Магнетизм • Джеймс Трефил, энциклопедия «Двести законов мироздания»

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.

Классификация магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики

Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.

Что такое диамагнетики

Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.

Определение 1

Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.

Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρm.

Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:

Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5-10, у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.

Диамагнетики бывают следующих видов:

• классические;
• аномальные;
• сверхпроводники.

Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H→.

Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):

Рисунок 1

Что такое парамагнетики

Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента pm→. Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:

Если направления векторов B→ и pm→ совпадут, то величина энергии будет минимальной.

Определение 2

Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.

Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.

Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.

В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0, и меньше. 

Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0, но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:

• нормальные;
• парамагнитные металлы;
• антиферромагнетики.

Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ≈10-6.

Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M→.

Данный момент стремится к смене угла между pm→ и B→.

Определение 3

При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.

Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:

Рисунок 2

Нужна помощь преподавателя?

Опиши задание — и наши эксперты тебе помогут!

Описать задание

Что такое ферромагнетики

В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.

Определение 4

Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.

Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:

Рисунок 3

Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.

В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.

Пример 1

Условие: на схеме выше (рис. 3) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B(H) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.

Решение

Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.

B→=J→+μ0H→.

Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B(H) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:

Рисунок 4

Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.

Пример 2

Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρmz=ρmL(β).

Здесь L(β)=cth(β)-1β означает функцию Ланжевена при β=ρmBkT.

Решение

Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:

ρmB≪kT,→β≪1.

Значит, если β≪1cthβ=1β+β3-β345+…, можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:

ρmB≪kT,→β≪1.

Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:

ρmz=ρmρmB3kT=ρm2B3kT.

Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1, получим следующее:

ρmz=ρm2μ0h4kT.

В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:

J=nρmz=ρm2μ0h4kTn.

Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора (J=χH), мы можем записать результат:

χ=ρm2м0n3kT.

Ответ: χ=ρm2м0n3kT.

Парамагнетики и диамагнетики

Описание:

Мы взяли сильные неодимовые магниты размером 14×5 мм, пробку, свободно плавающую на воде, и различные вещества (олово, алюминий, сера, уголь, медный купорос, пластик, дерево, мел, медь. ..). Помещая предметы на пробку мы проверяли как они взаимодействуют с магнитным полем нашего магнита.

Зачем исследуемые вещества помещать на плавающую пробку?

Затем, что при этом способе во много раз уменьшается сила трения и теперь даже малейшая сила магнитного притяжения или отталкивания (которую невозможно обнаружить из-за трения в обычных условиях) будет двигать предмет вместе с пробкой по воде.

Опыт очень прост: вещества, которые слабо притягиваются магнитом — парамагнетики, а вещества, которые отталкиваются от магнита — диамагнетики.

Подробнее о том, что же такое пара- и диамагнетики…

Мы знаем, что магнит притягивает железные предметы. Кроме железа, притягиваются также близкие к нему металлы – никель и кобальт. Такие металлы называют ферромагнетиками.

Если нагреть эти металлы до точки Кюри, то они перестают притягиваться к магниту.

Но если быть точным, то они продолжают притягиваться, только в сотни тысяч раз слабее. Эти металлы становятся парамагнетиками. Парамагнетиков достаточно много. Это металлы магний, кальций, алюминий, хром, марганец, газ кислород и многие другие.

Но гораздо больше, оказывается, других веществ – диамагнетиков, которые магнитом… отталкиваются. Правда, это отталкивание диамагнетиков очень слабо, и его заметить трудно.

Еще в 1778 г. малоизвестный ученый Антон Бругманс положил кусочек металла висмута в маленький бумажный кораблик, поставил его на воду и поднес к нему магнит. И вопреки здравому смыслу того времени кораблик стал уплывать от магнита. Этот результат был так необычен, что ученые не стали даже проверять его, а просто не поверили Бругмансу. Слишком велик был авторитет «гения магнетизма всех времен» — Гильберта, утверждавшего, что не может быть тел, отталкивающихся от магнита.

Правда, позже его опыты повторил французский ученый Анри Беккерель (дед знаменитого Анри Беккереля, открывшего радиоактивность урана) и пришел, естественно, к тому же результату. Мало-помалу ученые склонились к мысли, что висмут все-таки отталкивается магнитом, но это исключение из правил.

Мнение, что только три металла – железо, никель и кобальт притягиваются к магниту, а все остальные вещества безразличны к нему, господствовало в науке вплоть до 1845 г. Потому что именно в этом году великий английский ученый Майкл Фарадей (1791—1867) установил, что нет в природе веществ, полностью безразличных к магниту. Фарадей верил, что природные силы едины и магнитные свойства присущи всем существующим в природе веществам.

Чтобы выявить даже ничтожную способность тел притягиваться или отталкиваться магнитом, Фарадей подвешивал эти тела на тонкой длинной нити между полюсами мощного электромагнита. Чем длиннее была нить, тем меньше требовалось силы, чтобы отклонить – притянуть или оттолкнуть – тело. (Каким бы тяжелым ни был груз, хоть в сотни тонн, если он подвешен на длинном канате, рабочие-монтажники легко отклоняют его руками, точно нацеливая на место приземления.)

Таким методом Фарадей проверил тысячи веществ и убедился, что абсолютно все исследуемые тела различным образом, в разной мере, но реагируют на магнитное поле.

• Несколько металлов и сплавов – ферромагнетики – сильно притягиваются магнитом.
• Большее количество веществ, которые Фарадей назвал парамагнетиками, притягиваются,
• а огромное количество веществ – все остальные вещества, кроме ферромагнетиков и парамагнетиков, – отталкиваются магнитом. Их Фарадей назвал диамагнетиками.

Слова «парамагнетики» и «диамагнетики» отличаются приставками «пара» и «диа». Эти приставки по-гречески означают «вдоль» и «поперек». Если взять стерженьки из парамагнетика и диамагнетика, подвесить их на нити или поставить на иглу, и внести в поле между двух полюсов магнита, то поведут они себя по-разному.

