ДИАМАГНЕТИЗМ И ПАРАМАГНЕТИЗМ

Допустим, что суммарный магнитный момент электронных орбит каждого атома или молекулы данного вещества в отсутствие поля равен нулю. Это возможно, если в атомах имеются орбиты с противоположными направлениями вращения электронов, т. е. орбиты типов Как было показано выше, при внесении любого вещества в магнитное поле каждая орбита независимо от направления движения электрона (т. е. независмо от ориентировки его магнитного момента относительно приобретает индуцированный магнитный момент всегда направленный против поля. Таким образом, вещество окажется намагниченным; каждая единица объема вещества; содержащая орбит, приобретает индуцированный магнитный момент, равный

Появление индуцированных магнитных моментов направленных против внешнего поля, называется диамагнитным эффектом; им объясняются диамагнитные свойства вещества. Так как диамагнитная восприимчивость вещества

Если вещество помещено в неоднородное магнитное поле, то на каждую орбиту (эквивалентную контуру тока, см. § 20) будет действовать некоторая сила. Орбита имеет и поэтому будет втягиваться в поле с силой орбита имеет В и будет выталкиваться из поля с силой Так как на каждую пару одинаковых орбит с разными направлениями вращения действует сила направленная в сторону убывания поля. Таким образом, диамагнитный эффект приводит к появлению сил, выталкивающих тело из неоднородного магнитного поля. Если в веществе число орбит типа больше, чем орбит то сумма сил больше суммы сил и вещество втягивается в магнитное поле, т. е. будет парамагнитным. Однако диамагнитный эффект существует и у парамагнитных тел (так как появляются у всех орбит); оно выражается в некотором уменьшении той силы, которая втягивает парамагнитное тело в поле.

Для того чтобы внести диамагнитное тело в магнитное поле, необходимо совершить работу против выталкивающей силы. Эта работа совершается электродвижущей силой индукции, которая возбуждается в любом замкнутом контуре, а в данном случае — в электронных орбитах, при их движении в неоднородном магнитном поле. Для электронной орбиты э. д. с. индукции также равна где есть изменение потока вектора В через плошадь орбиты. В результате действия этих э. д. с. увеличивается кинетическая энергия электронов в орбитах и уменьшается — в орбитах Если диамагнитное тело неподвижно и находится, например, внутри катушки, которая присоединяется к источнику тока, то работа диамагнитного намагничивания совершается источником тока, возбуждающим магнитное поле.

Итак:

1) диамагнетизм есть свойство, присущее всем телам, так как оно обусловлено действием внешнего магнитного поля на электронные орбиты в атомах и молекулах;

2) изменение скоростей движения электронов по орбитам сопровождается появлением магнитного поля, направленного против внешнего поля и ослабляющего его (закон Ленца); таким образом, каждое вещество противодействует проникновению магнитного поля внутрь его объема;

3) диамагнитный эффект не связан с появлением упорядоченности в расположении электронных орбит, поэтому диамагнитная восприимчивость не зависит от температуры;

4) вещество является диамагнетиком, если только его атомы и молекулы не имеют собственного магнитного момента; тогда диамагнитный эффект является единственной реакцией вещества на воздействие внешнего магнитного поля. В парамагнитных и ферромагнитных веществах намагниченность, обусловленная упорядоченным расположением элементарных магнитов (электронов, атомов и т. д.) значительно превосходит диамагнитный эффект.

Парамагнитными свойствами обладают вещества, у которых атомы или молекулы в отсутствие внешнего поля имеют некоторый магнитный момент (например, если они содержат нечетное число электронов).

Тепловое движение создает беспорядок в ориентировках их магнитных моментов, поэтому при отсутствии внешнего поля суммарная проекция векторов на любое направление в веществе равна нулю. При наличии поля сумма проекций на направление поля делается отличной от нуля, и тело намагничивается. Намагниченность J (суммарный магнитный момент единицы объема вещества) в данном случае будет зависеть не только от вектора внешнего поля, но и от температуры. При очень низких температурах, когда дезориентирующее действие теплового движения весьма слабое, наблюдается магнитное насыщение, т. е. все элементарные магнитные моменты ориентируются по полю, и дальнейшее усиление внешнего поля не вызывает увеличения намагниченности. При высоких температурах такое насыщение удается получить только в очень сильных магнитных полях. В слабых полях и при высоких температурах удельная магнитная восприимчивость парамагнитных веществ обратно пропорциональна температуре (закон Кюри):

где С — постоянная, равная число молекул в единице объема; постоянная Больцмана).