3.6. Магнитные свойства твердых тел

3.6.1. Основные определения. Классификация веществ по магнитным свойствам

Любое тело, помещенное во внешнее магнитное поле H , намагничивается, т. е. приобретает собственный магнитный момент, равный сумме проекций на направление H магнитных моментов атомов этого тела. Суммарный магнитный момент единицы объема тела называется интенсивностью намагничивания или намагничен-

где p i – магнитный момент i -го атома. В изотропных телах

вектор, параллельный или антипараллельный вектору H . Величи-

на намагниченности пропорциональна внешнему полю:

Безразмерный коэффициент пропорциональности χ называется

объемной магнитной восприимчивостью. В изотропных телах маг-

нитная восприимчивость является скалярной величиной, а в анизотропных – тензорной. Поэтому в анизотропных средах направление

вектора намагниченности может не совпадать по направлению с направлением внешнего поля. Магнитная восприимчивость едини-

цы массы называется удельной восприимчивостью χ г :

а отнесенная к грамм-атому – атомной восприимчивостью χ а :

χ а = χ г · A = χ · A /ρ ,

где А – атомная масса; ρ – плотность вещества.

Намагниченность I выражает интенсивность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами атомов; она складывается векторно с индукцией внешнего магнитного поля B 0 = μ 0 H и оп-

ределяет индукцию поля B внутри тела:

Для изотропных тел векторную сумму можно заменить алгебраической:

Здесь μ 0 = 4π ·10 -7 Гн/м – магнитная проницаемость вакуума.

В системе СИ намагниченность I и напряженность поля H изме-

ряют в А/м, а индукцию В – в Теслах (1 Тл =1 В·с/м 2 ).

Выражение (3.136) можно преобразовать:

B = μ 0 H + μ 0 χ H = (1+ χ ) μ 0 H = μ 0 μ H.

В этом выражении μ = 1 + χ – относительная магнитная проницаемость вещества.

Магнитная восприимчивость устанавливает связь между внешним магнитным полем и магнитным полем, создаваемым атомами тела. Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной, так как вектор I либо параллелен, либо антипараллелен вектору H .

Все вещества по их магнетизму можно разбить на два больших класса: магнитно-неупорядоченные и магнитно-упорядоченные . К

первому классу относятся диамагнетики и парамагнетики . Ко вто-

рому – ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики .

Элементарные магнитные моменты магнетиков первого класса хаотично расположены в пространстве, в магнетиках второго класса моменты расположены упорядоченно.

В магнитно-упорядоченных твердых телах локализованные в узлах решетки элементарные магнитные моменты располагаются упорядоченно за счет обменного взаимодействия между электронами, носящего электростатический характер.

Если локальные моменты имеют одинаковую величину и одно и то же направление, то мы имеем дело с явлением ферромагнетизма. В антиферромагнетиках равные по величине моменты направлены противоположно и компенсируют друг друга. В ферримагнетиках параллельные противоположно направленные моменты имеют разную величину. Поскольку в них соседние магнитные моменты не компенсируют друг друга, то ферримагнетики так же, как и ферромагнетики, являются спонтанно намагниченными , т.е. обладают макроскопической объемной намагниченностью даже в отсутствии внешнего магнитного поля.

Магнитная восприимчивость диа- и парамагнетиков очень мала (порядка 10 -5 ÷ 10 -7 ) и является величиной постоянной в обычных условиях, не зависящей от величины приложенного поля. Для парамагнитных веществ χ является величиной положительной , а для диамагнитных – отрицательной . В большинстве случаев абсолютные значения магнитной восприимчивости парамагнетиков выше, чем диамагнетиков. При помещении в неоднородное магнитное поле диамагнетик выталкивается, а парамагнетик втягивается в область высокой напряженности поля (вследствие антипараллельности векторов I и H в первом случае и их параллельности во втором). На этом принципе основана методика определения величины магнитной восприимчивости этих магнетиков.

Магнитная восприимчивость магнитно упорядоченных магнетиков (ферро- и ферримагнетиков) может достигать величины порядка 10 5 . При достижении некоторой критической температуры магнитный порядок в магнитно упорядоченных магнетиках исчезает (температуры Кюри в ферро- и ферримагнетиках, Нееля – в антиферромагнетиках). В отличие от магнитно-неупорядоченных магнетиков магнитная восприимчивость упорядоченных магнетиков зависит от величины приложенного поля.

В соответствии с вышесказанным диа- и парамагнитные вещества принято называть слабомагнитными, а ферро- и ферримагнитные – сильномагнитными.

3.6.2. Магнитные свойства свободных атомов

Как было сказано выше, любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, намагничивается. Объяснение физической сущности этого явления основано на представлении об атомном строении вещества и электронно-ядерном строении атомов.

Рассмотрим вначале магнитные свойства свободных, изолированных друг от друга атомов. Такой случай реализуется, например, в идеальных газах. Известно, что атомы имеют электронно-ядерное строение: в центре атомов расположено положительно заряженное ядро из нейтронов и протонов, а вокруг ядра (согласно квазиклассической планетарной модели) по замкнутым орбитам движутся электроны. Вращающийся по орбите электрон эквивалентен замкнутому контуру с током, имеющему магнитный момент M , равный произведению силы тока i на площадь контура s :

Ток i , создаваемый электроном с зарядом е , движущимся по круговой орбите радиусом r с частотой v , равен i = ev = e ω 0 /2π. Тогда орбитальный магнитный момент электрона массой m равен