Парамагнитный, как и ферромагнитный, стерженек, концы которого притягиваются к полюсам магнита, расположится вдоль силовых линий поля – от полюса к полюсу. Диамагнитный же стерженек, концы которого при приближении к полюсу магнита приобретают ту же полярность, будет стремиться занять такое положение, чтобы концы были подальше от любых полюсов магнита, т. е. перпендикулярно силовым линиям магнитного поля. Отсюда и названия этих магнетиков.

Число диамагнетиков огромно, оно, безусловно, больше списка, который составил Фарадей на основании своих опытов: «Иод, воск, гуммиарабик, слоновая кость, баранина вяленая, говядина вяленая, говядина свежая, кровь свежая, кровь высушенная, хлеб, китайская тушь, берлинский фарфор, шелковичный червь, древесный уголь… этот список можно перечислять очень долго. Даже сам человек – тоже диамагнетик».

 «Если бы можно было подвесить человека на достаточно чувствительный подвес, – писал Фарадей, – и поместить в магнитное поле, то он расположился бы поперек силовых линий, так как все вещества, из которых он составлен, включая кровь, обладают этим свойством».

Чтобы подчеркнуть, насколько всеобъемлющ диамагнетизм, говорят, что все вещества в природе – диамагнетики; как исключение из правила встречаются парамагнетики, и совсем уж редко – ферромагнетики. А ведь все время считалось, что магнитными свойствами обладают только эти «редчайшие» ферромагнетики! 

Классификация магнитных материалов по магнитным свойствам

В зависимости от магнитных свойств материалы разделяют на диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Количественно магнитные свойства материалов принято оценивать по их магнитной восприимчивости λ = М/Н, где М — намагниченность вещества; Н — напряженность магнитного поля.

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых не имеют результирующего магнитного момента при отсутствии внешнего поля. Диамагнитный эффект является результатом воздействия внешнего магнитного поля на молекулярные токи и проявляется в том, что возникает магнитный момент, направленный в сторону, обратную внешнему полю. Таким образом, во внешнем магнитном поле диамагнетики намагничиваются противоположно приложенному полю, т. е. имеют отрицательную магнитную восприимчивость (λ < 0). Диамагнитные вещества выталкиваются из неравномерного магнитного поля, а в равномерном магнитном поле вектор намагниченности диамагнетика стремится расположиться перпендикулярно к направлению поля. Диамагнетизм присущ всем без исключения веществам в твердом, жидком и газообразном состояниях, но проявляется слабо и часто подавляется другими эффектами.

Это вещества, атомы, ионы или молекулы которых имеют результирующий магнитный момент при отсутствии внешнего магнитного поля. Во внешнем магнитном поле парамагнетики намагничиваются согласно с внешним полем, т. е. имеют положительную магнитную восприимчивость (λ > 0). Парамагнитный эффект присущ веществам с нескомпенсированным магнитным моментом атомов при отсутствии у них порядка в ориентации этих моментов. Поэтому, когда нет внешнего магнитного поля, атомные магнитные моменты располагаются хаотически и намагниченность парамагнитного вещества равна нулю. При воздействии внешнего магнитного поля атомные магнитные моменты получают преимущественную ориентацию в направлении этого поля, и у парамагнитного вещества проявляется намагниченность.

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов приобретают преимущественное ориентирование в направлении этого поля и ферромагнитное вещество намагничивается. Ферромагнитные вещества характеризуются большим значением магнитной восприимчивости (>> 1), а также ее нелинейной зависимостью от напряженности магнитного поля и температуры, способностью намагничиваться до насыщения при обычных температурах даже в слабых магнитных полях, гистерезисом — зависимостью магнитных свойств от предшествующего магнитного состояния, точкой Кюри, т. е. температурой, выше которой материал теряет ферромагнитные свойства. К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, их соединения и сплавы, а также некоторые сплавы марганца, серебра, алюминия. Ферромагнитные свойства у вещества могут возникать лишь при достаточно большом значении обменного взаимодействия, что характерно для кристаллов железа, кобальта, никеля и др. Необходимое значение обменного взаимодействия ферромагнетики имеют лишь в твердом состоянии. Этим объясняется отсутствие в природе жидких и газообразных ферромагнетиков. Ферромагнетизм сплавов, целиком состоящих из «парамагнитных» компонентов, объясняется тем, что в этих сплавах, основой которых обычно является марганец или хром, введение в решетку основы атомов висмута, сурьмы, серы и теллура изменяет электронную структуру кристаллов, в результате чего создаются условия для возникновения ферромагнетизма.

Это вещества, в которых магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов равны нулю. При воздействии внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль внешнего поля и антиферромагнитное вещество намагничивается. Антиферромагнитные вещества характеризуются кристаллическим строением, небольшим коэффициентом магнитной восприимчивости (λ = от 10^-3 до 10^-5), постоянством восприимчивости в слабых полях и сложной зависимостью от магнитного поля в сильных полях, специфической зависимостью от температуры, а также температурой точки Нееля, выше которой вещество переходит в парамагнитное состояние. К антиферромагнетикам относятся чистые металлы хром и марганец, редкоземельные металлы цериевой подгруппы: церий, неодим, празеодим самарий и европий. Редкоземельные металлы диспрозий, гольмий и эрбий в зависимости от температуры могут быть антиферромагнетиками или ферромагнетиками. При воздействии на эти металлы, находящиеся в антиферромагнитном состоянии внешнего магнитного поля, превышающего критическое значение, происходит переход антиферромагнитного порядка в ферромагнитный, сопровождающийся скачкообразным появлением намагниченности (М~ 1600 кА/м). Аналогичные превращения можно наблюдать у тулия и тербия.

Это кристаллические вещества, магнитную структуру которых можно представить в виде двух или более подрешеток; магнитные моменты атомов или ионов находятся в состоянии самопроизвольного магнитного упорядочения, причем результирующие магнитные моменты каждого из доменов отличны от нуля.

Магнитные материалы первой группы применяются в электронных элементах, для которых нет особых требований к температурной и временной нестабильности. Определяющими параметрами данной группы материалов являются начальная магнитная проницаемость и тангенс угла магнитных потерь.

