Фейнман - 07. Физика сплошных сред (1055671), страница 17
Текст из файла (страница 17)
е. 10 ь еле), но для 3-сантиметровых волн он демонстрируется очень легко. Для таких волн экспоненциально затухающие поля распространяются на расстояние нескольких сантиметров. Д~ Н' ))~Я 'Я Я Ю, о о О, 6 о и о Микроволновая аппаратура, с помощью которой демонстрирую г этот эффект, изображена яа фиг. 33.11. Волны из маленького передатчика 3-сантиметровых волн направляются на парафиновую призму, имеющую сечение в форме равнобедренного прямоугольного треугольника. Показатель преломления парафина для этих частот равен 1,50, поэтому критический угол будет 41,5'. Таким образом, волны полностью отражаются от поверхности, наклоненной под 45', и принимаются детектором А (фиг.33 11, а).
Если к первой призме плотно приложить вторую парафиновую призму (фиг. 33.11, б), то волны проходят прямо сквозь них и регистрируются детектором В. Если же между призмами оставить щель в несколько сантиметров (фиг.33.11, в), то мы получим как отраженную, так и проходящую волны. Поместив детектор В в нескольких сантиметрах от наклоненной под 45' поверхности призмы, мозкно увидеть и электрическое поле вблизи нее. ул а в а елл . к МАГНЕТИЗМ ВЕЩЕСТВА з 1. Днамагнетнзм и парамагнетн В этой главе я начну рассказывать о магнитных свойствах материалов.
Материал, обла-й дающий наиболее сильными магнитными свойствами, разумеется,— железо. Подобными же магнитными свойствами обладают еще такие элементы, как никель, кобальт и (при ласта-й точно низких температурах, ниже 16'С) гадолиний и другие редкоземельные металлы, 4 а также некоторые особые сплавы. Такой вид магнетизма называется ферромагнетивмом. Это достаточно сложное и удивительное явление, й и ему мы посвятим специальную главу. Но и все обычные вещества то'ке имеют некоторые магнитные свойства, хотя и не столь ярко- выраженные, а много слабее — в тысячи и миллион раз меньше, чем эффекты в ферромагнитных материалах.
Здесь мы собираемся описать й обычный магнетизм, т. е. магнетизм неферромагнитных веществ. Этот слабый магнетизм бываетдвух сортов. Некоторые материалы притягиваются магнитным полем, другие же отталкиваются им. й В отличие от электрического эффекта в веществе, который всегда приводит к притяжению диэлектриков, магнитный эффект имеет два г знака. Наличие этих двух знаков легко продемонстрировать с помощью сильного электромагнита, один из полюсных наконечников которого заострен, а другой — плоский (фиг. 34.1). Магнитное поле у заостренного полюса намного сильнее, нежели у плоского. Если небольшой кусочек материала, подвешенный на длинной струне, поместить между полюсами такого магнита, то на него, вообще говоря, действует очень слабенькая сила. Действие этой силы мож- 1. 111к це~ ~ нн атомных магнитиков ге Диана гщ тнзи ъ, 1 серега ,Тарп«ра 6.
В класепч< еко~ фн: нк< иет нн д~амагнет1 ма, нн нарамаю 7.Момент к«лннттва двнжеа а квантовой механике 8. Магнитная энергнн атака $окгнорин~ ь:гя. (вын. 6) е Векторный нотенннал» й 2. Магнитики тнынчггы ф у. диггмагнепьизм и нарампенетпинм ~ тва двн'кения Подвеска Мале«ький «усоувк материало Силовые линии полл В Полюса сильного глекп~ромагнито Ф и г. дб.1. Неболыиой висмупьовый цилиндр слабо отт лпивается заостренным полюсом; пусоееи алюмипия будет притягиваться. но обнаружить по незначительному смещению подвешенного кусочка материала при повороте магнита. Оказывается, что ферромагнитные материалы сильно притягиваются заостренным полюсом, а все остальные — очень слабо.
А есть н такие, которые не притягиваются заостренным полюсом, а слабо отталкиваются. Зтот эффект легче всего наблюдать на маленьком цилиндре из висмута, который выталкивается из области сильного поля. Вещества, которые отталкиваются, подобно висмуту, называются диамагнетинамн. Висмут — один из сильнейших диамагнетнков, но даже и его магнитный эффект очень слаб.
Диамагнетизм всегда очень слаб. Если между полюсами подвесить кусочек алюминия, то яа ного все же будет действовать слабенькая сила, но направленная в сторону заостренного полюса. Вещества, подобные алюминию, называются нарамагнетинами. (В таких экспериментах при включении и выключении магнита из-за вихревых тонов возникают силы, которые могут дать сильный толчок. Поэтому нужно быть очень внимательным и смотреть только на чистое перемещение после того, как подвешенный предмет успокоился.) Сейчас я коротко опишу механизм этих двух эффектов.
