Магнитные моменты атомов. Типы магнетиков.

Лекция 13

Макроскопические токи – это токи текущие в проводниках.

Согласно предположению французского физика Ампера в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Электрон, движущийся по круговой орбите в атоме эквивалентен круговому току и обладает орбитальным магнитным моментом.

, модуль которого равен

, где I – сила тока, S – площадь орбиты.

, где - частота вращения электрона по орбите.

Тогда (1) – орбитальный магнитный момент (см.рис.).

С другой стороны электрон обладает механическим моментом импульса

, где – угол между и .

(2) – орбитальный механический момент электрона.

направлен вниз (по правилу векторного произведения) (см.рис.).

Разделим (1) на (2):

В векторном виде учтем, что и противоположно направлены, т.е. .

Обозначим - гиромагнитное отношение орбитальных моментов.

– связь между орбитальным магнитным моментом и орбитальным механическим моментом.

Электрон, независимо от его пребывания в какой – либо системе частиц(атом, молекула, кристалл), обладает собственным механическим моментом импульса L_S, которым называется спином.

Элементарное модельное представление о спине связывается с вращением электрона вокруг собственной оси.

Спину электрона L_S соответствует собственный (спиновый) магнитный момент р_ms:

, где - гиромагнитное отношение спиновых моментов.

Проекция собственного магнитного момента на направление вектора может принимать одно из двух значений:

- магнетон Бора, где .

Общий магнитный момент атома (молекулярный) равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом электронов:

Магнетиками называются вещества которые под действием магнитного поля приобретают магнитный момент, т.е. намагничиваются.

По магнитным свойствам магнетики подразделяют на слабомагнитные и сильномагнитные вещества.

К слабомагнитным веществам относятся диамагнетики и парамагнетики. К сильномагнитным веществам относятся ферромагнетики.

Диамагнетикаминазываются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.

К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствии внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются: висмут, серебро, золото, медь, большинство органических соединений, смолы, углероды.

Парамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении вектора магнитной индукции поля.

Атомы, молекулы или ионы парамагнетика обладают собственным магнитным моментом.К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, алюминий, платина, редкоземельные эдементы, щелочные металлы и другие вещества.

Ферромагнетики – группа некоторых переходных металлов (железо, никель,кобальт) и ряд сплавов, обладающих особыми магнитными свойствами.

Для характеристики намагниченного состояния магнетика вводится вектор намагниченности , равный магнитному моменту единицы объема магнетика:

, где - магнитный момент магнетика, равный векторной сумме магнитных моментов отдельных молекул.

В несильных полях намагниченность прямо пропорциональна напряженности поля ,вызывающего намагничивание

, где (хи) – магнитная восприимчивость вещества

- для диамагнетиков отрицательна (поле молекулярных токов противоположно внешнему);

- для парамагнетиков положительна (поле молекулярных токов совпадает с внешним).

Для слабомагнитных веществ зависимость линейна(см.рис.). Для ферромагнетиков эта зависимость сложная: вначале с возрастанием Н намагниченность J растет сначала быстро, затем медленнее, достигая магнитного насыщения J_нас

 

 

Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше т.Кюри ферромагнетик превращается в парамагнетик.

 

 

Природа ферромагнетизма

Описательная теория ферромагнетизма была разработана французским физиком Вейссом. Количественная теория на основе квантовой механики развита Френкелем и немецким физиком Гейзенбергом.

По теории Вейсса при температуре ниже т.Кюри ферромагнетик разбит на большое число малых областей (доменов), самопроизвольно намагниченных до насыщения. Линейные размеры доменов составляют (10^-5-10^-4)м.

В отсутствии внешнего поля магнитные моменты доменов ориентированы в пространстве так, что результирующий магнитный момент образца равен нулю.

Внешнее поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов (как у парамагнетиков), а доменов. При ослаблении внешнего поля до нуля ферромагнетики сохраняют остаточное намагничивание, т.к. тепловое движение не может быстро дезориентировать магнитные моменты доменов. В результате наблюдается явление магнитного гистерезиса (самост. рассмотреть петлю гистерезиса для ферромагнитного образца). Для того чтобы ферромагнетик размагнитить необходимо приложить коэрцитивную силу, можно также встряхнуть или нагреть ферромагнетик, т.к. это способствует разрушению доменной структуры.