Материалы второй группы имеют малые значения относительного температурного коэффициента магнитной проницаемости в рабочем интервале температур и достаточно высокую временную стабильность начальной магнитной проницаемости. Значение магнитной индукции при поле Н = 800 А/м при нормальной (комнатной) температуре составляет 0,25-0,38 Тл.

К третьей группе относятся материалы с высоким значением начальной магнитной проницаемости на низких частотах. При этом повышенные требования к температурному коэффициенту проницаемости не предъявляются.

Для ферритовых материалов четвертой группы характерны малые значения магнитных потерь в сильных электромагнитных полях и высокое значение магнитной индукции при повышенной температуре (до 100-120°С) и подмагничивании.

Пятая группа ферритов характеризуется повышенными значениями импульсной магнитной проницаемости и температурной стабильностью магнитной проницаемости.

К шестой группе относятся ферритовые материалы, которые характеризуются начальной магнитной проницаемостью, коэффициентом амплитудной нестабильности магнитной проницаемости, коэффициентом перестройки по частоте, тангенсом угла магнитных потерь при различных индукциях, низкой начальной проницаемостью.

Особое место занимают ферритовые материалы седьмой группы. Они характеризуются повышенной добротностью как в слабых, так и в сильных электромагнитных полях, малыми линейными искажениями, низкой начальной проницаемостью.

Электричество и магнетизм

В диамагнитных материалах, помещенных во внешнее магнитное поле B₀, возникает внутреннее поле, направленное навстречу намагничивающему полю.

Это связано с тем, что суммарный магнитный момент диамагнитного атома равен нулю. Когда диамагнитное вещество помещают во внешнее магнитное поле, то под действием этого поля возникает прецессия электронных орбит. 

Поскольку электрон в атоме можно уподобить круговому току, характеризуемому магнитным моментом Р_m , во внешнем магнитном поле на магнитный момент  этого кругового тока начинает действовать вращательный момент

под действием этого момента М вектор орбитального момента электрона Р_m начнет прецессировать вокруг направления вектора магнитной индукции B₀, то есть получит дополнительное равномерное вращение, при котором вектор Р_m будет описывать конус вокруг направления B₀ (рис. 7.4).

Рис. 7.4. Прецессия орбитального магнитного момента Р_m электрона

вокруг вектора магнитной индукции B₀ внешнего поля 

Таким образом, вектор Р_m , перпендикулярный к плоскости электронной орбиты, сохраняет неизменный угол a наклона к внешнему полю и вращается вокруг B₀ с некоторой угловой скоростью. Это движение сродни прецессии оси волчка в поле сил тяжести.

Частота этой прецессии

называемая ларморовой частотой, не зависит ни от угла наклона орбиты электрона к вектору B₀, ни от радиуса орбиты или скорости электрона и, следовательно, для всех электронов одинакова. Прецессия электронной орбиты создает дополнительное движение электрона во внешнем магнитном поле B₀. Это движение, как и любое движение зарядов, приводит к возникновению индуцированного магнитного момента, причем в данном случае направленного против поля (рис. 7.5).

Рис. 7.5. Формирование индуцированного магнитного момента, направленного против внешнего магнитного поля

Следовательно,

Молекулы парамагнитного вещества имеют собственное магнитное поле, обусловленное тем, что у парамагнетиков векторная сумма орбитальных и спиновых моментов электронов не равна нулю. В отсутствие внешнего магнитного поля эти магнитные микрополя молекул тепловым движением ориентированы в пространстве хаотически, и поэтому суммарное магнитное макрополе парамагнетика равно нулю. При помещении парамагнитного вещества во внешнее магнитное поле B₀ магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль поля B₀, которая тем больше, чем больше B₀, причем эффект с увеличением температуры уменьшается. В результате суммарное собственное магнитное поле парамагнетика В становится отличным от нуля и направлено вдоль внешнего поля B₀.

Видео 7.2. «Механизм» намагничивания парамагнетиков.

Следовательно, 

Следует отметить, что диамагнитный эффект имеет место для всех веществ без исключения, в том числе и для парамагнетика, однако величина диамагнитного эффекта существенно меньше парамагнитного, и в этом случае его можно не учитывать. 

Если диамагнитный эффект не зависит от температуры вещества, то парамагнитный зависит, поскольку тепловое движение атомов и молекул нарушает преимущественную ориентацию по полю их магнитных моментов во внешнем магнитном поле (рис. 7.6).

Диамагнетики и парамагнетики в магнитном поле

Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.

Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Опыт показывает, что вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Целесообразно будет рассмотреть понятие магнитной проницаемости. Отношение индукции В магнитного поля в веществе к индукции В₀ в вакууме называется магнитной проницаемостью и обозначается буквой µ:

µ =В/В_0.

Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнитной проницаемостью µ = 0,999826.

Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ < 1).

Для понимания природы диамагнетизма рассмотрим движение электрона, который влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору В магнитного поля.

Под действием силы Лоренца электрон станет двигаться по окружности, направление его вращения определяется направлением вектора силы Лоренца. Возникший круговой ток создаёт своё магнитное поле В’. Это магнитное поле В’ направлено противоположно магнитному полю В. Следовательно, любое вещество, содержащее свободно движущиеся заряженные частицы, должно обладать диамагнитными свойствами.

Хотя в атомах вещества электроны не свободны, изменение их движения внутри атомов под действием внешнего магнитного поля оказывается эквивалентным круговому движению свободных электронов. Поэтому любое вещество в магнитном поле обязательно обладает диамагнитными свойствами.

Однако диамагнитные эффекты очень слабы и обнаруживаются только  у веществ, атомы или молекулы которых не обладают собственным магнитным полем.

Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).

Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1, 00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля.

Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.).

Остались вопросы? Хотите знать больше о магнитных полях?
Чтобы получить помощь репетитора – зарегистрируйтесь.
Первый урок – бесплатно!

Зарегистрироваться

© blog.tutoronline.ru,
при полном или частичном копировании материала ссылка на первоисточник обязательна.

