2.9. Диа- и парамагнетики

Еще Фарадей установил, что все вещества, будучи помещенными во внешнее магнитное поле, намагничиваются. По степени намагничивания их делят на две группы - слабые и сильные магнетики. К слабым магнетикам относятся диамагнетики и парамагнетики.

Диамагнетики - это вещества, у которых магнитные моменты ядер и электронов в атомах скомпенсированы и полный магнитный момент каждого атома равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля у атомов диамагнетиков индуцируется магнитный момент , который пропорционален величине внешнего поля и противоположен по направлению вектору . Таким образом, диамагнетик во внешнем поле намагничивается, но его магнитная восприимчивость отрицательна, а магнитная проницаемость меньше единицы. По порядку величины магнитная восприимчивость диамагнитных газов лежит в области |10-9÷10-8|, а у жидких и твердых диамагнетиков |10-6÷10-5|. На диамагнетик со стороны внешнего магнитного поля действует сила, которая выталкивает диамагнетик в область более слабого поля.

Рассмотрим поведение висмутового стержня во внешнем неоднородном магнитном поле.


a)


б)


в)
Рис. 2.6

Возьмем стержень из диамагнитного вещества и подвесим его между полюсами электромагнита, как показано рис. 2.6а. Кружки в стержне - это атомы диамагнетика с нулевым магнитным моментом. Подадим питание на катушки электромагнита. Между наконечниками возникнет неоднородное магнитное поле , и диамагнетик намагнитится. Индуцированные магнитные моменты атомов (они показаны стрелками) будут ориентированы против магнитного поля (рис. 2.6б). Но на суммарный магнитный момент диамагнетика во внешнем неоднородном поле действует сила:

,

где .

Несимметричности внешнего поля, ориентации и формы диамагнетика приведут к тому, что силы и будут отличаться друг от друга численно и не будут лежать на одной прямой. Вследствие этого диамагнетик начнет поворачиваться вокруг оси подвеса и перемещаться в поле . Движение стержня будет продолжаться до тех пор, пока силы и не уравновесят друг друга (рис. 2.6в).

Отметим лишний раз, что при любом положении диамагнетика индуцированные магнитные моменты его атомов всегда ориентированы против .

Парамагнетики - это вещества, атомы которых имеют ненулевые магнитные моменты . Но в обычном состоянии эти магнитные моменты ориентированы хаотично и полный магнитный момент парамагнитного тела равен нулю, т.е. парамагнетик не намагничен. При помещении парамагнетика во внешнее магнитное поле магнитные моменты его атомов ориентируются по полю, т.е. , и парамагнетик намагничивается. Магнитная восприимчивость парамагнетика , а магнитная проницаемость μn>1. По порядку величины восприимчивость парамагнитных газов лежит в области (10-7÷10-6), а у жидких и твердых парамагнетиков (10-6÷10-4). Со стороны внешнего магнитного поля на парамагнетик действует сила, которая втягивает парамагнетик в область более сильного поля.

Рассмотрим поведение парамагнитного стержня, подвешенного на нити в неоднородном внешнем магнитном поле .


a)


б)


в)
Рис. 2.7

Возьмем стержень из парамагнетика и подвесим его между полюсами электромагнита, как показано на рисунке 2.7а. Кружки со стрелочками внутри стержня - это атомы парамагнетика с хаотически ориентированными магнитными моментами . При подаче питания на катушки электромагнита между его наконечниками возникает неоднородное магнитное поле . Под действием поля магнитные моменты атомов ориентируются так, что и парамагнетик намагничивается (рис. 2.7б), но на суммарный магнитный момент парамагнетика со стороны внешнего магнитного поля действует сила .

Несимметричности внешнего поля, ориентации подвеса и формы тела приведут к тому, что силы и будут отличаться друг от друга численно и по направлению. Вследствие этого парамагнетик начнет поворачиваться вокруг оси подвеса и перемещаться в поле . Вращение стержня будет происходить до тех пор, пока силы и не будут находиться на одной прямой (рис. 2.7в). Но т.к. , то парамагнетик под действием большей из них силы притянется к наконечнику электромагнита.

Диа- и парамагнетики называются слабыми магнетиками, т.к. их магнитные восприимчивости имеют значения |10-9÷10-4| , и при комнатных температурах упорядоченное направление после намагничивания парамагнетика достаточно легко разрушается тепловым хаотическим движением атомов, т.е. парамагнетик размагничивается. Другими словами, магнитная проницаемость μ у слабых магнетиков мало отличается от единицы.