Природа диамагнетизма и парамагнетизма

31. Диамагнетики и парамагнетики. Природа диамагнетизма. Зависимость парамагнитной восприимчивости от температуры. Закон Кюри.

Диамагнетизм — свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю.

Диамагнетики — вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например, инертные газы, водород, азот, NaCl и др.).

При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты. В пределах малого объема ΔV изотропного диамагнетика наведенные магнитные моменты всех атомов одинаковы и направлены противоположно вектору .

Парамагнетизм — свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля, поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля.

Парамагнетики — вещества, атомы которых имеют, в отсутствие внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент .

К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород , оксид азота NO, хлорное железо и др.

Природа диамагнетизма.

В чистом виде диамагнетизм встречается у веществ, результирующий магнитный момент которых равен нулю, т.е. магнитные моменты всех атомов скомпенсированы.

Диамагнетизм обусловлен стремлением электрических зарядов экранировать внутреннюю часть объема тела от действия внешнего магнитного поля и возникает вследствие изменения орбитального движения электронов под действием поля.

Закон Кюри — физический закон, описывает магнитную восприимчивость парамагнетиков, которая при постоянной температуре для этого вида материалов приблизительно прямо пропорциональна приложенному магнитному полю. Закон Кюри постулирует, что при изменении температуры и постоянном внешнем поле, степень намагниченности парамагнетиков обратно пропорциональна температуре:

M — получаемая намагниченность материала; B — магнитное поле, измеренное в Теслах; T — абсолютная температура в Кельвинах; C — постоянная Кюри данного материала.

Это соотношение выполняется только при высоких температурах или слабых магнитных полях. В обратном случае — то есть при низких температурах или при сильных полях — магнитная восприимчивость не подчиняется этому закону.

32. Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца.

Закон электромагнитной индукции Фарадея является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов.

Закон гласит: Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур.

Или другими словами: Генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.

Правило Ленца — правило для определения направления индукционного тока: Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.

Если ток увеличивается, то и магнитный поток увеличивается.

Если индукционный ток направлен против основного тока.

Если индукционный ток направлен в том же направлении, что и основной ток.

Индукционный ток всегда направлен так, чтобы уменьшить действие причины его вызывающей.

В обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.

Источник

Парамагнетизм и диамагнетизм

Рассмотрите природу и действие парамагнетизма и диамагнетизма: силы притягивания и отталкивания в магнитном поле, определения, примеры, магнитная сила.

Парамагнетизм – притягивание материала в магнитном поле, а диамагнетизм – отталкивание.

Задача обучения

Основные пункты

• Парамагнетики функционируют как магниты при наличии внешнего магнитного поля.
• Диамагнетики создают магнитное поле, противоположное внешнему, поэтому отталкивают магниты.
• Все материалы обладают диамагнетизмом, который слабо влияет на реакцию материала в магнитном поле.

Термины

• Ферромагнетизм – явление, когда вещества способны трансформироваться в постоянные магниты из-за влияния магнитного поля.
• Парамагнетизм – стремление магнитных диполей выровняться с внешним магнитным полем. Подобные материалы становятся временными магнитами.
• Диамагнетизм – слабая форма магнетизма, присутствующая только при наличии внешнего магнитного поля.

Парамагнетизм

Парамагнетизма — форма магнетизма, где материал будет притягиваться только, если есть внешнее магнитное поле. В парамагнитных материалах есть относительная магнитная проницаемость, больше или равная 1. Созданный магнитный момент выступает линейным и также слаб.

Атомы и молекулы обладают постоянными магнитными моментами (диполи) даже, если приложенное поле отсутствует. Обычно постоянный момент гарантируется вращением неспаренных электронов на атомных и молекулярных электронных орбиталях.

В условиях чистого парамагнетизма диполи не контактируют и ориентируются беспорядочно при термическом возбуждении, если нет внешнего поля. То есть, чистый магнитный момент приближается к нулю. Когда же магнитное поле активировано, то диполи стараются выровняться и формируют чистый магнитный момент в сторону приложенного поля.

