Студопедия — Магнитные свойства вещества
Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Магнитные свойства вещества






Нет таких веществ, состояние которых не изменялось бы при помещении их в магнитное поле. Более того, находясь в магнит­ном поле, вещества сами становятся источниками такого поля. В этом смысле все вещества принято называть магнетиками.

Так как макроскопические различия магнети­ков обусловлены их строением, то целесообразно рассмотреть магнитные характеристики электро­нов, ядер, атомов и молекул, а также поведение этих частиц в магнитном поле. Изложение прове­дем в рамках классической физики.

Условно будем считать, что электрон в атоме, равномерно вращается вокруг ядра со скоростью v по круговой орбите радиусом r (рис. 13.12). Такое движение аналогично круговому току и характеризуется орбитальным магнитным моментом Pорб (необходимо помнить, что электрон — отрицательно заряженная частица и его движение противоположно направлению тока). Сила тока, соответствующего движению электрона, который вращается с частотой v, равна

 
 

где е — заряд электрона. Так как v = v/(2nr), то

 
 

Тогда [см. (13.2)]

 
 

Одной из характеристик движения вращающегося тела или движения материальной точки по круговой орбите является мо­мент импульса (механический момент). Он аналогичен импуль­су тела при поступательном движении. Вектор момента импульса электрона, вращающегося по круговой орбите (Lорб), показан на рис. 13.12, а его модуль равен

 
 

Отношение магнитного момента частицы к ее моменту импуль­са называют магнитомеханическим отношением. Разделив (13.27) на (13.28), найдем орбитальное магнитомеханическое отношение для электрона:

 
 

Электрон обладает также и собственным моментом импульса, который называется спином. Спину соответствует спиновый магнитный момент. Спиновое механическое отношение вдвое больше орбитального:

 
 

выражают через множитель Ланде g:

 
 

Как видно из (13.29)—(13.31), для орби­тального магнито-механического отношения gорб = 1, для спинового отношения gs = 2.

Формулы (13.29) и (13.30) показывают также, что между магнитным и механиче­ским моментами существует вполне опреде­ленная «жесткая» связь, так как е и те — величины постоянные: эта связь проявляется в магнитомеханических явлениях. Одно из таких явлений впервые наблюдали Эйнштейн и де Гааз в 1915 г. Легкий стер­жень С подвешивался на тонкой нити в соленоиде (рис. 13.13). При пропускании тока по соленоиду создавалось магнитное поле и магнитные моменты электронов располагались упорядоченно, что приводило к упорядоченной ориентации моментов импульса. В результате весь стержень приобретал импульс и поворачивался, что было заметно по отклонению светового «зайчика», отражен­ного от зеркала.

Магнитомеханические явления позволяют определять магнитомеханические отношения и на основании этого делать выводы о роли орбитальных или спиновых магнитных моментов в процес­сах намагничивания. Так, например, опыты Эйнштейна и де Га­аза показали, что за намагниченность ферромагнитных материа­лов ответственны спиновые магнитные моменты электронов.

Ядра, атомы и молекулы также имеют магнитный момент. Магнитный момент молекулы является векторной суммой маг­нитных моментов атомов, из которых она состоит.

Магнитное поле воздействует на ориентацию частиц вещества, имеющих магнитные моменты, в результате чего вещество намаг­ничивается. Степень намагничивания вещества характеризуется намагниченностью J. Среднее значение вектора намагниченнос­ти равно отношению суммарного магнитного момента Σрт всех частиц, расположенных в объеме магнетика, к этому объему:

 
 

Таким образом, намагниченность является средним магнит­ным моментом единицы объема магнетика. Единицей намагни­ченности служит ампер на метр (А/м).

Магнетики делят на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики, ферромагнетики. Каждому из них соответствует

И свой тип магнетизма: парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Рассмотрим их природу.Согласно классической теории парамагнетизма, молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. В отсутствие магнитного поля эти моменты расположены хаоти­чески и намагниченность равна нулю (рис. 13.14, а). При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул ориентируются предпочтительно по направлению В, в результате чего J 0 (рис. 13.14, б). Степень упорядоченности магнитных моментов зависит от двух противоположных факторов — магнитного поля и молекулярно-хаотического движения, поэтому намагничен­ность зависит как от магнитной индукции, так и от температуры. Если стержень из парамагнетика подвесить в вакууме в однородном магнитном поле, то в положении равновесия он установит­ься вдоль линий магнитной индукции (рис. 13.15 вид сверху), что соответствует ориентации J по направлению В. Магнитное по-

ле, созданное парамагнетиком, усиливает, хотя и незначительно,

«внешнее магнитное поле, поэтому индукция В результирующего поля больше магнитной индукции Во поля вне парамагнетика (В > Во). Это означает, что магнитная проницаемость парамагнетиков больше единицы (μ > 1). К парамагнетикам относятся алюминий, кислород, молибден и т. д.

В неоднородном магнитном поле в вакууме частицы парамаг­нитного вещества перемещаются в сторону большего значения магнитной индукции, как говорят, втягиваются в поле.

Объяснение природы диамагнетизма несколько сложнее, по­этому сначала целесообразно рассмотреть одно механическое яв­ление.

Читатель, несомненно, наблюдал, что ось обычного детского волчка описывает вращательные конусообразные движения, ко­торые называют прецессией (рис. 13.16, а). Она возникает тогда, когда на вращающееся тело с моментом импульса Lорб действует опрокидывающий момент силы. Если бы волчок не вращался, то он бы опрокинулся под действием момента силы тяжести mg, вра­щение же волчка приводит к прецессии.

