Магнитные свойства конденсированных веществ

2.5. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА КОНДЕНСИРОВАННЫХ ВЕЩЕСТВ

Определение в начале 19 века движения электрических зарядов в качестве источника магнитного поля и установление ядерно-электронного строения вещества в начале 20 века предопределило современные представления о невозможности индифферентной реакции на внешнее магнитное поле любых веществ в любом агрегатном состоянии - газообразном, жидком или твердом. Таким образом, все вещества в природе являются магнетиками разных типов. Магнитные свойства любого конденсата приближенно можно рассматривать как сумму свойств двух подсистем: ионного каркаса и коллективизированных электронов, образующих в металлах так называемую электронную Ферми-жидкость (в первом приближении - просто электронный газ). В неметаллических веществах кристаллического или аморфного строения это - наборы "мостиков" межатомных связей разного типа, более или менее регулярно локализованные в пространстве. Магнитный момент ядер примерно на три порядка меньше магнитного момента электрона, однако в ряде явлений, например, ядерном магнитном резонансе, его роль является определяющей.

2.5.1. Магнитные характеристики сред

Макроскопически реакция любого вещества на помещение его во внешнее магнитное поле сходна с поляризацией диэлектриков, помещенных в электрическое поле: под действием магнитного поля тела намагничиваются и приобретают  м а г н и т н ы й   м о м е н т  М.

Отношение этого момента к объему тела, то есть магнитный момент единицы объема вещества, называется   н а м а г н и ч е н н о с т ь ю J_M:

                                                                                (2.5.1)

Поскольку внешнее магнитное поле характеризуется векторными величинами напряженности    или индукции  , то намагниченность J_M также является величиной векторной (m₀ = 4p×10^-7 Гн/м - магнитная проницаемость вакуума, или магнитная постоянная). В изотропных средах вектор  направлен параллельно или антипараллельно . Отношение намагниченности  к напряженности внешнего поля , вызвавшего эту намагниченность, называется магнитной восприимчивостью c:

                                                                                 (2.5.2)

c - величина безразмерная в СИ, так как в СИ магнитный момент М измеряется в амперах на квадратный метр (А/м²), a  Н - в амперах на метр (А/м). Магнитная восприимчивость, c  может быть как положительной, так и отрицательной величиной (в зависимости от параллельной или антипараллельной ориентации векторов ). О величине c можно судить по данным табл.2.5.1  для некоторых веществ, принципиально различных в отношении реакции на внешнее магнитное поле.

Внутри намагниченного тела, находящегося во внешнем поле с индукцией В₀, возникает собственное поле с индукцией B = m₀J_H = =m₀cH = cB₀, в изотропных магнетиках параллельное или антипараллельное внешнему полю В_0.

Результирующее поле В_å в магнетиках

B_å = B₀ + cB₀ = (1 + c)B₀ = mB₀ = m₀(H + J_M).                      (2.5.3)

Величину

m = 1 + c                                                                                  (2.5.4)

называют   о т н о с и т е л ь н о й   м а г н и т н о й   п р о н и ц а е м о- с т ь ю. С учетом (2.5.4)

B_å = mB₀ = m₀mН.                                                                     (2.5.5)

В СИ величину B  измеряют в теслах (Тл).

                                                                                    Таблица 2.5.1

Магнитная восприимчивость некоторых материалов в слабом внешнем поле при комнатной температуре

Диамагнетики, c×105	Парамагнетики, c×105	Ферромагнетики, c
Висмут              -18	CaO                  + 58,0	Железо           + 1000
Медь                  - 0,9	Алюминий       + 16,7	Никель           +   240
Олово (серое)    -1,84	Олово (белое)  + 2,76	Кобальт          +   150

По знаку и величине магнитной восприимчивости c все тела делятся на три группы:

д и а м а г н е т и к и (c<0, ïcï<<1) - вещества, в которых под действием внешнего магнитного поля индуцируется собственное поле, ориентированное против внешнего;

п а р а м а г н е т и к и  (c>0, ïcï<<1) - вещества, в которых индуцируется незначительное внутреннее поле, параллельное внешнему;

ф е р р о м а г н е т и к и  (c>>1) - вещества, в которых наблюдается значительное усиление внешнего ориентирующего поля. По физической природе к этой группе примыкают также антиферромагнетики и ферримагнетики - класс магнитоактивных веществ, получаемый по керамической технологии.

На рис.2.5.1 схематически изображена зависимость намагниченности J_M вещества от напряженности внешнего поля Н. Если у диамагнетиков J_M~H (c<0) и не зависит от температуры, то у парамагнетиков аналогичный ход зависимости (лишь c> 0) наблюдается только в слабых полях и при повышенных температурах. Кюри определил, что магнитная восприимчивость парамагнетиков обратно пропорциональна  температуре:

                                                                                   (2.5.6)

Нелинейна и зависимость J_M(Н) парамагнетиков, при сильных полях и низких температурах намагниченность растет лишь до уровня J_S - состояния "насыщения" (рис.2.5.1).

Известны два главных фактора, обеспечивающих происхождение магнитного момента изолированного атома:

1) наличие у электрона магнитного спинового момента M_S;

2) наличие у всех электронов орбитального магнитного момента M_l, связанного с движением электронов вокруг ядра.

Рис.2.5.1.Зависимость намагниченности J_M от напряженности внешнего поля Н для разных классов магнетиков (масштаб условный).                     В рамке - для парамагнетиков в области низких температур и сильных внешних магнитных полей, J_S - магнитное "насыщение"

Доказано, что магнетизм - существенно квантово-механическое свойство.

Спиновый и орбитальный магнитные моменты M_S и М_l посредством  гиромагнитных соотношений связаны с соответствующими механическими моментами Р_S и Р_l:

                                                  (2.5.7)

В этих соотношениях квантованы как механические, так и магнитные моменты, причем квант магнитного момента равен магнетону Бора, т.е.  = 9,27×10^-24 А×м². Полный магнитный момент атома М_а складывается из магнитных моментов электронов (пренебрегаем существенно меньшим магнитным моментом ядра), его проекции на направление внешнего магнитного поля Н также квантованы и равны

M_aH = - m_lgm_B.                                                                       (2.5.8)