e ωL B 2m (13.2.4) Теорема Лармора: единственным результатом влияния магнитного поля на орбиту электрона в атоме является прецессия орбиты и вектора – орбитального магнитного момента электрона с угловой скоростью ωL вокруг оси, проходящей через ядро атома параллельно вектору индукции Прецессия орбиты электрона в атоме приводит к появлению дополнительного орбитального тока, направленного ωI L противоположно току ΔI e орб 2π и соответствующего ему наведенного орбитального e2 S ΔP m момента ΔI орб S ΔP B магнитного m 4πm S В где – площадь проекции орбиты Pmэлектрона на плоскость, перпендикулярную В вектору . Знак минус говорит, что Δ Общий орбитальный момент атома в магнитном поле равен векторной сумме: Pm Pmi ΔPmi Первое слагаемое – полный магнитный момент равен нулю. Тогда орбитальный момент атома 2 e ZS Pm B 4πm Z – число электронов в атоме Магнитное поле в веществе. При изучении магнитного поля в веществе различают два типа токов – макротоки и микротоки. Макротоками называются токи проводимости и конвекционные токи, связанные с движением заряженных макроскопических тел. Микротоками (молекулярными токами) называют токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах. В является Магнитное поле в веществе суперпозицией двух полей: внешнего Вмагнитного внеш поля, создаваемого макротоками и внутреннего В внутр или собственного, магнитного поля, создаваемого микротоками. Характеризует магнитное поле в веществе вектор В , равный геометрической сумме В внеш создаваемого макротоками и В внутр создаваемого микротоками: В Ввнеш Ввнутр. Количественной характеристикой намагниченного состояния вещества служит – намагниченность ,J равная отношению магнитного момента малого объема вещества к величине этого объема: 1 J V Pm i , n i 1 Где Pm i – магнитный момент i-го атома из числа n атомов, содержащихся в объеме ΔV. Закон полного тока для магнитного поля в веществе: B d l μ I I , 0 макро микро L где Iмикро и Iмакро – алгебраическая сумма макро- и микротоков сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контур L. Алгебраическая сумма сил микротоков J связана с циркуляцией вектора намагниченности соотношением: I микро Jd l , L тогда закон полного тока можно записать в виде B μ 0 J d l I макро . L Вектор H называется напряженностью магнитного поля. B H J μ0 Таким образом, закон полного тока для магнитного поля в веществе утверждает, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура L равна алгебраической сумме макротоков сквозь поверхность натянутую на этот контур: • H d l I . макро • Этот закон полного тока в интегральной форме. L • В дифференциальной форме его можно записать: rot H jмакро. Намагниченность J изотропной среды с H связаны соотношением напряженностью J H. где – магнитная восприимчивость среды. коэффициент пропорциональности, характеризующий магнитные свойства вещества. Магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Если магнитное поле слабо усиливается в веществе, то такое вещество называется парамагнетиком B μ 1 B0 (Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na) • К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород О2, оксид азота NO, хлорное железо FeCI2 Се3+, Рr3+, Ti3+, V3+, Fe2+, Mg2+, Li, Na и др. • В отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0, так как векторы разных атомов Pmi ориентированы беспорядочно. • При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле, происходит преимущественная ориентация собственных магнитных по Pmi моментов атомов направлению поля, так что парамагнетик намагничивается. • Значения для парамагнетиков 0 положительны ( ) и находятся в если магнитное поле ослабевает, то это диамагнетик B μ 1 B0 (Bi, Cu, Ag, Au и др.). • Вектор намагниченности диамагнетика B равен J H , μ0 • Для всех диамагнетиков 0 В внутр • Вектор магнитной индукции собственного магнитного поля, создаваемого диамагнетиком при его В внеш намагничивании во внешнем поле направлен в сторону, противоположную -6 5 ~ 10 10 . (В отличии от диэлектрика в электрическом поле). • У диамагнетиков Вещества, обладающие сильными магнитными свойствами называются ферромагнетиками B μ 1 B0 (Fe, Co, Ni и пр.). Такие вещества могут быть постоянными магнитами • Ферромагнетики это вещества, обладающие самопроизвольной намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, температуры. • У ферромагнетиков магнитная восприимчивость положительна и очень велика = 104 105. • В ферромагнетиках происходит резкое усиление внешних магнитных полей. • Для ферромагнетиков сложным образом зависит от величины магнитного поля. Типичными ферромагнетиками являются Fe, Co, Ni, Gd,, Dy, Ho, Er, Tm, а также соединения ферромагнитных материалов с неферромагнитными: Fe3Al, Ni3Mn, ZnCMn3 Ферромагнетики, в отличие от слабо магнитных диа- и парамагнетиков, являются сильно магнитными веществами: внутреннее магнитное поле в них может в сотни раз превосходить внешнее поле. Ферромагнетики (Fe, Co, Ni и др.) и парамагнетики (U, Pu, FeS) втягиваются в область более сильного поля, диамагнетики (Bi и др.)– выталкиваются из области сильного поля. У каждого ферромагнетика имеется такая температура называемая точкой Кюри (ТК ), выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства. Наличие температуры Кюри связано с разрушением при T > TК упорядоченного состояния в магнитной подсистеме кристалла – параллельной ориентации магнитных моментов. Сверхпроводники в магнитном поле Необычными магнитными свойствами обладают сверхпроводники – вещества с бесконечно большой проводимостью или нулевым электрическим сопротивлением. Необычность поведения сверхпроводников в магнитном поле связана с принципиально разными механизмами, лежащими в основе эффекта отсутствия сопротивления в идеальном проводнике и сверхпроводнике. В идеальном проводнике нет рассеяния электронов проводимости на дефектах решетки, что соответствует бесконечно большой длине свободного пробега электронов. В сверхпроводнике электроны объединяются в куперовские пары с нулевым спином , а затем эти пары электронов при низких температурах конденсируются в сверхтекучую электропроводящую жидкость. В такой жидкости в отличие от идеального проводника, нельзя помешать одному электрону делать то, что делают остальные электроны, поскольку все пары электронов стремятся попасть в одинаковое состояние. В сверхтекучей электропроводящей жидкости, в частности, нельзя внешним магнитным полем изменить импульс отдельного электрона или равномерное распределение электронов в объеме сверхпроводника. В результате магнитное поле оказывается всегда вытолкнутым из объема сверхпроводника. Это важное свойство сверхпроводников было открыто в 1933 г. спустя 22 года после открытия сверхпроводимости немецкими физиками Мейснером и Оксенфельдом. Они первые установили, что независимо от условий эксперимента магнитное поле в объем сверхпроводника не проникает. Кроме того, они обнаружили, что сверхпроводник, охлажденный до температуры ниже критической, в постоянном магнитном поле самопроизвольно выталкивает магнитное поле из своего объема и магнитная индукция в объеме сверхпроводника становится равной нулю, т.е. сверхпроводник является идеальным диамагнетиком с магнитной восприимчивостью– 1.