T. Магнітні св. речовини - PhysBook
Магнітні властивості речовини. магнітна проникність
Численні досліди свідчать про те, що всі речовини, вміщені в магнітне поле, намагнічуються і створюють власне магнітне поле, дія якого складається з дією зовнішнього магнітного поля:
\ (~ \ Vec B = \ vec B_0 + \ vec B_1, \)
де \ (~ \ vec B \) - магнітна індукція поля в речовині; \ (~ \ Vec B_0 \) - магнітна індукція поля в вакуумі, \ (~ \ vec B_1 \) - магнітна індукція поля, що виник завдяки намагничиванию речовини. При цьому речовина може або посилювати, або послаблювати магнітне поле. Вплив речовини на зовнішнє магнітне поле характеризується величиною μ, яка називається магнітною проникністю речовини
\ (~ \ Mu = \ frac B {B_0}. \)
Магнітна проникність - це фізична скалярна величина, що показує, у скільки разів індукція магнітного поля в даній речовині відрізняється від індукції магнітного поля в вакуумі.
Речовини, що ослабляють зовнішнє магнітне поле, називають діамагнетиками (вісмут, азот, гелій, вуглекислота, вода, срібло, золото, цинк, кадмій і ін.).
Речовини, що підсилюють зовнішнє магнітне поле, - парамагнетики (алюміній, кисень, платина, мідь, кальцій, хром, марганець, солі кобальту і ін.).
Для діамагнетіков μ <1, для парамагнетиків μ> 1. Але в тому і в іншому випадку відміну μ від 1 невелика (кілька десятитисячних або стотисячних часткою одиниці). Так, наприклад, у вісмуту μ = 0,9998 = 1,000.
Деякі речовини (залізо, кобальт, нікель, гадоліній і різні сплави) викликають дуже велике посилення зовнішнього поля. Їх називають феромагнетиками. Для них μ ≈ 103 -105.
Вперше пояснення причин, внаслідок яких тіла намагнічені, дав Ампер. Згідно з його гіпотезою, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми, які і визначають магнітні властивості будь-якої речовини.
В даний час встановлено, що всі атоми і елементарні частинки дійсно намагнічені. Магнітні властивості атомів в основному визначаються входять до їх складу електронами.
Згідно Напівкласична моделі атома, запропонованої Е. Резерфордом і Н. Бором, електрони в атомах рухаються навколо ядра по замкнутих орбітах (в першому наближенні можна вважати, що по кругових). Рух електрона можна представити як елементарний круговий струм \ (~ i = e \ cdot v \), де е - заряд електрона, ν - частота обертання електрона по орбіті. Цей струм утворює магнітне поле, яке характеризується магнітним моментом, модуль його визначається формулою \ (~ p_m = iS = evS \), де S - площа орбіти.
Магнітний момент електрона, обумовлений рухом навколо ядра, називають орбітальним магнітним моментом. Орбітальний магнітний момент - це векторна величина, і напрямок \ (~ \ vec p_m \) визначається за правилом правого гвинта. Якщо електрон рухається по ходу годинникової стрілки (рис. 1), то струми спрямовані проти годинникової стрілки (у напрямку руху позитивного заряду), і вектор \ (~ \ vec p_m \) перпендикулярний до площини орбіти.
Мал. 1
Так як в атомі площини орбіт різних електронів не співпадають, то їх магнітні моменти спрямовані під різними кутами один до одного. Результуючий орбітальний магнітний момент багатоелектронного атома дорівнює векторній сумі орбітальних магнітних моментів окремих електронів.
Нескомпенсованого орбітальним магнітним моментом мають атоми з частково заповненими електронними оболонками. В атомах з заповненими електронними оболонками він дорівнює 0.
Крім орбітального магнітного моменту, електрон має ще власним (спінові) магнітним моментом \ (~ \ vec p_ {ms} \), що вперше встановили О. Штерн та В. Герлах в 1922 р Існування магнітного поля у електрона було пояснено його обертанням навколо власної осі, хоча і не слід буквально уподібнювати електрон обертається зарядженого кульці (вовчка).
Достовірно встановлено, що магнітне поле електрона є таким же невід'ємним властивістю, як його маса і заряд. Електрон, в дуже грубому наближенні, можна уявити як дуже маленьку кульку, оточений електричним і магнітним полями (рис. 2). Магнітні поля у всіх електронів однакові, як однакові їх маси і заряди. Спіновий магнітний момент \ (~ \ vec p_ {ms} \) - вектор, спрямований уздовж осі обертання. Він може орієнтуватися тільки двома способами: або за ..., або проти ... Якщо в тому місці, де знаходиться електрон, є зовнішнє магнітне поле, то або по полю, або проти поля. Як показано в квантовій фізиці, в однаковому енергетичному стані можуть перебувати тільки два електрона, спінові магнітні моменти яких протилежні (принцип Паулі).
Мал. 2
У багатоелектронних атомів спінові магнітні моменти окремих електронів, як і орбітальні моменти, складаються як вектори. При цьому результуючий спіновий магнітний момент атома у атомів із заповненими електронними оболонками дорівнює 0.
Загальний магнітний момент атома (молекули) \ (~ \ vec p_a \) дорівнює векторній сумі магнітних моментів (орбітальних і спінових) входять в атом (молекулу) електронів:
\ (~ \ Vec p_a = \ sum \ vec p_m + \ sum \ vec p_ {ms}. \)
Діамагнетик складаються з атомів, які за відсутності зовнішнього магнітного поля не мають власних магнітних моментів, так як у них компенсовані всі спінові і все орбітальні магнітні моменти.
Зовнішнє магнітне поле не діє на весь атом діамагнетиком, але діє на окремі електрони атома, магнітні моменти яких відмінні від нуля. Нехай в даний момент швидкість \ (~ \ vec v \) електрона складає деякий кут α (рис. 3) з магнітною індукцією \ (~ \ vec B_0 \) зовнішнього поля.
Мал. 3
Завдяки складової \ (~ \ vec v _ {\ perp} \) на електрон буде діяти сила Лоренца \ (~ F_L \) (спрямована до нас на рис. 3), яка викличе додаткове (крім інших рухів, в яких бере участь електрон при відсутності поля) рух по колу. Але цей рух є додатковий круговий струм, який створить магнітне поле, що характеризується магнітним моментом \ (~ \ vec p_m \) (наведеним), спрямованим за правилом правого гвинта назустріч \ (~ \ vec B_0 \). В результаті Діамагнетик послаблюють зовнішнє магнітне поле.
Парамагнетики складаються з атомів, у яких результуючий магнітний момент атома \ (~ \ vec p_a \ not = 0 \). Під час відсутності зовнішнього поля ці моменти орієнтовані хаотично і речовина в цілому не створює навколо себе магнітного поля. При приміщенні парамагнетиков в магнітне поле відбувається переважна орієнтація векторів \ (~ \ vec p_a \) по полю (цьому перешкоджає тепловий рух частинок). Таким чином, парамагнетик намагнічується, створюючи власне магнітне поле, що збігається по напрямку з зовнішнім полем і підсилює його. Цей ефект називається парамагнітним. При ослабленні зовнішнього магнітного поля до нуля орієнтація магнітних моментів внаслідок теплового руху порушується і парамагнетик розмагнічується. У парамагнетиках спостерігається і діамагнітний ефект, але він значно слабкіше парамагнитного.
література
Аксеновіч Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Учеб. посібник для установ, що забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксеновіч, Н.Н.Ракіна, К. С. Фаріно; Під ред. К. С. Фаріно. - Мн .: Адукация i вихаванне, 2004. - C.330- 332.