Диа- и парамагнетизм

Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под дейст­вием магнитного поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания механизма этого явления необходимо рассмотреть действие маг­нитного поля на движущиеся в атоме электроны.

Рис. 57

Ради простоты предположим, что элек­трон в атоме движется по круговой орбите. Если орбита электрона ориентирована отно­сительно вектора произвольным образом, составляя с ним угол а (рис. 57), то можно доказать, что она приходит в такое движе­ние вокруг В, при котором вектор магнит­ ного момента Рш, сохраняя постоянным угол а, вращается вокруг направления В с некоторой угловой скоростью. Та­кое движение в механике называется прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения. Таким образом, электронные орбиты атома под действием магнитного по­ля совершают прецессионное движение, которое эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется

составляющая магнитного поля, направленная противоположно внешнему полю. Наведенные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и образуют собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Этот эффект получил назва­ние диамагнитного эффекта, а вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагне-тиками.

В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетик ненамагничен, по­скольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенси­руются, и суммарный магнитный момент атома (он равен векторной сумме ор­битальных и спиновых магнитных моментов, составляющих атом электронов) равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (например, Bi, Ag, Au, Си), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Так как диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитно­го поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем ве­ществам. Однако наряду с диамагнитными веществами существуют и пара­магнитные вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.

У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля маг­нитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие те­плового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспоря­дочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают.

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле устанавливается пре­имущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ори­ентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагне­тик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается, и парамагнетик размагничивается. К парамагнетикам относятся редкоземель­ные элементы, Pt, A1 и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагне­тиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незамет­ным.

Подводя итог качественному рассмотрению диа- и парамагнетизма, еще раз отметим, что атомы всех веществ являются носителями диамагнитных свойств. Если магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является парамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнитные свойства и ве­щество является диамагнетиком.