Левитация стала безопасней — CNews

20.05.2005, Пт, 20:05, Мск

Разработанная британскими учеными технология не только делает «левитацию» даже сверхплотных веществ возможной, но и открывает перспективу промышленного ее использования при обогащении, например, золотоносных руд.

В основе нового метода – использование магнитных свойств веществ. По этому параметру их можно разделить на три класса – ферромагнетики, пара- и диамагнетики. Ферромагнетики обладают магнитными свойствами, пара- и диамагнетики – нет. При этом парамагнетики слабо притягиваются магнитным полем, диамагнетики – наоборот, слабо отталкиваются им.

Благодаря этому свойству диамагнетиков они могут «летать» в воздухе (точнее, в магнитном поле). Существуют лабораторные установки, в которых легкие вещества поднимаются в воздух и парят над магнитным контуром. Заставить левитировать более плотные вещества можно, наполнив камеру установки ферромагнитной или парамагнитной жидкостью, которая притягивается к магниту, в то время как диамагнитные материалы плавают на ее поверхности. Ученые предлагают использовать это явление для разделения полезных ископаемых и других пород. Тем не менее, применение такой техники в промышленном масштабе сопряжено с большим риском – основанием для ферромагнитных жидкостей являются высокотоксичные вещества. А жидкий водород – парамагнетик, используемое в ракетных двигателях обычно в качестве топлива, представляет собой легковоспламеняющееся, взрывоопасное вещество.

Как сообщает New Scientist, ученые из Ноттингемского университета в Великобритании предложили использовать смесь жидкого азота и кислорода при температуре минус 180 градусов Цельсия. После серии экспериментов они пришли к выводу о том, что оптимальный результат дает соотношение 80% азота и 20% кислорода — то есть фактически «жидкий воздух», поскольку в обычном воздухе эти элементы присутствуют в близкой пропорции. Такая смесь способна сделать плавучим материалом осмий, у которого наибольшая плотность. При этом, в отличие от токсичных ферромагнетиков, эта смесь испаряется без вреда окружающей среде, превращаясь фактически в обычный воздух. «Трудно придумать нечто более совершенное в экологическом плане, чем если воздух смешивается с воздухом», — заявляет автор изобретения Лоренс Ивз (Laurence Eaves).

Между тем, Руслан Прозоров, российский ученый, работающий в американском университете штата Северная Каролина, призывает не терять бдительность – возможность взрыва сохраняется в том случае, если жидкий водород и азот недостаточно хорошо перемешаны и где-то произойдет утечка, что достаточно часто может случаться в производственных условиях, полагает он. Кроме того, не исключается вероятность накопления жидкого кислорода в одной области емкости уже в конце технологического процесса. В этом случае вместо экологически чистого производства выйдет самая настоящая бомба.

Тем не менее, многие ученые считаю эту идею чрезвычайно плодотворной. В настоящий момент г-н Ивз и его коллеги используют для экспериментов суперпроводящий магнит шириной в 5 см. Они добились того, что поднимают в воздух золотую монету. В ближайшем будущем станет возможным пятикратно увеличить размер установки и усовершенствовать метод, используя для фильтрации, помимо левитации еще и вибрацию. Раздробленная на мелкие фракции руда, содержащая ценные минералы, будет подбрасываться в воздух над магнитом, после чего, в зависимости от их плотности и магнитных свойств, минералы будут раздельно опускаться на вибрирующую поверхность, которая осуществляет окончательную сортировку.

Диамагнетизм и парамагнетизм | Введение в химию

Цель обучения

• Отличить диамагнетик от парамагнитных атомов.

Ключевые моменты

• Каждый раз, когда два электрона имеют одну и ту же орбиталь, их спиновые квантовые числа должны быть разными. Когда два электрона объединяются в пары на орбитали или их общий спин равен 0, они являются диамагнитными электронами. Атомы со всеми диамагнитными электронами называются диамагнитными атомами.
• Парамагнитный электрон — это неспаренный электрон. Атом считается парамагнитным, если даже одна орбиталь имеет чистый спин. У атома может быть десять диамагнитных электронов, но пока у него есть один парамагнитный электрон, он по-прежнему считается парамагнитным атомом.
• Диамагнитные атомы отталкивают магнитные поля. Непарные электроны парамагнитных атомов перестраиваются в ответ на внешние магнитные поля и поэтому притягиваются. Парамагнетики не сохраняют намагниченность в отсутствие магнитного поля, поскольку тепловая энергия хаотизирует ориентацию спина электронов.

Условия

• парамагнитные материалы, которые притягиваются внешним магнитным полем и образуют внутренние индуцированные магнитные поля в направлении приложенного магнитного поля.
• диамагнетик — материалы, которые создают индуцированное магнитное поле в направлении, противоположном приложенному извне магнитному полю, и поэтому отталкиваются приложенным магнитным полем.
• лантаноид Любой из 14 редкоземельных элементов от церия (или лантана) до лютеция в периодической таблице.Поскольку их внешние орбитали пусты, у них очень похожий химический состав. Под ними — актиниды.
• квантовое число — одно из определенных целых или полуцелых чисел, которые определяют состояние квантово-механической системы (например, электрона в атоме).
• MRIM Магнитно-резонансная томография, метод медицинской визуализации, используемый в радиологии для исследования анатомии и физиологии тела как при его здоровье, так и при болезни.

Диамагнетизм

Каждый раз, когда два электрона имеют одну и ту же орбиталь, их спиновые квантовые числа должны быть разными.Другими словами, один из электронов должен иметь «спин вверх» с [latex] m_s = + \ frac {1} {2} [/ latex], а другой электрон должен иметь «спин вниз» с [ латекс] m_s = — \ frac {1} {2} [/ latex]. Это важно, когда дело доходит до определения полного спина электронной орбитали. Чтобы решить, сокращаются ли спины электронов, сложите их спиновые квантовые числа. Когда два электрона объединяются в пары на орбитали или их общий спин равен 0, они называются диамагнитными электронами.

