С.Г. Калашников - Электричество (1115533), страница 55
Текст из файла (страница 55)
Обозначим далее через и число атомов в единице об ьема вещества. Тогда магнитный момент единицы объема (намагниченность) есть и 1 = яр и = — "рвН' зьт (118.1) С другой стороны, 1 = мН, где >с -- магнитная восприимчивость. Так как, далее, все парамагнетики намагничиваются весь- 1 па окьяснвнив плел- и дилмлгнктизмл ма слабо, то в них различие между Н и Н' невелико, и можно положить Н' = Н. Поэтому из (118.1) следует, что эс = 1/Н = С~Т, (118.2) где введено обозначение и С = — до. р Зх Эта формула выражает уже известный нам закон Кюри Я 110), который получает в теории Ланжевена теоретическое об"ьяснение. Несколько иной характер имеет парамагнетизм мгтеллов. В металлах, кэк мы знаем, существуют электроны проводимости, которые пе принадлежат отдельным атомам и образуют своеобразный электронный 1пз.
Благодаря наличию у электрона собственного магнитного момента этот электронный газ обладает парамагнетизмом (парамагнетизм свободных электронов). Однако изложенная выше теория Ланжевена неприменима к электронному газу в металлах, так как движение электронов внутри металлов описывается не классическими законами, а законами квантовой теории.
Рассмотрим теперь, каким образом объясняется существование диамагнетиков. В 8 109 мы видели, что характерным для диамьпнетиков является то обстоятельство, что вектор намагниченности 1 направлен в ннх противоположно намагничивающему полю с,~? Рис. 188. Объяснение диамагнетизма: а — взаимные направления век гора намагниченности и намагничивающего поля в диамагнгтиках; б — магнитный диполь, соответствующий изменению магнитного момента электронной орбиты вследствие ларморовой прецессии (рис.
188 а). Такое поведение диамагнетиков невозможно объяснить при помощи формальной теории магнетизма, т.е. в предпо- магнктики ГЛ Х! ложении, что внутри магнетиков существуют магнитные диполи. Действительно, в этом случае нужно было бы допустить, что диполи во внешнем поле устанавливаются так, что северные их концы обращаются к северному же полюсу влияющего магнита, а южные концы — к южному полюсу, или, иначе, что одноименные магнитные полюсы притягиваются, а не отталкиваются.
Напротив, существование диамагнегиков естественно объясняется наличием молекулярных токов Объяснение диамагнетизма было дано впервые также Ланжевеном. Основную идею его теории разъясняет рис. 1886. Рассмотрим какую-либо электронную орбиту внутри атома и предположим, что в некоторый момент времени мы включили внешнее магнитное поле. Движение электрона изменится, а именно — возникнет ларморова прецессия; причем для случая движения электрона 1е ( 0) вектор угловой скорости прецессии й будет направлен параллельно направлению поля В Я 118). На рис.
188 это соответствует дополнительному вращению электрона против стрелки часов (если смотреть сверху) Но вращение отрицательной частицы против часовой стрелки есть ток, текущий по часовой стрелке. При этом северная сторона тока будет расположена снизу, а южная — сверху, т.е. возникающий вследствие прецессии дополнительный магнитный момент орбиты будет соответствовать диполю, у которого южный конец обращен к южному полюсу магнита, в северный конец — к северному полюсу (диамагнитный эффект). Таким образом, существование диамагнетизма вполне объясняется ларморовой прецессией. Теория диамагнетизма Ланжевена об'ьясняет диамагнетизм не только качественно, но приводит и к правильному порядку величины магнитной восприимчивости.
Выше мы рассмотрели диамагнетизм, возникающий вследствие ларморовой прецессии электронных орбит внутри атома Если вещество является металлом, то возникает еще дополнительный днамагнитный эффект, обусловленный электронами проводимости Этот эффект был открыт теоретически Л Д Ландау, который показал, что искривление путей электронов в магнитном поле, вызываемое силой Лоренца, приводит также к появлению диамагнетизма (диаыагнетизм свободных электронов) Расчеты, однако, показывают, что этот диамагнетизм в три раза меньше парамагнетизма, обусловленного собственными магнитными моментами электронов Поэтому диамагнетиэм свободных электронов непосредственно на опыте не наблюдается и электронный газ в металлах в результате одновременного наложения обоих эффектов оказывается всегда парамагннтным Суммируя сказанное выше, мы можем также понять, почему одни вещества являются парамагнетиками, а другие — диамагнетиками. Так как ларморову прецессию в магнитном поле испытывают все электроны любого атома, то атомы всех веществ являются носителями диамагнитных свойств.
