ТОР 5 статей: Методические подходы к анализу финансового состояния предприятия Проблема периодизации русской литературы ХХ века. Краткая характеристика второй половины ХХ века Характеристика шлифовальных кругов и ее маркировка Служебные части речи. Предлог. Союз. Частицы КАТЕГОРИИ:
|
Магнитный момент атома. Намагниченность веществаЛекция 9. Магнитные свойства Вещества План лекции 9.1. Магнитный момент атома. Намагниченность вещества. 9.2. Магнитное поле в веществе. Напряжённость магнитного поля. 9.3. Виды магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики. 9.4. Свойства ферромагнетиков. Элементы теории ферромагнетизма. Применение ферромагнетиков.
Магнитный момент атома. Намагниченность вещества Магнитное поле, создаваемое токами проводимости (макротоками) в среде, отличается от магнитного поля в вакууме. Это изменение связано со взаимодействием магнитного поля с веществом, в результате которого вещество намагничивается и приобретает магнитный момент. Причиной намагничивания является существование молекулярных токов. Ещё в 1820 году Ампер высказал гипотезу о существовании элементарных круговых токов в веществе. Природа элементарных токов стала понятна и гипотеза подтвердилась, когда было установлено, что атом состоит из ядра и движущихся вокруг электронов по модели атома Резерфорда.[1] В классической физике электрон (е), обращающийся вокруг ядра по орбите в радиуса r, с частотой ν, эквивалентен круговому току J и обладает орбитальным магнитным моментом , где - сила тока, - площадь орбиты, - единичная нормаль к плоскости орбиты. Также движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса , называемым орбитальным, величина которого равна Вектора и направлены противоположно и их отношение, равное , называется гиромагнитным отношением. В 1915 году Эйнштейн[2] и де Гааз[3] установили, что экспериментальное значение гиромагнитного отношения в два раза больше и равно . Для объяснения полученного результата они предположили, что помимо орбитальных моментов, электрон обладает собственным механическим моментом импульса , названным спином, и собственным, спиновым магнитным моментом . Их отношение и равно . Это предположение впоследствии подтвердилось. Таким образом, электрон в атоме обладает орбитальным магнитным моментом и спиновым магнитным моментом . Зная число электронов в атоме, их расположение и взаимодействие, можно определить магнитный момент атома. В простейшем случае вычисляют в виде векторной суммы орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов атома: (Магнитным моментом ядра атома пренебрегают, ввиду его малости). Благодаря магнитным моментам атомов любое вещество обладает магнитными свойствами и является магнетиком. Под действием магнитного поля магнетик намагничивается. Намагничивание вещества характеризует вектор , называемый намагниченностью вещества, и равный магнитному моменту единицы объёма магнетика: , где V – физически малый объём. Намагниченность характеризует магнитное состояние вещества. В системе СИ намагниченность измеряется в [ I ]=1 А/м.
9.2. Магнитное поле в веществе. Напряжённость магнитного поля Магнитное поле в веществе складывается из внешнего магнитного поля , созданного макротоками проводимости (магнитного поля, созданного макротоками в вакууме) и магнитного поля , возникающего благодаря намагничиванию вещества (за счет магнитных моментов атомов) и равно . Введем вспомогательную характеристику магнитного поля, которая определяется только макротоками и не зависит от микротоков вещества. Эту величину называют напряженностью магнитного поля и можно показать, что она равна Преобразовав эту формулу, получим выражение полной магнитной индукции в веществе: . (9.1) В изотропных средах и слабых полях намагниченность пропорциональна напряженности , , где коэффициентом пропорциональности является безразмерная величина - магнитная восприимчивость вещества. После подстановки в (9.1), получим: , (9.2) где - магнитная проницаемость вещества. В изотропных, однородных средах, где вектора и параллельны, магнитная проницаемость показывает, во сколько раз изменяется магнитная индукция в магнетике по сравнению с магнитной индукцией в вакууме. Теорема Остроградского1-Гаусса2 для магнитной индукции магнетика запишется: . (9.3)
Поток вектора через любую замкнутую поверхность S равен нулю. Закон полного тока для магнитного поля в веществе имеет вид: , где J и - алгебраические суммы сил макротоков J и макротоков . Можно показать, что , тогда . Величина, стоящая в скобках , равна напряженности магнитного поля и: . (9.4) Циркуляция вектора напряжённости по замкнутому контуру равна алгебраической сумме сил токов проводимости J (макротоков), охватываемых этим контуром. Закон Био–Савара–Лапласа для магнитного поля в веществе имеет вид:
.
9.3. Виды магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики Все вещества обладают магнитными свойствами и являются магнетиками. Универсальность магнетизма объясняется существованием магнитных моментов у элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов), из которых состоят атомы веществ. По магнитным свойствам магнетики разделяют на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. К диамагнетикам относятся: органические соединения, элементы Cu, Bi, Sb, Ag, Au, Pb, I, C, Si, Zn, S, Н2О, СO2, инертные газы. Редкоземельные элементы, щелочные металлы, воздух, кислород, Cr, Mn, Sn, Pt, переходные элементы 8 группы являются парамагнетиками. Ферромагнетики – Fe, Ni, Co, Gd, и при низких температурах – Ду, Er, Ho, Tm и их сплавы.
1 Остроградский М.В. (1801-1862), русский физик 2 Гаусс К.Ф. (1777-1855), немецкий физик
. В диамагнетиках магнитная восприимчивость отрицательна и незначительно меньше нуля ( <0), проницаемость меньше единицы ( <1). В парамагнетиках >0, >1 (также незначительно). Поэтому диамагнетики и парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам. В ферромагнетиках магнитная восприимчивость и проницаемость достигают больших величин ( >>0, >>1). Их намагниченность превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков до 1010 числа раз. Они являются наиболее сильномагнитными веществами. Теория диамагнетизма и парамагнетизма была создана П. Ланжевеном1. В диамагнетиках магнитный момент атома равен нулю (). Под действием внешнего магнитного поля напряжённостью в диамагнетиках возникает прецессия (равномерное вращение) электронных орбит атома вокруг поля , которая создаёт дополнительный магнитный момент, направленный против поля . Поэтому результирующее магнитное поле в диамагнетиках будет в раз меньше, чем в вакууме. Диамагнитный эффект присущ всем атомам, а следовательно и магнетикам, но пренебрежимо мал в пара- и ферромагнетиках. Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры Т и магнитного поля Н. Намагниченность I диамагнетиков линейно зависит от поля Н. В пара- и ферромагнетиках магнитный момент атома не равен нулю (). Под действием поля магнитные моменты атомов парамагнетика ориентируются вдоль направления поля , увеличивая величину магнитного поля парамагнетика в раз по сравнению с полем в вакууме. Магнитная восприимчивость парамагнетиков зависит от температуры Т. По закону Кюри2 обратно пропорциональна Т и равна: , где С – постоянная величина. Величина намагниченности I парамагнетиков линейно возрастает с ростом поля Н.
Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском:
|