Магнитомеханические явления. Электромагнитная индукция. Гармонические колебания. Затухающие колебания (Главы 4-7 учебного пособия по общей физике)

В соответствии с основным законом динамики вращательного движения электрон получает угловое ускорение, равное  (здесь J – момент инерции электрона). Направление углового ускорения совпадает с направлением момента силы.

За время dt электрон получит приращение угловой скорости, равное . Направление вектора dw совпадает с направлением вектора углового ускорения.

Следовательно, через dt секунд угловая скорость изменится. Она станет равна w¢ (см. рисунок).

Причём, поскольку вектор dw перпендикулярен вектору угловой скорости w, изменится только направление угловой скорости.

В последующие моменты вре-мени рассмотренный эффект будет повторяться – вектор угловой ско-рости будет поворачиваться вокруг направления внешнего магнитного поля, не изменяясь при этом по модулю.

Конец вектора угловой скорости будет описывать окружность, которая изображена на рисунке.

Поскольку вектор угловой скорости всегда направлен вдоль оси вращения, ось вращения электрона также будет вращаться вокруг направления внешнего магнитного поля.

Такое движение вращающегося тела называют прецессией.

Итак, внешнее магнитное поле вы-зывает появление дополнительного упо-рядоченного движения электрона – прецессии.

Дополнительное вращение электро-на означает появление дополнитель-ного тока I_пр. Направление этого тока противоположно скорости дополни-тельного вращения v_пр.

Дополнительный ток I_пр создаёт дополнительное магнитное поле В_пр.

В соответствии с законом Био–Савара–Лапласа это магнитное поле направлено против внешнего магнитного поля.

Таким образом, при внесении любого вещества в магнитное поле возникает прецессия орбит электронов вокруг направления внешнего магнитного поля. Прецессия, в свою очередь, порождает магнитное поле, всегда направленное против внешнего. Поэтому в любом веществе из-за прецессии электронных орбит магнитное поле становится слабее внешнего магнитного поля.

4.3.1. Диамагнетики

Магнитный момент атома складывается из орбитальных и спиновых* магнитных моментов электронов. Если их сумма равна нулю, то атом не обладает собственным магнитным моментом. Вещества, состоящие из таких атомов, называются диамагне-тиками.

При внесении такого вещества в магнитное поле в его атомах возникает прецессия электронных орбит, которая вызывает появление магнитного поля В¢, направленного против внешнего поля.

Таким образом, диамагнетики – это вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется.

Следует отметить, что внешнее магнитное поле в диамагнетиках ослабляется очень незначительно. Магнитная проницаемость типичных диамагнетиков имеет величину m » 0,99 (медь, стекло, висмут).

Диамагнетикам свойственна важная особенность – они выталкиваются из магнитного поля.

4.3.2.  Парамагнетики

К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых обладают собственным магнитным моментом.

При внесении такого вещества в магнитное поле его атомы ведут себя подобно магнитным стрелкам – они стремятся повернуться так, чтобы направление их магнитных моментов совпало с внешним магнитным полем.

В результате внешнее магнитное поле и поле, созданное всеми атомами, складываются. Поэтому магнитное поле внутри пара-магнетика становится сильнее.

_____________________________

* Электрон имеет собственный магнитный момент, который называется спиновым магнитным моментом.

Но кроме ориентации атомов по внешнему магнитному полю возникает и прецессия электронных орбит, которая создаёт магнитное поле, противоположное внешнему. Этот эффект вызы-вает ослабление магнитного поля в парамагнетике.

Во всех парамагнетиках собственное магнитное поле атома немного сильнее поля, порождённого прецессией электронных орбит. Поэтому магнитное поле в парамагнетике сильнее внешнего, но весьма незначительно.

Таким образом, парамагнетиками являются вещества, в которых внешнее магнитное поле немного усиливается.

Магнитная проницаемость парамагнетиков превышает единицу на 10^-4 и менее. К парамагнетикам относятся такие вещества, как воздух, платина, натрий, литий.

В отличие от диамагнетиков, парамагнетики втягиваются в область с наиболее сильным магнитным полем.

4.4.  Ферромагнетики. Природа ферромагнетизма

К ферромагнетикам относят вещества, которые способны самопроизвольно намагничиваться. Внешнее магнитное поле в таких веществах может усиливаться в тысячи, десятки тысяч раз.

Типичными ферромагнетиками являются железо, кобальт, никель. К ферромагнетиками также относятся некоторые сплавы.

Особенностью атомов всех ферромагнетиков является наличие у них внутренних незавершённых электронных оболочек. Например, у железа в 3d оболочке могут разместиться ещё несколько электронов, но у него имеется два электрона в следующей, 4s оболочке.

Электроны внутренних незавершённых оболочек участвуют в так называемом обменном взаимодействии, вследствие чего они самопроизвольно выстраивают параллельно друг другу свои спиновые магнитные моменты. В таком состоянии суммарная энергия взаимодействующих атомов минимальна и поэтому оно является устойчивым.