3. Магнитное поле в веществе

3.1. Классификация магнетиков. Магнитные свойства атомов

Магнетики – так называются вещества в магнетизме. Это связано с тем, что все без исключения вещества в той или иной степени влияют на магнитное поле, ослабляя или усиливая его.

На рис. 39 представлена схема опыта по изучению действия магнитного поля на различные вещества [7]. Сравнение показаний динамометра до и после включения постоянного тока в соленоиде указывает на три возможных типа взаимодействия.

Первый тип взаимодействия: относительно слабое втягивание магнетика в область более сильного поля. Такие вещества называются парамагнетиками. К парамагнетикам относятся, например, алюминий, платина, натрий, хлористая медь, жидкий кислород и др.

Второй тип взаимодействия: относительно слабое выталкивание магнетика в область менее интенсивного поля. Эти вещества называются диамагнетиками. К ним относятся медь, серебро, висмут, углерод, вода, жидкий азот и др.

Третий тип взаимодействия: для веществ этого класса наблюдалось втягивание в область более сильного поля, и их можно было бы, формально, отнести к первому типу взаимодействия. Однако эффект в тысячи, десятки тысяч раз превосходит силы, наблюдавшиеся для парамагнетиков и диамагнетиков. Эти вещества называются ферромагнетиками. К ним относятся, например, железо, кобальт, никель и др.

Почему же вещества по-разному взаимодействуют с магнитным полем? Естественно предположить, что то или иное взаимодействие магнетиков с магнитным полем обусловлено магнитными свойствами атомов. Еще в начале XIX столетия Ампер выдвинул гипотезу молекулярных токов, согласно которой каждому атому (молекуле) можно сопоставить некоторый круговой ток с соответствующим магнитным моментом. В современной физике магнитный момент атома рассматривается как суммарный магнитный момент, связанный с орбитальным движением электронов вокруг ядра, собственным магнитным моментом электронов и с магнитным моментом ядра:

, (3.1)

где Z – число электронов в атоме; – суммарный магнитный момент атома; – орбитальный магнитный моментi-го электрона, обусловленный движением электрона вокруг ядра; – собственный магнитный моментi-го электрона; – суммарный магнитный момент ядра, обусловленный магнитными моментами входящих в состав ядра протонов и нейтронов.

Как показывает опыт, магнитный момент ядра мал по своей величине, и им можно пренебречь по сравнению с магнитными моментами электронов, считая, что магнитный момент атома равен векторной сумме орбитальных и собственных магнитных моментов электронов.

Рассмотрим движение электрона по круговой орбите радиуса вокруг ядра как круговой контур с током (рис. 40). Если электрон за одну секунду делаетоборотов, то сила тока в таком контуре

где – модуль заряда электрона;– циклическая частота. Тогда для орбитального магнитного момента такого контура площадьюполучаем

. (3.2)

Направление тока I противоположно скорости электрона так как заряд электрона – отрицательный (рис. 40).

Здесь уместно ввести понятие гиромагнитного отношения – отношения орбитального магнитного момента электронак его орбитальному моменту импульса:

. (3.3)

Момент импульса (момент количества движения) был определен в разделе «Механика» [6]:

, (3.4)

где m – масса электрона. Вектор направлен противоположно вектору(рис. 40).

Как видно из (3.2)–(3.4), связь между векторами иможно выразить в виде

, (3.5)

где гиромагнитное отношение для орбитального движения электрона

. (3.6)

Из (3.6) следует, что гиромагнитное отношение не зависит от параметров орбитального движения электрона и для всех электронов одинаково.

Электрон обладает также собственным магнитным моментом и собственным моментом импульса. Последний называют также спином. Соответственно собственный магнитный момент называют спиновым магнитным моментом. Собственные моменты электрона имеют квантовую природу и являются такими же неотъемлемыми его характеристиками, как масса и заряд. Опыт показывает, что собственный магнитный и механический моменты электрона связаны соотношением

, (3.7)

где – гиромагнитное отношение для этих моментов. Рассмотренные ранее орбитальные моменты могут различаться для разных электронов атома. В отличие от них величины собственных магнитных моментоводинаковы у всех электронов, это же справедливо и для собственных механических моментов. Например, они одинаковы у свободного и у связанного в атоме электронов.

В атоме (молекуле) векторная сумма орбитальных и собственных магнитных моментов электронов равна полному магнитному моменту атома (молекулы). Вследствие этого атомы (молекулы) можно рассматривать как микроскопические круговые контура с током, получившие в физике название молекулярных токов Ампера.

Как показывает опыт, для парамагнетиков и ферромагнетиков суммарный магнитный момент атомов (молекул) отличен от нуля. Для диамагнетиков при отсутствии магнитного поля он равен нулю. Явления парамагнетизма, диамагнетизма и ферромагнетизма будут рассмотрены соответственно в подразд. 3.2, 3.3 и 3.5.