Магнітні властивості речовини

Згідно з гіпотезою Ампера, здатність речовини намагнічува­ти­ся, тобто створю­ва­ти власне маг­ніт­не поле, обу­мов­лена наявністю в атомів і молекул власних магнітних мо­мен­тів: орбітальних магніт­них моментів електронів p_mo, спіно­вих магнітних моментів електронів p_ms і ядерного магніт­ного моменту p_mя.

Орбітальний магнітний моментp_mo зумовлений ру­хом електронів навколо ядра. Для спрощення розглянемо рух одного електрона по коловій орбіті радіуса r (мал. 4.21). Такий рух аналогічний коловому струмові з силою

. (4.56)

Магнітний момент такого струму

р_mo = I×S = I ×; pr ² = eu r /2. (4.57)

Напрямок вектора p_mo визначається за правилом свердлика. Здебільшого p_mo виражають через момент кількості руху (механічний момент обертання) L_орб = m_eur. Відно­шен­ня p_mo / L_орб називають орбітальним гіромагнітним відно­шен­ням g _o, воно однакове для всіх електронів і дорівнює

g _о = ­ р_mo / L_орб = – | е |/2 m_e. (4.58)

Знак “–“ вказує на те, що вектори p_mo і L_орб мають протилежний напрямок (напрямок L_орб також визначається правилом свердлика, але е < 0).

Електрон володіє також власним моментом кількості ру­ху L_s – спіном (від англ. spin – крутитись, обертатись), а зна­чить і спіновим магнітним моментом p_ms. Наявність у елект­ронів спінових моментів спочатку пов’язували з обер­тан­­ням навколо власної осі (концепція Дж. Уленбека і С. Га­уд­сміта). Однак ця ідея була одразу ж спросто­ва­на Н. Бо­ром, який довів, що для отримання експериментальних значень енергетичного розщеплення ліній в дублеті натрію (саме це й було підставою для введення поняття “спін”) тре­ба, щоб електрон­на хмара на її периферії оберталася б з швидкістю, що перевищує швидкість світла. Зрозуміло, що це є “фізичний нонсенс”. Сучасна фізика вважає, що спін така ж невід’ємна характе­ристи­ка електрона, як заряд та маса. Спін мають і інші елементарні частинки (протон, нейтрон, нейтрино тощо). Спіновий магнітниймомент електрона квантується – він може орієнтуватися в зовнішньому магнітному полі так, що його проекція на напрямок напруженості магнітного поля може набувати лише два значення . Величина = 0,927×10^–23 А×м ² називається атомним магнетоном Бора і являє собою найменший магнітний момент частинки. Спінове гіромагнітне відно­шен­ня дорівнює

g_s = = – (4.59)

і є вдвічі більшим, ніж аналогічне відношення орбітальних моментів.

Ядро атома також має магнітний момент p_mя, величина якого залежить від структури ядра. Одиницею вимірювання магнітних моментів ядер є ядерний магнетон m_яд = . Оскільки відношення m_р / m_е»1840, магнітний момент ядра незначний і мало впливає на загальний магнітний момент атома. Таким чином, можна вважати, що магнітний момент атома p_ma дорівнює

p_ma = , (4.60)

де z – кількість електронів в атомі, а p_{m ел} = p _mo + p _ms – повний магніт­ний момент електрона. У спарених електронів магнітний момент скомпенсований (p_ma = 0). Заповнені елект­рон­ні оболонки в атомах також не володіють магніт­ним моментом.

При внесенні в магнітне поле будь-якої речовини виникає часткова або повна орієнтація магнітних моментів ато­мів (молекул), і результуючий магнітний момент тіла стає відмінним від нуля – тіло намагнічується. При цьому тіло створює власне магнітне поле.

Для кількісної оцінки ступеня намагнічення користуються вектором намагніченості J, який чисельно дорівнює магнітному моменту одиниці об’єму:

, (4.61)

де n – кількість частинок в об’ємі V, (p_ma) _i – магнітний момент і -частинки (атома, молекули). Одиниця намагніченості в системі СІ є А/м. Експериментально встановлено, що для більшості речовин:

J = c_m×; H,(4.62)

де Н – вектор напруженості зовнішнього магнітного поля, c_m – магнітна сприйнятливість – безрозмірна величина, яка чисельно дорівнює магнітному моменту одиниці об’єму речовини в магнітному полі одиничної напруженості. Індук­ція B магнітного поля в речовині, яка внесена в зовнішнє магнітне поле з напруженістю Н, визначається векторною сумою

B = m ₀ H + m ₀ c_m H. (4.63)

Перший доданок є магнітна індукція зовнішнього маг­ніт­ного поля у вакуумі, другий – характеризує внутрішнє магнітне поле, що виникає в речовині. Остання рівність може бути записана у вигляді

B = m ₀(1 + c_m) H = m ₀ m H = m B ₀, (4.64)

де m = 1 + c_m –відносна магнітна проникність речовини. Вона показує, у скільки разів індукція магнітного поля в речовині більше (чи менше) за індукцію магнітного поля в вакуумі. Величини m та c_m характеризують здатність речовин намагнічуватися і залежать від природи речовини та її будови. За магнітними властивостями речовини поділяють­ся на три основних класи: парамагнетики, діамагнетики і феромагнетики.

1. Парамагнетики– речовини, атоми (молекули) яких за відсутності магнітного поля мають відмінний від нуля магнітний момент p_а ¹ 0. Це можливо у випадку, коли атом (молекула) має неспарене число електронів. До парамагнетиків належать Cr, Mn, Sn, Al, Pt, Na, K, O, повітря, окис азоту, луги і лужно-земельні елементи. Дія зовнішнього маг­ніт­ного поля на такі речовини приводить до появи переважної орієнтації векторів p_mа в напрямку поля, які за відсутності поля були орієнтовані хаотично (мал. 4.22а,б).