Машиностроение и механика

Диамагнетики

Диамагнетиками называют вещества, в которых имеет место полная взаимная компенсация как орбитальных, так и спиновых магнитных моментов.

Физическая природа диамагнетизма основана на классическом представлении об атоме как системе электронов, движущихся вокруг ядра по определенным замкнутым траекториям-орбитам с некоторой угловой скоростью.

Если на атом накладывается медленно меняющееся магнитное поле, то эта угловая скорость меняется, а радиус орбиты остается неизменным. Изменение угловой скорости приводит к возникновению магнитного момента величиной

, (1.7)

где e – заряд электрона; m – его масса, r – радиус электронной орбиты, – напряженность магнитного поля, приложенного перпендикулярно к плоскости орбиты. Атомная магнитная восприимчивость k, рассчитанная по(1.6), (1.7), имеет порядок k – (10^-6 - 10^-5), т.е. соответствует величине, измеряемой экспериментально для диамагнитных твердых тел, и не зависит от температуры. Магнитная проницаемость диамагнетиков m _ 0,99999 и не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

Изменение угловой скорости электрона, связанное с наложением магнитного поля, всегда обусловливает отрицательную восприимчивость. Атом с циркулирующим в нем электроном ведет себя подобно индуктивности, в которой в соответствии с правилом Ленца возникла э.д.с. противоположного знака. Таким образом, во всем объеме твердого тела возникают индуцированные внешним магнитным полем незатухающие микроскопические вихревые токи, обусловленные прецессией электронных орбит. Направление индуцированных магнитных моментов всегда противоположно направлению внешнего магнитного поля, поэтому диамагнетики отличаются тем, что выталкиваются из неоднородного магнитного поля. Диамагнетизм является результатом прецессии всех электронов атомов и молекул, поэтому присущ всем веществам, но проявляется только в том случае, если не перекрывается более сильными пара- и ферромагнетизмом.

Одной из причин преобладающего диамагнетизма ряда металлов являются большое число электронных орбит в атомах и большие радиусы этих орбит.

К диамагнитным веществам относятся водород, инертные газы, азот, хлор, вода, большинство органических соединений, ряд металлов: Cu, Ag, Au, Be, Zn, Cd, Mg, Pb, B, Ga, Sb, а также графит, стекло и др..

Диамагнетизм не имеет простого практического применения. К числу наиболее интересных диамагнетиков относятся сверхпроводники. Они обладают бесконечно большой диамагнитной восприимчивостью – свойством, которое чрезвычайно полезно при конструировании сверхпроводящих магнитов.

Парамагнетиками называются вещества, в которых взаимодействие между постоянными магнитными моментами атомов – элементарными магнитными диполями – мало, в результате чего при обычных температурах под действием теплового движения молекул магнитные моменты атомов располагаются статистически равновероятно относительно любого направления и суммарный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля создается преимущественное направление расположения элементарных магнитных моментов, т.е. тело оказывается намагниченным, однако при обычных полях и температурах намагниченность парамагнетиков очень мала. Магнитная восприимчивость их положительна и имеет значение k ~ 10^-5 - 10^-2, относительная магнитная проницаемость m _ 1,001.

Проявлением парамагнетизма является независимая ориентация магнитных моментов атомов и ионов под действием внешнего магнитного поля. Так как моменты ориентируются в направлении поля и тем самым увеличивают его, восприимчивость k больше нуля.

Парамагнетизм характеризуется двумя независимыми факторами. Один из них – температурная зависимость суммарной намагниченности всего образца, другой – природа самих магнитных моментов атомов.

Для парамагнитных газов и редкоземельных элементов температурная зависимость магнитной восприимчивости характеризуется законом Кюри, установленным экспериментально в 1895 г.:

k = С/Т, (1.8)

где С – постоянная Кюри, Т – температура, К.

Для переходных парамагнитных металлов, у которых взаимодействием между элементарными носителями магнетизма (молекулярным полем) пренебречь нельзя, справедлив более общий закон Кюри–Вейсса:

k = С/(Т - D), (1.9)

где D – постоянная Вейсса, различная для разных веществ (может быть и больше, и меньше нуля).

На рис. 1.4,а показана зависимость намагниченности М(Н) для диа- и парамагнетиков при слабых полях и при обычных или высоких температурах. В обоих случаях значение М пропорционально Н, что свидетельствует о независимости k от Н. Для намагничивания парамагнетиков до насыщения (рис. 1.4,б), т.е. до состояния, когда все элементарные магнитные моменты будут параллельны внешнему полю, требуется при комнатной температуре поле напряженностью примерно 10¹¹ А/м, а при Т = 1 К – 3'10⁵ А/м. Однако в последние годы выяснилось, что в парамагнетиках можно создать высокую намагниченность, не прибегая к сильным магнитным полям, а используя поток квантов света (оптическую накачку).

С повышением температуры при неизменной напряженности поля возрастает дезориентирующая роль теплового движения молекул и поэтому намагниченность убывает. Парамагнетики отличаются тем, что они втягиваются в неоднородное магнитное поле.

Поскольку все заполненные оболочки имеют нулевой полный момент количества движения, они обладают также нулевым полным магнитным моментом. В частности, атомы или ионы, обладающие только заполненными оболочками, не имеют постоянных магнитных моментов и, следовательно, не могут быть парамагнитными. Никаких исключений из этого правила не обнаружено. Инертные газы He, Ar, Kr и т.д. и такие ионы, как Na⁺ и Сl^-, диамагнитны. Диамагнитны также и многие газы, такие как Н₂ и др., поскольку все электроны в их молекулах спарены. Свободные атомы других веществ обнаруживают парамагнетизм, если у них имеются неспаренные спины или нескомпенсированный момент количества движения.

Рис. 1.4. Зависимость намагниченности М от напряженности магнитного поля Н: а – для диамагнетиков (1) и парамагнетиков (2); б – для парамагнетиков при низких температурах или очень сильных полях

К парамагнетикам относятся кислород, окись азота, соли железа, кобальта и никеля, щелочные металлы, а также Mg, Ca, Al, Cr, Mo, Mn, Pt, Pb и др.

Парамагнетизм в атомах или ионах не существует в одиночку: одновременно с ним всегда имеют место и диамагнитные свойства. Поскольку оба эти эффекта противоположны друг другу по знаку, суммарные магнитные свойства материала определяются наибольшим из них. У большинства материалов величина парамагнитной восприимчивости значительно больше диамагнитной, т.е. парамагнетизм обычно преобладает над диамагнетизмом.

Парамагнитные вещества используются в качестве рабочих тел в квантовых парамагнитных усилителях и генераторах.