Парамагнитные материалы обладают небольшой положительной восприимчивостью к магнитным полям. Они лишь немного притягиваются и не сохраняют приобретенных свойств, если нет внешнего поля.

Ориентация в парамагнитном материале при наличии электрического поля (справа) и его удалении (слева)

Среди парамагнитных материалов стоит вспомнить магний, молибден, литий и тантал. Однако, как только внешнее магнитное поле исчезает, парамагнетики теряют свои свойства, потому что тепловое движение рандомизирует вращательные позиции. Некоторые сохраняют вращательный беспорядок при абсолютном нуле. Поэтому и суммарная намагниченность опускается к нулю, если убрать поле.

Диамагнетизм

Диамагнетизм отмечает умение объекта формировать магнитное поле, вступающее в сопротивление к внешнему. Поэтому они не притягиваются, а отталкиваются, что приводит к таким поразительным вещам, как левитация диамагнитного материала, если его установить над мощным магнитом.

Пиролитический углерод, левитирующий над постоянным магнитом

По большей части диамагнетизм присутствует во всех материалах, и он всегда слабо влияет на реакцию материала по отношению к магнитному полю. У всех проводников заметен эффективный диамагнетизм, если магнитное поле меняется. К примеру, сила Лоренца на электронах заставит их циркулировать вокруг вихревых токов. Далее токи создадут индуцированное магнитное поле, сопротивляющееся перемещению проводника.

Источник

9. Магнитные свойства твердых тел

Термин «магнетики» применяется ко всем веществам при рассмотрении их магнитных свойств. Одной из основных характери­стик любого магнетика является намагниченность , представляю­щая собой магнитный момент единичного объема и связанная с индукцией полясоотношением

.

Здесь Гн/м – магнитная постоянная,— относительная магнитная проницаемости среды, показывающая, во сколько раз магнитная индукция поля в данной среде больше, чем магнитная индукция в вакууме,— магнитная восприимчивость, она может быть как положительной, так и отрицательной,. Если, то векторантипараллелен вектору напряженности магнитного поля. Вещества, для которых выполняется это условие, получили название диамагнетиков. При векторпараллелен вектору . Магнетики, обладающие таким свойством, называют парамагнетиками. В большинстве случаев по модулю магнитные восприимчивости парамагнетиков превышают магнитные восприимчивости диамагнетиков.

Зависимость намагниченности этих двух типов магнетиков от напряженности поля является линейной в области слабых полей и при высоких температурах (рис. 9.1). В сильных полях и при низких температурахJ(H) постепенно выходит на «насыщение». Как в диамагнетиках, так и в парамагнетиках в отсутствие магнитного поля намагниченность равна нулю.

Кроме диа- и парамагнетиков существует большая группа веществ, обладающих спонтанной намагниченностью, т.е. имеющих не равную нулю намагниченность даже в отсутствие магнитного поля. Это ферромагнетики. Для них зависимостьJ(H) является нелинейной функцией, и полный цикл перемагничения описывается петлёй гистерезиса (рис. 9.2), магнитная восприимчивость зависит от H.

Магнитную активность проявляют все тела без исключения. Следовательно, за магнитные свойства вещества ответственны элементарные частицы, входящие в состав любого атома. Такими частицами являются протоны, нейтроны и электроны. Опыт показывает, что магнитный момент ядра, состоящего из протонов и нейтронов, примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона. Поэтому при обсуждении магнитных свойств твердых тел магнитными моментами ядер обычно пренебрегают.

9.2 . Природа диамагнетизма

При классификации магнетиков мы отнесли к диамагнетикам вещества, в которых намагниченность направлена против магнит­ного поля и связана с линейной зависимостью, а величина — постоянная, не зависящая от поля. Посколькуотрицательна, индукцияв диамагнитном материале меньше, чем в ва­кууме. Всем перечисленным усло­виям удовлетворяют вещества, ато­мы и молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов. Намагниченность в них индуциру­ется внешним магнитным полем.