Прежде всего атомы многих веществ не имеют постоянных магнитных моментов, или, вернее, все магнитные моменты внутри каждого атома уравновешены так, что суммарный магнитный момент атома равен нулю. Спиновые и орбитальные моменты электронов сбалансированы так, что у каждого данного атома никакого среднего магнитного момента нет. Если при этих обстоятельствах вы включаете магнитное поле, то внутри атома по индукции генерируются слабые дополнительные токи.
В соответствии с законом Ленца эти токи действуют так, чтобы сопротивляться увеличивающемуся магнитному полю. Таким образом, наведенный магнитный момент атомов направлен противоположно магнитному полю. Это и есть механиам диамагнетизма. Однако существуют такие вещества, атомы которых все же обладают магнитным моментом, т.
е. электронные спины и орбиты которых имеют ненулевой полный циркулирующий ток. Таким образом, кроме диамагнитного эффекта (а он всегда присутствует), существует еще возможность «выстраивания» индивидуальных атомных моментов в одном направлении. Магнитные моменты в этом случае стараются выстроиться по направлению магнитного поля (точно так же, как постоянные диполи в диэлектрике выстраиваются в электрическом поле) и наведенный магнетизм стремится усилить магнитное поле. Это и есть парамагнитные вещества.
Парамагнетнзм, вообще говоря, довольно слаб, потому что выстраивающие силы относительно малы по сравнению с силами теплового движения, которые стараются разрупгить упорядочивание. Отсюда также следует, что парамагнетизм обычно чувствителен к температуре. (Исключение составляет парамагнетизм, обусловленный спинами электронов, ответственных за проводимость металлов. Но мы не будем обсуя»дать здесь это явление.) Для обычного парамагнетизма эффект тем сильнее, чем ниже температура. При низких температурах атомы выстраиваются в большей степени, поскольку разупорядочивание вследствие тепловых колебаний (соударений) будет меньше. Но, с другой стороны, диамагнетизм более или менее не зависит от температуры.
У любого вещества с выстроенными магнитными моментами есть как диамагнитный, так и парамагнитный эффекты, причем парамагнитный эффект обычно доминирует. В гл. 11 (вып. 5) мы описывали сегпвтовввктричвспие материалы, все электрические диполи которых выстраиваются в результате взаимного действия атомов друг на друга своими электрическими полями, Можно представить себе магнитный аналог сегнетоэлектрнчества, в котором все атомные моменты, действуя друг на друга, выстраивают сами себя. Если бы вы попытались вычислить, как это должно происходить, то обнаружили бы, что из-за того, что магнитные силы гораздо слабее электрических, тепловое движение должно расстраивать упорядочивание даже прн столь низких температурах, как 10~ К.
Так что при комнатных температурах любое постоянное выстраивание магнитных моментов казалось бы невозможно. Но, с другой стороны, именно это явление происходит в железе: там магнитные моменты все-таки выстраиваются. Между магнитными моментами различных атомов железа действуют эффективные силы, которые во много-много раз больше пря- мого л огнив»кого взаимодействия. Это косвенный аффект, который можно объяснить только с помощью квантовой механики.
Он примерно в десять тысяч раз сильнее прямого магнитного взаимодействия, и именно он выстраивает магнитные моменты в ферромагнитных материалах. Об атом особом взаимодействии мы будем говорить в дальнейшем. Я попытался дать вам качественные объяснения диамагнетизма н парамагнетизма, однако хочу тут же внести поправку и сказать, что с точки зрения классической механики честным путем понять магнитные эффекты невозможно. Подобные магнитные аффекты — явления целиком кгантовомеханические. Тем не менее привести некоторые «правдоподобные» классические рассуждения и дать вам представление о том, как здесь все происходит, все-таки небесполезно. Попробуем встать на этот путь. Можно приводить разные физические аргументы и строить догадки о том, чтб происходит с веществом, однако все эти аргументы будут в той или иной степени «незаконными», так как в любом из магнитных явлений весьма существенную роль играет квантовая механика.
С другой стороны, бывают такие системы, подобные плазме или скоплению множества свободных электронов, где электроны все же живут по законам классической механики. При таких обстоятельствах некоторые из теорем классического магнетизма будут очень полезны. Кроме того, классические рассуждения полезны еще и по историческим причинам: ведь пока люди еще не могли понять глубокий смысл и поведение магнитных материалов, они пользовались классическими аргументами.
Так что классическая механика все же способна дать нам полезные сведения. И только если стремиться быть совсем честным, то надо отложить изучение магнетизма до тех пор, пока вы не пройдете квантовую механику. А мне все-таки не хочется ждать так долго ради того, чтобы понять такую простую вещь, как диамагнетизм. Для целого ряда полуобъяснений происходящего можно ограничиться классической механикой, сознавая, однако, что наши доводы на самом деле нуждаются в квантовомеханическом подкреплении.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
