Numai acele substanțe al căror moment diamagnetic de atomi (molecule) în absența unui câmp extern este egal cu zero aparțin diamagneților. Să analizăm comportamentul unei orbite electronice într-un câmp magnetic. Electronul care se deplasează de-a lungul orbitei este ca un vârf - este comportamentul unui giroscop sub influența unei forțe externe. Cuplul forței acționează pe orbita electronului ca circuit închis cu curent (figura 6.2) (a se vedea punctul 3.22) :.
Direcția vectorului poate fi definită ca direcția mișcării de translație a șurubului drept în timp ce acesta se rotește din direcția primului factor din produsul vectorial () către al doilea (). Modulul moment este puternic.
Conform legii de bază a mișcării de rotație (vezi secțiunea "Mecanica"). Sub acțiunea momentului forței M în timpul timpului dt, impulsul angular al electronului se modifică cu o valoare. Deoarece vectorul este direcționat în același mod ca și. și anume perpendicular. apoi după un timp dt, impulsul angular se modifică numai în direcție. Poziția nouă a axei orbitei electronice este prezentată în Fig. 6.2 linia întreruptă. Planul în care se află axa orbită și vectorii. în timp dt se va întoarce în unghi. Astfel, cu trecerea timpului, capetele vectorilor și vor descrie cercurile (prezentate în linii punctate în figura 6.2) cu viteză unghiulară
. Luând în considerare (6.1), avem :. (6.2)
Acest fenomen este numit precesiunea Larmor. iar frecvența (6.2) este frecvența Larmor.
Deoarece axa orbitei electronice se rotește într-o direcție opusă vitezei electronului ca rezultat al precesiunii, aceasta este echivalentă cu mișcarea electronului în direcția opusă la o viteză u '(Figura 6.3). Datorită acestei mișcări, apare un moment magnetic indus. opuse câmpului extern.
Cu cât este mai mare inducția magnetică a câmpului, cu atât este mai mare frecvența de precesie și cu atât este mai mare momentul indus. În consecință, magnetizarea (în valoare absolută) este proporțională cu inducția magnetică în conformitate cu (5.15).
În interiorul atomului, nu există motive pentru care precesiunea ar putea să se estompeze, astfel încât momentele induse există tot timpul cât există câmpul. Mișcarea termică și coliziunile atomilor nu afectează semnificativ precesiunea. Prin urmare, susceptibilitatea magnetică a diamagneticii nu depinde de temperatură.
Precesiunea încetează atunci când câmpul dispare. Apoi momentele induse dispar.
6.3. Explicarea paramagnetismului
Atomii (moleculele) paramagnetului ca un întreg au un anumit moment magnetic. Când un paramagnet este introdus în câmpul magnetic, se observă precesia orbitelor de electroni. care conduce la apariția unui moment magnetic indus opus câmpului (ca în diamagnetică). Cu toate acestea, în paramagnete se observă un alt efect mai puternic - stabilirea momentelor magnetice ale atomilor de-a lungul câmpului exterior. Precesiunea momentelor magnetice ale atomilor cauzate de coliziunile lor se scurge rapid, iar unghiurile dintre vectori scad. Mișcarea termică, pe de o parte, contribuie la atenuarea precesiunii momentelor atomice, pe de altă parte, răspândește direcțiile momentelor magnetice ale atomilor. Ca rezultat, momentele magnetice ale atomilor se dovedesc a fi orientate în principal la unghiuri acute față de direcția inducției magnetice. Din acest motiv, un câmp intrinsec apare în interiorul paramagnetului, îndreptat în aceeași direcție cu câmpul exterior.
Teoria clasică a paramagnetismului a fost creată de Langevin în 1905. Deoarece efectul de orientare al câmpului asupra momentelor magnetice ale atomilor este proporțional cu produsul pM B0. iar acțiunea de împrăștiere a mișcării termice se caracterizează prin energia sa (
kT), acțiunea rezultată va fi determinată de valoare.
Langevin, rezolvând problema statistică a comportamentului momentelor magnetice ale atomilor într-un câmp magnetic, a constatat că magnetizarea unui paramagnet este o funcție a cantității a. . (6.3)
unde este funcția clasică Langevin, n0 este concentrația de atomi (molecule). În cazul unui câmp magnetic slab (a<<1 ) L(a) = a/3 (см. рис. 6.4.). При этом условии поляризованность зависит от магнитной индукции линейно. Подстановка значения функции Ланжевена в (6.3) дает следующее выражение: . Сопоставляя данное выражение с (5.15), находим выражение для магнитной восприимчивости: . (6.4)
Se poate observa că susceptibilitatea magnetică a unui paramagnet este invers proporțională cu temperatura absolută. O asemenea dependență a fost descoperită de P. Curie înainte de elaborarea teoriei și a fost numită legea Curie.
În câmpurile foarte puternice (a> 1), când funcția Langevin devine neliniară (figura 6.4), se observă abateri de la proporționalitatea dintre magnetizare și inducția magnetică. La o> 1, magnetizarea practic nu crește cu creșterea inductivă magnetică, deoarece L (a) "1 și momentele magnetice ale tuturor atomilor se aliniază de-a lungul câmpului (această stare se numește saturație). Cu toate acestea, este imposibil să se creeze astfel de câmpuri magnetice puternice în realitate, iar condiția a >> 1 este imposibilă.
Unele metale, cum ar fi alcalinele, nu se supun legii Curie. Explicația pentru acest lucru a fost dată de Pauli în 1927. El a sugerat că paramagnetism în aceste cazuri nu se datorează momentelor magnetice ale ionilor rețelei cristaline și spin momentelor magnetice ale electronilor de conducție. Acești electroni nu se supun statisticilor clasice Maxwell-Boltzmann. Considerând electronii ca fiind un gaz care respectă statisticile Fermi-Dirac, Pauli și-a calculat susceptibilitatea magnetică.
Substanțele care pot fi magnetizate foarte puternic, au fost numite ferromagneți. Feromagneții includ fier, cobalt, nichel, gadoliniu și aliajele lor. Permeabilitatea mai feromagnetic la temperaturi ambiante de mai multe sute sau mii de unități, și unele feromagneți special pregătite și prelucrate atinge un milion.
Feromagneții, în plus față de capacitatea lor de a magnetiza puternic, au un număr de proprietăți care le disting substanțial de diamagnetice și paramagnetice.
Curba de magnetizare. O caracteristică caracteristică a feromagneticii este dependența neliniară complexă dintre magnetizarea J și inducerea câmpului extern B0 (figura 6.5a). Magnetizarea primului-carucior se topesc mai repede, dar apoi saturația magnetică are loc la care magnetizarea atinge o valoare maximă de Js și, practic, independent de inducerea câmpului extern. Conform (5.17), inducția magnetică în feromagnet Primele crește rapid, atunci starea de saturație, crește numai datorită inducției creșterii câmpului extern (Fig. 6.5b).
Datorită dependenței neliniare a B de la B0 magnetic Prony-permitivitate depinde de câmpul magnetic extern (6,5 V Fig.): La început crește odată cu creșterea câmpului de la o valoare inițială la o anumită valoare maximă, dar apoi, după ce trece printr-un maxim, scade și se apropie asimptotic O valoare apropiată de unitate în câmpuri foarte puternice.
Histerezis. În cazul în care un ferromagnet nemagnetizat este inițial plasat în bobina de magnetizare și câmpul magnetic este mărit, inducerea în interiorul magnetului se va schimba, așa cum se arată în Fig. 6.5b. adică de la curba 0a din Fig. 6.6.
