Диамагнетизм

Диамагнитный эффект был открыт в 1845 г. Фарадеем, обнаружившим, что в веществе, помещенном в магнитное поле, возникает дополнительный магнитный момент, направленный против поля. Диамагнетики ослабляют поле . Стерженек, вырезанный из диамагнитного материала, и подвешенный между полюсами магнита устанавливается поперек силовых линий, так как при таком положении энергия его в магнитном поле минимальна. Классическую теорию диамагнетизма разработал в 1905 г. французский физик П. Ланжевен. На контур с током, в данном случае на электронную орбиту, обладающим магнитным моментом в магнитном поле действует вращающий момент . Учитывая, что и , запишем, . Переставив местами множители в векторном произведении и отнеся скалярный множитель к вектору , получим уравнение прецессии

.

То есть орбитальные моменты электронов начинают в магнитном поле прецессировать, медленно поворачиваться вокруг направления поля в правовинтовом направлении. Прецессия электронных орбит называется прецессией Лармора по имени английского физика, изучавшего это явление. Циклическая частота прецессии (угловая скорость прецессии)

не зависит ни от радиуса орбиты, ни от скорости электронов. Другими словами все орбиты электронов как единое целое будут прецессировать вокруг направления поля с этой частотой. Связанное с прецессией дополнительное движение электронов можно рассматривать как ток, по отношению к магнитному полю в левовинтовом направлении и, следовательно, создающий дополнительный магнитный момент, направленный навстречу полю. Среднее значение индуцированного магнитного момента одного электрона равно

,

где — средний квадрат расстояния электрона от ядра, — масса электрона. Знак минус отражает то обстоятельство, что векторы и направлены в противоположные стороны. Просуммировав по всем электронам, найдем индуцированный магнитный момент атома

,

где — число электронов в атоме.

Диамагнитный момент универсален: в любом веществе есть движущиеся в атомах электроны, в любом веществе в магнитном поле возникает ларморовская прецессия. Но в парамагнетиках и тем более в ферромагнетиках этот слабый эффект перекрывается другими более сильными эффектами. Поэтому к классу диамагнетиков относят лишь те вещества, у которых собственные моменты атомов равны нулю, и диамагнетизм выступает в «чистом виде». К диамагнтикам относятся Au, Ag, Cu, Hg, инертные газы. Таким образом, при помещении диамагнетика в магнитное поле, он намагничивается против поля , т. е. магнитная восприимчивость для диамагнетиков является отрицательной и постоянной для данного вещества величиной, а график зависимости от имеет вид, изображенный на рисунке.

Парамагнетизм

Парамагнетики усиливают поле . Стерженек изготовленный из парамагнетика, и помещенный в магнитное поле устанавливается вдоль поля. Парамагнетиками являются щелочные металлы, кислород, алюминий, платина. В отсутствие магнитного поля молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты, но эти моменты расположены хаотически, поэтому вектор намагниченности равен нулю. Внешнее магнитное поле стремится выстроить магнитные моменты в одном направлении, но этому препятствует тепловое движение. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация моментов вдоль поля. Возникающая при этом намагниченность растет с ростом поля . График зависимости от имеет вид, изображенный на рисунке. Магнитная восприимчивость принимает положительные значения, но будет зависеть от температуры. Согласно закону Кюри восприимчивость парамагнитного вещества равна

,

где — постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, — абсолютная температура.