Аналогичное явление происходит и с электронными орбитами в магнитном поле. Электрон, вращающийся по орбите, обладает мо­ментом импульса, подобно волчку, а также характеризуется орби­тальным магнитным моментом Рорб. Поэтому на него, как на контур с током, со стороны магнитного поля действует момент силы. Та­ким образом, создаются условия для возникновения прецессии электронной орбиты (рис. 13.16, б). Это приводит к появлению до­бавочного магнитного момента электрона р орб, направленного про­тивоположно индукции Во внешнего магнитного поля, что ослабля­ет поле. Так возникает диамагнетизм. Диамагнетизм присущ всем веществам. В парамагнетиках диамагнетизм перекрывается более сильным парамагнетизмом.

Если магнитный момент молекул ра­вен нулю, то диамагнетизм преобладает над парамагнетизмом; ве­щества, состоящие из таких молекул, относят к диамагнетикам.

 

 
 

На рис. 13.17 схематично показаны молекулы диамагнетика при отсутствии магнитного поля (а) и в поле (б). Намагниченность диамагнетиков направлена противоположно магнитной индук­ции, ее значение растет с возрастанием индукции.

Так как собственное магнитное поле, созданное диамагнетиком, направлено противоположно внешнему, то индукция В внутри меньше индукции Во вне диамагнетика (В < Во). Следовательно, магнитная проницаемость диамагнетика меньше единицы (μ < 1).

К диамагнетикам относятся азот, водород, медь, вода и др. Частицы диамагнетика в вакууме в неоднородном магнитном поле будут «выталкиваться из поля».

Магнитные свойства веществ зависят от строения молекул, по­этому магнитные методы измерений используют в химических ^исследованиях. Специальный раздел физической химии — магнетохимия — изучает связь между магнитными и химическими свойствами вещества.

Ферромагнетики, подобно парамагнетикам, создают намагни­ченность, направленную по индукции поля; их магнитная прони-1 цаемость много больше единицы (μ >> 1). Однако ферромагнетизм существенно отличен от парамагнетизма. Ферромагнитные свой­ства присущи не отдельным атомам или молекулам, а лишь неко­торым веществам, находящимся в кристаллическом состоянии. Объяснение этому явлению дает квантовая теория. К ферромагнетикам относятся кристаллическое железо, ни­кель, кобальт, многие сплавы этих элементов между собой и с другими неферромагнитными соединениями, а также сплавы и Соединения хрома и марганца с неферромагнитными элементами. Намагниченность ферромагнетиков зависит не только от маг­нитной индукции внешнего магнитного поля, но и от их предыду­щего состояния. Ферромагнитные свойства вещества сохраняются лишь ниже определенной температуры, называемой точкой Кюри. Хотя ферромагнетиков и не очень много в природе, в основном именно их используют как магнитные материалы в технике. Это
 
 

обусловлено их сильным магнетизмом и остаточной намагничен­ностью (например, постоянные магниты).

Значительные механические силы, действующие на ферромаг­нитные тела и постоянные магниты в магнитном поле, находят разнообразные применения в медицине: исправление грудной клетки у детей (Ю. Ф. Исаков, Э. А. Степанов и др.) магнитные заглушки для предотвращения выделений из искусственного на­ружного свища ободочной кишки (В. Д. Федоров и др.), удаление ферромагнитных пылинок и опилок из глаза.







Дата добавления: 2015-08-30; просмотров: 536. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!



Кардиналистский и ординалистский подходы Кардиналистский (количественный подход) к анализу полезности основан на представлении о возможности измерения различных благ в условных единицах полезности...

Обзор компонентов Multisim Компоненты – это основа любой схемы, это все элементы, из которых она состоит. Multisim оперирует с двумя категориями...

Композиция из абстрактных геометрических фигур Данная композиция состоит из линий, штриховки, абстрактных геометрических форм...

Важнейшие способы обработки и анализа рядов динамики Не во всех случаях эмпирические данные рядов динамики позволяют определить тенденцию изменения явления во времени...

Факторы, влияющие на степень электролитической диссоциации Степень диссоциации зависит от природы электролита и растворителя, концентрации раствора, температуры, присутствия одноименного иона и других факторов...

Йодометрия. Характеристика метода Метод йодометрии основан на ОВ-реакциях, связанных с превращением I2 в ионы I- и обратно...

Броматометрия и бромометрия Броматометрический метод основан на окислении вос­становителей броматом калия в кислой среде...

Педагогическая структура процесса социализации Характеризуя социализацию как педагогический процессе, следует рассмотреть ее основные компоненты: цель, содержание, средства, функции субъекта и объекта...

Типовые ситуационные задачи. Задача 1. Больной К., 38 лет, шахтер по профессии, во время планового медицинского осмотра предъявил жалобы на появление одышки при значительной физической   Задача 1. Больной К., 38 лет, шахтер по профессии, во время планового медицинского осмотра предъявил жалобы на появление одышки при значительной физической нагрузке. Из медицинской книжки установлено, что он страдает врожденным пороком сердца....

Типовые ситуационные задачи. Задача 1.У больного А., 20 лет, с детства отмечается повышенное АД, уровень которого в настоящее время составляет 180-200/110-120 мм рт Задача 1.У больного А., 20 лет, с детства отмечается повышенное АД, уровень которого в настоящее время составляет 180-200/110-120 мм рт. ст. Влияние психоэмоциональных факторов отсутствует. Колебаний АД практически нет. Головной боли нет. Нормализовать...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2024 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия