on-line
Сейчас на сайте 0 пользователей и 28 гостей.
Вход в систему
Яндекс.Метрика

49.5 Парамагнетики.

Парамагнетики − вещества, молекулы, которых обладают собственным магнитным моментом. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются по направлению внешнего поля, что приводит к усилению последнего.
 В отсутствии магнитного поля магнитные моменты атомов и молекул вследствие теплового движения ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 478).


рис. 478

 При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы магнитный момент был ориентирован параллельно полю. Поведение контура с током в магнитном поле мы рассматривали ранее, при определении вектора индукции поля. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается, то есть приобретает магнитный момент.
 Таким образом, магнитное поле, создаваемое индуцированным магнитным моментом направлено так же, как и внешнее поле. То есть, парамагнетики усиливают внешнее поле. Позже мы покажем, что указанное намагничивание приводит к тому, что парамагнетики втягиваются в область более сильного магнитного поля.
 Во всех веществах помимо ориентации молекул в магнитном поле, индуцируется магнитный момент, направленный противоположно внешнему полю, то есть присутствует диамагнитный эффект. Однако, намагниченность, возникающая благодаря ориентации, значительно превышает диамагнитный эффект.
 Строго говоря, поведение молекул, обладающих собственным магнитным моментом, в магнитном поле значительно сложнее, описанного выше. Дело в том, что такие атомы и молекулы в свободном состоянии обладают и собственным моментом импульса (механическим моментом) L. Поэтому их поведение подобно поведению вращающегося волчка (для тех, кто не забыл детство − юлы). Если на волчок действует момент внешних сил, то его ось начинает описывать конус, то есть прецессировать вокруг вектора индукции поля (рис. 479).

рис. 479

 Поэтому оси прецессии всех молекул совпадают. Именно такое движение молекул приводит к возникновению намагничивания вещества. Заметим, что прецессия молекул в магнитном поле называется прецессией Лармора, в честь французского ученого, впервые описавшего это явление.
 Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная восприимчивость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная восприимчивость парамагнетиков уменьшается.
 В не слишком сильных магнитных полях доля ориентированных молекул, а, следовательно, и намагниченность вещества J приблизительно пропорциональная индукции поля B, то есть формула (6) выполняется. Если же индукция магнитного поля велика настолько, что практически все молекулы сориентированы, то дальнейшее увеличение индукции поля не приводит к возрастанию намагниченности − появляется эффект насыщения. В такой ситуации магнитная восприимчивость является функцией от индукции поля и уменьшается при возрастании индукции внешнего поля.
Описанный механизм намагничивания присущ ряду газов (например, кислород, азот), растворам некоторых солей (в которых парамагнетизм обусловлен наличием собственных магнитных моментов у ионов металлов, например, хром Cr3+, медь Cu2+, неодим Nd3+).
 Несколько иной механизм намагничивания реализуется во многих металлах (например, литий, натрий, магний, алюминий и др.). Большинство физических свойств металлов (таких как высокие теплопроводность и электропроводность, характерный металлический блеск) обусловлено наличием в кристаллах значительного числа свободных электронов. Как уже было отмечено, каждый электрон обладает собственным механическим моментом (который также называется спин) и связанным с ним собственным магнитным моментом. Парамагнетизм этих веществ объясняется ориентацией свободных электронов в магнитном поле. Характерные значения магнитной восприимчивости (положительной!) для металлов равны χ ≈ 10−5 − 10−4.
 Важно подчеркнуть, что магнитные свойства веществ в твердом состоянии зависят не только от их химического состава, но и от структуры кристаллической решетки. Ярким примером, подтверждающим это утверждение, является олово. Известны две модификации этого металла в твердом состоянии: белое олово является парамагнетиком, а серое − диамагнетиком.
 Электрическим аналогом парамагнетиков являются полярные диэлектрики − вещества, молекулы которых обладают собственным дипольным электрическим моментом. Поляризация этих веществ обусловлена ориентацией молекул в электрическом поле. Однако, и в этом случае не обошлось без принципиальных различий: полярные диэлектрики ослабляют внешнее электрическое поле, а парамагнетики − усиливают внешнее магнитное поле.