Dacă acum reducem câmpul magnetic, atunci scăderea inducției va fi reprezentată de o altă curbă, ab. Când câmpul extern scade la zero, feromagnetul rămâne magnetizat. Inducția câmpului în această stare se numește inducție reziduală [1]. Pentru ca câmpul din feromagnet să devină egal cu zero, trebuie aplicat un câmp extern al sensului opus (punctul c din Figura 6.6). O creștere suplimentară a câmpului duce curba la punctul r, apoi, pe măsură ce scade la zero, până la punctul q; cu o altă schimbare în direcția câmpului extern - la punctele q, e și a. În cazul inversării unei magnetizări ciclice a unui feromagnet, modificarea inducției în el va fi reprezentată de o curbă închisă asemănătoare buclă. Acest fenomen se numește histereză. iar curba este o buclă de histereză.
Temperatura Curie. Pentru orice feromagnet, există o temperatură definită T = TK. numită temperatura sau punctul Curie, deasupra căruia feromagnetul devine un paramagnet. Dependența susceptibilității magnetice la temperatura T a acestor paramagnete respectă legea Curie-Weiss :,
unde C este o constantă în funcție de natura substanței.
Pentru nichel, temperatura Curie este de 633 K (360 ° C), pentru fier - 770 ° C, pentru gadolinium - 17 ° C.
Conform ideilor moderne, atomii și feromagneții au un moment magnetic mare datorită momentelor magnetice de spin necompensate ale unor electroni. Datorită influenței reciproce a momentelor magnetice, orientarea acestora este independentă de câmpul magnetic extern, astfel încât feromagnetul este magnetizat până la saturație fără câmp. Prezența regiunilor unei astfel de magnetizări spontane (domenii) este cea mai caracteristică a ferromagneților. Existența domeniilor în feromagneți a fost dovedită prin diferite experimente, inclusiv observații directe. O formă tipică de domenii în absența unui câmp extern este prezentată în Fig. 6.7. Săgețile indică direcția magnetizării prin saturație în domenii. Dimensiunile domeniilor sunt de obicei mici - 0,1-0,01 mm, deci mediul intern mediu este mediat chiar și pentru o regiune relativ mică. Configurația direcțiilor de câmp în domeniile învecinate, prezentate în Fig. 6.7 și 6.8a. când câmpurile din domenii mari par a fi închise de câmpurile domeniilor finale mici, furnizează valoarea minimă a energiei interne a feromagnetului.
Când comutate chenii câmp energetic extern domenii separate sunt realizate din neidentice: mai puțină energie pentru acele domenii în care direcția de magnetizare formează un unghi ascuțit de câmp și mai mult în cazul în care unghiul cântă. Prin urmare, există un proces de deplasare a limitelor de domeniu, sub care se produce creșterea domeniilor cu energie mai mică și o scădere a volumului de domenii cu energie mai mare. În cazul câmpurilor foarte slab, aceste deplasări ale limitelor sunt reversibile și urmează exact schimbarea câmpului. Cu o creștere a câmpului, deplasările limitelor domeniilor sunt făcute nereversibile (figura 6.8b). Cu o magnitudine suficientă a câmpului de magnetizare, domeniile neprofitabile din punct de vedere energetic dispar cu totul (figura 6.8c).
Dacă câmpul crește și mai mult, apare un nou tip de proces de magnetizare, în care se schimbă direcția momentului magnetic din interiorul domeniului (magnetizarea rotației, figura 6.8d). În cele din urmă, într-un câmp foarte puternic, momentele magnetice ale tuturor domeniilor sunt stabilite paralel cu câmpul. În această stare, feromagnetul are cea mai mare magnetizare posibilă la o anumită temperatură, adică este magnetizată până la saturație (figura 6.8e).
Fig. 6.8. Procesul de magnetizare a unui feromagnet; a - câmpul extern B0 este absent, q este câmpul maxim.
Aceste procese de magnetizare (cu excepția deplasării limitelor în câmpuri slabe) apar cu o anumită întârziere, adică deplasarea limitelor și rotația decalajului de magnetizare în spatele schimbării câmpului, ceea ce conduce la apariția histerezisului.
[1] Feromagneții cu inducție reziduală mare sunt utilizați ca magneți permanenți.