Физическая природа диамагне­тизма может быть понята на осно­ве классической модели атома, в ко­торой считается, что электроны дви­жутся вокруг ядра по замкнутым орбитам. Каждая электронная орбита аналогична витку с током. Согласно закону Ленца, при изменении магнит­ного потока, пронизывающего контур с током, в контуре возникает эдс индукции, в результате чего изменяется ток. Это приводит к появлению дополнительного магнитного момента, направленного так, чтобы противодействовать внешнему магнитному полю. Дру­гими словами, индуцированный магнитный момент направлен про­тив поля. В контуре, образуемом движущимся по орбите электро­ном, в отличие от обычного витка с током, сопротивление равно пулю, поэтому индуцированный магнитным полем ток сохраняется до тех пор, пока существует поле. Магнитный мо­мент, связанный с этим током, и есть диамагнитный момент.

Для вычисления диамагнитной восприимчивости рассмотрим круговую электронную орбиту радиуса r (рис.9. 3,а). Обозначим угловую скорость движения электрона. Орбитальный магнитный момент (по аналогии с витком с токомi)

. (9.1)

Здесь i — ток в контуре; S — площадь орбиты.

При наложении магнитного поля угловая ско­рость изменится на , что и приведет к появлению диамагнитно­го момента:

. (9.2)

Если мы определим , то тем самым найдем индуцированный магнитный момент.

В отсутствие магнитного поля на электрон действует направ­ленная по радиусу сила , гдеm— масса электрона. Вне­сем электронную орбиту в магнитное поле так, чтобы вектор был перпендикулярен плоскости орбиты. При этом на электрон начинает действовать сила Лоренца, также направленная по радиусу. (Здесь— линейная скорость движе­ния электрона;В — индукция поля.) Результирующая центростре­мительная сила представляет собой сумму, или. Перепишем это соотношение в виде

.

Ясно, что угловая скорость не может сильно отличаться от. Таким образом,

.

. (9.3)

Видно, что магнитное поле приводит к изменению угловой ско­рости движения электрона по орбите, пропорциональному индук­ции поля. Поскольку в выражение (9.3) не входят радиус орбиты и скорость вращения электрона, для любой орбиты одина­ковы. Если орбита наклонена к полю (рис.9.3,б), т. е. угол меж­ду вектороми плоскостью орбиты не равен 90°, то под дей­ствием поля орбита прецессирует. Нормаль к плоскости орбиты описывает конус относительно направленияс частотой. Ве­личинаполучила название частоты Лармора.

Из рис.9. 3,б видно, что в результате прецессии орбиты элек­трон совершает дополнительное круговое движение вокруг направ­ления поля. Это и приводит к возникновению магнитного момен­та, который легко вычислить, комбинируя (9.2) и (9.3):

.

Магнитный момент многоэлектронного атома складывает­ся из моментов отдельных электронов. Если в атоме име­ется z электронов, то

Здесь а 2 > — средний квадрат расстояния электронов от оси, про­ходящей через ядро параллельно полю. Для сферически симмет­ричного атома а 2 >= 2 /зr 2 >. Поэтому

Если в единичном объеме вещества содержится N атомов, то намагниченность

и диамагнитная восприимчивость (для единичного объема)

. (9.4)

Из (9.4) следует, что диамагнитная восприимчивость не зави­сит от температуры и возрастает пропорционально порядковому номеру элемента. Это хорошо согласуется с экспериментом. По­лагая , см, получим.

Поскольку диамагнетизм связан с орбитальным движением электронов в атомах, он присущ всем телам без исключения, т. е. является универсальным магнитным свойством. В любых вещест­вах независимо от их агрегатного состояния или структуры диа­магнетизм присутствует. Однако часто он перекрывается более сильными магнитными эффектами — парамагнетизмом или ферро­магнетизмом.

Источник