Однако это еще 265 Овъяс11ение ФеРРОМАгнетизмА 1 119 не значит, что вещество будет диамагнетиком, так как атомы имеют и постоянный суммарный магнитный момент, который обусловливает их парамагнитные свойства. Коли магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество оказывается парамагнетиком. Коли магнитный момент мал, то преобладают диамагнитные свойства и вещество является диамагнетиком. В частности, атомы всех инертных газов имеют пш1ный магнитный момент, равный нулю. Поэтому для них имеется только один днамагн1ггный эффект и все инертные газы диамагннтны. $ 119. Объяснение ферромагнетизма Перейдем теперь к объяснению ферромагнетизма. Современная теория ферромагнетиков опиралась в своем развитии на следующие основные опытные факты.
Во-первых, мы видели в 6 110, что у некоторых ферромагнетиков можно изменять намагниченность от начального нулевого значения до огромного значения насыщения под действием ничтожного намагничивающего поля. Это обстоятельство характерно для ферромагнетиков и резко отличает их от парамагнетиков. Укажем для сравнения, что нормальная парамагнитная соль, например КеЯ04, при комнатной температуре под действием поля в 10 А/м увеличивает свою намагниченность в сотни миллионов раз меньше, чем некоторые магнитно-мягкие ферромагнитные сплавы. Вторая особенность касается магнитного момента атомов ферромагнитных веществ.
Прямые опыты показывают (опыты Штерна н Герлаха), что магнитные моменты атомов ферромагнитных веществ имеют тот же порядок величины, что и атомы парамагнетиков, и измеряются немногими магнетонами Бора 14в. Отсюда следует, что ферромагнегизм нельзя объяснить при помощи теории, подобной теории парамагнетизма, и что ферромагнитные свойства не обусловлены наличием магнитного момента атома в целом Третий важный опытный факт связан с величиной гиромагнитного отношения Г. В ферромагнетиках Г оказывается приблизительно в два раза болыпей, чем ожидаемое теоретически значение для электронных орбит, и соответствует отношению собственных магнитного и механического моментов электрона. Это обстоятельство указывает, что намагничивание ферромагнетиков обусловливается очень сильной ориентировкой собственных магнитных моментов электронов (электронных спинов), но не магнитных моментов атомов в целом.
Согласно современным представлениям, надежно обоснованным на опыте, сущность ферромагнетизма заключается в том, что сильная ориентировка элементарных магнитных моментов мА!'Иетики гл х! возникает в ферромагнетиках независимо от внешнего магнитного поля, так что ферромагнетик намагничен до насыщения, отвечающего данной температуре, уже без всякого поля !рис.
189 а). Наличие такого самопроизвольного, или спонтанного, Ф1 намагничивания является наиболее характерным свойством ферромагнетиков. Ф11 Указанные представления были высказаны в работах Б.Л. Розина б га еще в 1892 г. Однако они не по- лучили в то время должного разРис. !89. Схематические изо- вития и были выдвинуты вновь в сражения расположения алек- 1997 г. Вейссом. Так как опыт потронпых спинов при самонрогж- называет, что ферромагнетики в вольном намагничивании (низ- отсутствие внешнего поля могут ления намагниченности в ет- быть и не намагничены, то для дельных доменах (о) объяснения этого кажущегося про- тиворечия Вейсс выдвинул вторую основную гипотезу, согласно которой ферромагнетик разбивается на большое число малых (но макроскопических) областей, или доменов. Каждая из этих областей при температурах ниже температуры Кюри намагничена весьма сильно, но направления намагничивания в отдельных доменах различны, а именно таковы, что полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю (рис.
189 б). Вопрос о физической причине самопроизвольного намагничивания был принципиально разрешен в 1928 г. Я.И. Френкелем и затем Гейзенбергом, которые показали, что сильная ориентировка электронных спинов вызывается силами обменного взаимодействия. Наличие этого нового класса сил, необъяснимого в классической физике, было выяснено лишь с развитием квантовой физики атома. Существование доменов в ферромагнетиках в настоящее время доказано различными опытами.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