Думайте о вращении как по часовой стрелке, так и против часовой стрелки.Если одно вращение вращается по часовой стрелке, а другое — против часовой стрелки, то два направления вращения уравновешивают друг друга и не остается никакого вращения. Обратите внимание, что все это означает с точки зрения электронов, разделяющих орбиталь: поскольку электроны на одной и той же орбитали всегда имеют противоположные значения для своих квантовых чисел спина (m _s ), они всегда в конечном итоге компенсируют друг друга. Другими словами, на орбитали, содержащей два электрона, нет остатков спина.

Спин электрона очень важен для определения магнитных свойств атома.Если все электроны в атоме спарены и делят свою орбиталь с другим электроном, то полный спин на каждой орбитали равен нулю, и атом является диамагнитным. Диамагнитные атомы не притягиваются к магнитному полю, а скорее слегка отталкиваются.

Диамагнитная левитация Небольшой (~ 6 мм) кусок пиролитического графита (материала, похожего на графит), парящий над массивом постоянных золотых магнитов (5-миллиметровые кубы на куске стали). Обратите внимание, что полюса магнитов выровнены по вертикали и чередуются (два с севером вверх и два с югом вверх по диагонали).

Парамагнетизм

Электроны, которые находятся на одной орбите в одиночку, называются парамагнитными электронами. Помните, что если электрон находится один на орбитали, орбиталь имеет чистый спин, потому что спин одиночного электрона не компенсируется. Если даже одна орбиталь имеет чистый спин, весь атом будет иметь чистый спин. Следовательно, атом считается парамагнитным, если он содержит хотя бы один парамагнитный электрон. Другими словами, у атома может быть 10 спаренных (диамагнитных) электронов, но до тех пор, пока у него есть один неспаренный (парамагнитный) электрон, он по-прежнему считается парамагнитным атомом.

Так же, как диамагнитные атомы слегка отталкиваются от магнитного поля, парамагнитные атомы слегка притягиваются к магнитному полю. Парамагнитные свойства обусловлены перестройкой траектории электронов, вызванной внешним магнитным полем. Парамагнетики не сохраняют никакой намагниченности в отсутствие приложенного извне магнитного поля, поскольку тепловое движение рандомизирует ориентацию спина. Более сильные магнитные эффекты обычно наблюдаются только при участии d- или f-электронов.Величина магнитного момента атома лантаноида может быть довольно большой, так как он может переносить до семи неспаренных электронов в случае гадолиния (III) (отсюда его использование в МРТ).

Показать источники

Boundless проверяет и курирует высококачественный контент с открытой лицензией из Интернета. Этот конкретный ресурс использовал следующие источники:

Магнитные свойства — Химия LibreTexts

Магнитный момент системы измеряет силу и направление ее магнетизма.Сам термин обычно относится к магнитному дипольному моменту. Все, что является магнитным, например стержневой магнит или петля электрического тока, обладает магнитным моментом. Магнитный момент — это векторная величина, имеющая величину и направление. Электрон обладает магнитным дипольным моментом электрона, порожденным внутренним свойством спина электрона, что делает его движущимся электрическим зарядом. Есть много различных магнитных свойств, включая парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Интересной характеристикой переходных металлов является их способность образовывать магниты.Комплексы металлов, которые имеют неспаренные электроны, являются магнитными. Поскольку последние электроны находятся на d-орбиталях, этот магнетизм должен быть связан с наличием неспаренных d-электронов. Спин отдельного электрона обозначается квантовым числом \ (m_s \) как + (1/2) или — (1/2). Этот спин отменяется, когда электрон спарен с другим, но создает слабое магнитное поле, когда электрон не спарен. Более неспаренные электроны усиливают парамагнитные эффекты. Электронная конфигурация переходного металла (d-блок) изменяется в координационном соединении; это происходит из-за сил отталкивания между электронами в лигандах и электронами в соединении.В зависимости от силы лиганда соединение может быть парамагнитным или диамагнитным.

Ферромагнетизм (постоянный магнит)

Ферромагнетизм — это основной механизм, с помощью которого определенные материалы (например, железо) образуют постоянные магниты . Это означает, что соединение проявляет постоянные магнитные свойства, а не проявляет их только в присутствии внешнего магнитного поля (рис. \ (\ PageIndex {1} \)). В ферромагнитном элементе электроны атомов сгруппированы в домены, в которых каждый домен имеет одинаковый заряд.В присутствии магнитного поля эти домены выстраиваются так, что заряды параллельны по всему соединению. Может ли соединение быть ферромагнитным или нет, зависит от количества неспаренных электронов и размера его атома.

Рисунок \ (\ PageIndex {1} \): Ферромагнетизм (а) немагнитный материал и (2) намагниченный материал с соответствующими магнитными полями.

Ферромагнетизм, постоянный магнетизм, связанный с никелем, кобальтом и железом, — обычное явление в повседневной жизни.Примеры знания и применения ферромагнетизма включают обсуждение Аристотеля в 625 г. до н.э., использование компаса в 1187 г. и современный холодильник. Эйнштейн продемонстрировал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны в его специальной теории относительности.

Парамагнетизм (притяжение к магнитному полю)

Парамагнетизм относится к магнитному состоянию атома с одним или несколькими неспаренными электронами. Непарные электроны притягиваются магнитным полем из-за магнитных дипольных моментов электронов.Правило Хунда гласит, что электроны должны занять каждую орбиталь по отдельности, прежде чем любая орбиталь будет занята дважды. Это может привести к тому, что в атоме останется много неспаренных электронов. Поскольку неспаренные электроны могут вращаться в любом направлении, они проявляют магнитные моменты в любом направлении. Эта способность позволяет парамагнитным атомам притягиваться к магнитным полям. Двухатомный кислород, \ (O_2 \), является хорошим примером парамагнетизма (описанного с помощью теории молекулярных орбиталей). На следующем видео показан жидкий кислород, притягиваемый магнитным полем, созданным сильным магнитом:

Видео \ (\ PageIndex {1} \): Парамагнетизм жидкого кислорода

Диамагнетизм (отраженный магнитным полем)

Как показано на видео, молекулярный кислород (\ (O_2 \) парамагнитен и притягивается к парамагнетику и притягивается к магниту.Напротив, молекулярный азот \ (N_2 \) не имеет неспаренных электронов и является диамагнитным; поэтому на него не действует магнит. Диамагнитные вещества характеризуются парными электронами, например, отсутствием неспаренных электронов. Согласно принципу исключения Паули, который гласит, что никакие два электрона не могут находиться в одном и том же квантовом состоянии одновременно, спины электронов ориентированы в противоположных направлениях. Это приводит к нейтрализации магнитных полей электронов; таким образом, нет чистого магнитного момента, и атом не может быть притянут в магнитное поле.Фактически, диамагнитные вещества слабо отталкиваются магнитным полем, как показано на листе пиролитического углерода на рисунке \ (\ PageIndex {2} \).

Рисунок \ (\ PageIndex {2} \): Левитирующий пиролитический углерод: небольшой (~ 6 мм) кусок пиролитического графита, парящий над массивом постоянных неодимовых магнитов (5-миллиметровые кубы на куске стали). Обратите внимание, что полюса магнитов выровнены по вертикали и чередуются (два с севером вверх и два с югом вверх по диагонали).из Википедии.

Как определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Магнитные свойства вещества можно определить, исследуя его электронную конфигурацию: если в нем есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно, а если все электроны спарены, то вещество диамагнитно. Этот процесс можно разбить на три этапа:

1. Запишите конфигурацию электроники
2. Нарисуйте валентные орбитали
3. Определить, существуют ли неспаренные электроны
4. Определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Пример \ (\ PageIndex {1} \): атомы хлора

Шаг 1. Найдите электронную конфигурацию

Для атомов Cl электронная конфигурация 3s ² 3p ⁵

Шаг 2. Изобразите валентные орбитали

Игнорируйте остовные электроны и сосредоточьтесь только на валентных электронах.

Шаг 3: Ищите неспаренные электроны

Есть один неспаренный электрон.

Шаг 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Поскольку существует неспаренный электрон, атомы Cl парамагнитны (хотя и слабо).

Пример \ (\ PageIndex {2} \): атомы цинка

Шаг 1. Найдите электронную конфигурацию

Для атомов Zn электронная конфигурация 4s ² 3d ¹⁰

Шаг 2. Изобразите валентные орбитали

Шаг 3: Ищите неспаренные электроны

Нет неспаренных электронов.

Шаг 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Поскольку неспаренных электронов нет, атомы Zn диамагнитны.

Упражнение \ (\ PageIndex {1} \)

1. Сколько неспаренных электронов содержится в атомах кислорода?
2. Сколько неспаренных электронов находится в атомах брома?
3. Укажите, являются ли атомы бора парамагнитными или диамагнитными.
4. Укажите, являются ли ионы F ^– парамагнитными или диамагнитными.
5. Укажите, являются ли ионы Fe ^{2 +} парамагнитными или диамагнитными.

Ответ (а):

Атом O имеет электронную конфигурацию 2s ² 2p ⁴ . Следовательно, O имеет 2 неспаренных электрона.

Ответ (б):

Атом Br имеет электронную конфигурацию 4s ² 3d ¹⁰ 4p ⁵ . Следовательно, Br имеет 1 неспаренный электрон.

Ответ (с):

Атом B имеет 2s ² 2p ¹ в качестве электронной конфигурации. Поскольку он имеет один неспаренный электрон, он парамагнитен.

Ответ (д):

Ион F ^— имеет 2s ² 2p ⁶ имеет электронную конфигурацию. Поскольку в нем нет неспаренных электронов, он диамагнитен.

Ответ (д):

Ион Fe ^{2 +} имеет 3d ⁶ имеет электронную конфигурацию.Поскольку он имеет 4 неспаренных электрона, он парамагнитен.

электромагнетизм — Почему нельзя намагничивать диамагнитные и парамагнитные материалы?

Прежде чем перейти к классификации магнитных материалов, давайте посмотрим, как магнитные свойства вводятся в материал.

Вы, должно быть, узнали, что магнетизм вызывается движением зарядов (или током). Вся материя состоит из атомов. Атомы содержат массивное ядро, называемое ядром, и вращающиеся электроны, окружающие ядро.Электроны — это заряды. Они вращаются вокруг ядра по круговой (приблизительной) форме. Это похоже на заряд, непрерывно циркулирующий по круговой проволочной петле. Это можно увидеть как ток, текущий по круговой орбите. Мы знаем, что магнитное поле, создаваемое круглой катушкой, идентично магнитному диполю (гипотеза Ампера о круговой токовой петле), как показано ниже.

Таким образом, вращающиеся электроны создают магнитное поле.Кроме того, есть еще один эффект, влияющий на магнитные эффекты, — спин электрона. Следующим возможным источником является ядерный спин, которым в большинстве случаев обычно можно пренебречь.

Теперь движение электрона связано с его угловым моментом. Таким образом, мы связываем угловой момент электрона (как из-за орбитального, так и спинового движения) с магнитными эффектами, которые он мог бы произвести. Угловой момент показывает, насколько быстро электрон вращается вокруг ядра. Это напрямую связано с током, потому что чем быстрее электрон вращается, тем больше раз мы можем заметить электрон в какой-то точке орбиты за секунду, а это значит, что ток будет больше.Чем больше ток, тем больше будет магнитный момент атомного диполя. Вроде мудрого для спина.

Теперь, для тех атомов, которые имеют спаренные электроны в валентной оболочке, противоположное движение двух электронов нейтрализует их суммарный магнитный момент. Таким образом, мы не можем увидеть никаких свойств намагничивания таких материалов. Но некоторые материалы обладают таким внутренним свойством, что их отдельные магнитные диполи ориентируются определенным образом, так что генерируемое магнитное поле противодействует приложенному полю.Вот что происходит с диамагнитным материалом. Скажем так, все материалы в какой-то степени диамагнитны. Совершенные диамагнитные свойства демонстрируют сверхпроводящие материалы.

Некоторые из них имеют неспаренные электроны во внешней оболочке. Таким образом, нет никакого способа нейтрализовать чистый магнитный диполь, связанный с отдельным атомом. Но в отсутствие магнитного поля эти отдельные диполи будут ориентированы в случайных направлениях. При приложении внешнего поля эти диполи выравниваются в направлении приложенного поля.Это означает, что в этих материалах возникает положительная намагниченность. Это так называемые парамагнитные материалы.

Что касается ферромагнетиков, то они демонстрируют эффекты постоянного намагничивания. Это потому, что атомные диполи в ферромагнитных материалах объясняются не рассмотрением отдельных диполей, а использованием концепции доменов. В материале есть определенные области, в которых намагниченность имеет однородное направление. Вы можете сгруппировать этот регион как домен. Это означает, что отдельные магнитные моменты атомов выровнены друг с другом и указывают в одном направлении в определенной области материала.Таким образом, без приложенного извне поля не будет намагничивания, поскольку отдельные домены будут расположены случайным образом. Но в присутствии внешнего поля эти домены выравниваются в направлении поля, что приводит к сильной намагниченности. Теперь, даже если отключить поле, намагниченность сохраняется.

Существуют также другие материалы, которые проявляют магнитные эффекты на основе доменов — ферримагнетик и антиферромагнетик.

электромагнетизм — Почему одни материалы диамагнитны, другие парамагнитны, а другие ферромагнитны?

Есть несколько хороших практических правил для пара- и диамагнетизма.

Система является парамагнитной, если у нее есть чистый магнитный момент, потому что у нее есть электроны с одинаковыми (параллельными) спинами. Их часто называют триплетными (или более высокими) состояниями. В атомах и молекулах они возникают, когда самая высокая занятая атомная / молекулярная орбиталь не заполнена (вырождение> 2 * # валентных электронов). В этом случае правила Хунда предполагают, что электроны понижают свою энергию, выравнивая свои спины.

Напротив, диамагнетик не имеет магнитного момента, потому что все электроны спарены.

Почти все свободные атомы парамагнитны, потому что почти все атомы имеют неспаренные спины. Исключения составляют последний столбец блока s, p, d и f (2, 12 и 18). (Что-нибудь, что мне не хватает?) Например, это важное свойство для экспериментов Штерна-Герлаха и магнитных ловушек.

Однако у большинства молекул спины полностью спарены. Во-первых, большинство молекул имеют четное число спинов, за исключением свободных радикалов, которые относительно нестабильны. Чтобы выяснить, имеет ли молекула чистый магнитный момент (парамагнитный) или нет (диамагнитный), вам нужно посмотреть на ее молекулярные орбитали.\ ast $ orbital. См. Http://www.mpcfaculty.net/mark_bishop/molecular_orbital_theory.htm.

Для кристаллов и твердотельных материалов вопрос более сложный, но в конечном итоге он сводится к тому же вопросу: существует ли чистый магнитный момент из-за неспаренных спинов, и в этом случае он парамагнитный? или нет чистого магнитного момента, потому что все спины парные, и в этом случае это диамагнетик?

Конечно, в твердотельном состоянии есть и третья ситуация — ферромагнетик.В реальных системах это довольно сложно предсказать, и это основная область исследований. Некоторые модельные системы (модельная система: гораздо более простая математическая модель системы) разрешимы и дают подсказки о том, что искать. Например, свободные вращения в решетке создают парамагнетик по приведенному выше аргументу: кристалл имеет чистый магнитный момент. Вы ожидаете, что в магнитном поле спин одного электрона создает магнитное поле, которое может влиять на его соседей. Поскольку система парамагнитна, можно ожидать, что соседи выровняются с их локальным магнитным полем, которое индуцируется их соседями, и весь кристалл поляризуется сам, создавая ферромагнетик.Это объяснение представляет собой модель Изинга среднего поля . Это дает хорошую интуицию, даже несмотря на то, что описать любую реальную систему слишком просто.

Разница между диамагнетизмом, парамагнетизмом и ферромагнетизмом • Усовершенствованный источник магнитов

Чтобы классифицировать материалы как магнитные или немагнитные, необходимо определить, действуют ли силы на материал, когда материал помещается в магнитное поле. Если стержень из любого материала подвешен в магнитном поле, он либо повернется под прямым углом к ​​полю, либо выровняется с ним.магнитное поле. Если стержень из любого материала подвешен в магнитном поле, он либо повернется под прямым углом к ​​полю, либо выровняется с ним.

Диамагнитный материал

Материал, который поворачивается под прямым углом к ​​полю, создавая магнитный отклик, противоположный приложенному полю, называется диамагнитным материалом, такой как серебро, медь и углерод, имеют проницаемость немного меньше, чем свободное пространство (для меди μ _r = 0,9999980).

Парамагнитный материал

Материал, выравнивающийся по приложенному полю, называется парамагнитным материалом.Парамагнитные материалы, такие как алюминий и воздух, имеют проницаемость немного больше, чем проницаемость свободного пространства (для воздуха μ _r = 1.0000004). Эффекты диамагнетизма и парамагнетизма ничтожно малы, поэтому материалы, обладающие этими слабыми явлениями, считаются немагнитными.

Ферромагнитный материал

В парамагнитном классе материалов есть особая классификация материалов, называемых ферромагнитными материалами. Эти материалы сильно притягиваются к магнитам и проявляют феноменальный парамагнетизм.Ферромагнитные материалы, такие как железо, сталь, кобальт и их сплавы, имеют относительную проницаемость, исчисляемую сотнями и тысячами, и считаются магнитными.

Магнитные свойства вещества связаны со вращательным движением электронов в третьей оболочке атомной структуры.

Электрон, вращающийся по орбите вокруг ядра атома, эквивалентен крошечной токовой петле, которая порождает магнитное поле. Кроме того, магнитное поле связано с угловым моментом спина электронов вокруг собственной оси.

В большинстве атомов орбитальный и спиновой угловой момент имеют тенденцию компенсировать друг друга за счет образования пар. Например, электрон, вращающийся по часовой стрелке, может соединиться с электроном, вращающимся против часовой стрелки. Тогда их общий импульс и магнетизм равны нулю. Вариации этого электронного спаривания объясняют слабый магнетизм немагнитных материалов. Диамагнетизм возникает из-за дисбаланса орбитального спаривания электронов, тогда как парамагнетизм возникает из-за дисбаланса спинового спаривания электронов.

СВОЙСТВА	ФЕРРОМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ	ПАРАМАГНИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ	ДИАМАГНИТНЫЙ
Государство	Они твердые.	Они могут быть твердыми, жидкими или газообразными.	Они могут быть твердыми, жидкими или газообразными.
Влияние магнита	Сильно притягивается магнитом.	Слабо притягивается магнитом.	Слабо отталкивается магнитом.
Поведение в неоднородном поле	имеют тенденцию перемещаться из области низкого поля в область высокого поля.	имеют тенденцию перемещаться из области низкого поля в область высокого поля.	имеют тенденцию перемещаться из области высоких значений в область низких.
Поведение во внешнем поле	Они сохраняют магнитные свойства после снятия внешнего поля.	Они не сохраняют магнитные свойства после удаления внешнего поля.	Они не сохраняют магнитные свойства после удаления внешнего поля.
Влияние температуры	Выше точки Кюри становится парамагнетиком.	При повышении температуры он становится диамагнитным.	Без эффекта.
Проницаемость	Очень высокий	Немного больше единицы	Немного меньше единицы
Восприимчивость	Очень высокий и положительный	Немного больше единицы и положительный	Немного меньше единицы и отрицательное значение
Примеры	Железо, никель, кобальт	Литий, тантал, магний	Медь, серебро, золото

Первоисточник

Парамагнетизм и диамагнетизм

Парамагнетизм

Парамагнетизм — это форма магнетизма, при которой парамагнитный материал притягивается только в присутствии внешнего магнитного поля.Парамагнитные материалы имеют относительную магнитную проницаемость, большую или равную единице (то есть положительную магнитную восприимчивость), и, следовательно, притягиваются к магнитным полям. Магнитный момент, индуцированный приложенным полем, линейно зависит от напряженности поля; он тоже слабоват.

Составляющие атомы или молекулы парамагнитных материалов обладают постоянными магнитными моментами (диполями) даже в отсутствие приложенного поля. Как правило, постоянный момент вызван вращением неспаренных электронов на атомных или молекулярных электронных орбиталях.В чистом парамагнетизме диполи не взаимодействуют друг с другом и ориентированы случайным образом в отсутствие внешнего поля из-за теплового возбуждения; это приводит к нулевому чистому магнитному моменту. При приложении магнитного поля диполи будут стремиться выровняться с приложенным полем, в результате чего возникает чистый магнитный момент в направлении приложенного поля.

Парамагнетики обладают небольшой положительной восприимчивостью к магнитным полям. Эти материалы слегка притягиваются магнитным полем, и материал не сохраняет магнитные свойства при удалении внешнего поля, как показано на рис.Парамагнитные свойства обусловлены наличием некоторых неспаренных электронов и перестройкой траекторий электронов, вызванной внешним магнитным полем.

Парамагнитные материалы и электрические поля

Ориентация в парамагнитном материале при приложении электрического поля (правое изображение) и его удалении (левое изображение).

Парамагнитные материалы включают магний, молибден, литий и тантал. В отличие от ферромагнетиков, парамагнетики не сохраняют никакой намагниченности в отсутствие приложенного извне магнитного поля, потому что тепловое движение рандомизирует ориентации спинов, ответственные за магнетизм.Некоторые парамагнитные материалы сохраняют спиновой беспорядок при абсолютном нуле (то есть они парамагнитны в основном состоянии). Таким образом, при снятии приложенного поля общая намагниченность падает до нуля. Даже в присутствии поля существует лишь небольшая наведенная намагниченность, потому что только небольшая часть спинов будет ориентирована полем.

Диамагнетизм

Диамагнетизм — это свойство объекта или материала, которое заставляет его создавать магнитное поле в противовес приложенному извне магнитному полю.Таким образом, в отличие от парамагнетиков, диамагнетики отталкиваются магнитными полями, что может привести к его необычным эффектам, таким как левитация диамагнитного материала, когда он расположен над мощным магнитом (как показано на рисунке).

Левитирующий углерод

Пиролитический углерод, парящий над постоянными магнитами

Диамагнетизм, в большей или меньшей степени, является свойством всех материалов и всегда вносит слабый вклад в реакцию материала на магнитное поле.Однако для материалов, которые проявляют какую-либо другую форму магнетизма (например, ферромагнетизм или парамагнетизм), диамагнитный вклад становится незначительным. Кроме того, все проводники проявляют эффективный диамагнетизм при воздействии изменяющегося магнитного поля. Например, сила Лоренца, действующая на электроны, заставляет их циркулировать вокруг, образуя вихревые токи. Затем вихревые токи создают индуцированное магнитное поле, противоположное приложенному полю, препятствующее движению проводника.

Магнитные свойства твердых тел

Материалы можно классифицировать по их реакции на внешние магнитные поля как диамагнитные, парамагнитные или ферромагнитные.Эти магнитные отклики сильно различаются по силе. Диамагнетизм является свойством всех материалов и противостоит приложенным магнитным полям, но очень слаб. Парамагнетизм, если он присутствует, сильнее диамагнетизма и создает намагниченность в направлении приложенного поля, пропорциональную приложенному полю. Ферромагнитные эффекты очень велики, производя намагниченность иногда на несколько порядков больше, чем приложенное поле, и, как таковые, они намного больше, чем диамагнитные или парамагнитные эффекты.

Намагниченность материала выражается через плотность суммарных магнитных дипольных моментов μ в материале. Мы определяем векторную величину, называемую намагниченностью M, как

.
M = μ _всего / В.

Тогда полное магнитное поле B в материале равно

.
B = B ₀ + μ ₀ M

, где μ ₀ — магнитная проницаемость пространства, а B ₀ — внешнее магнитное поле. Когда магнитные поля внутри материалов рассчитываются с использованием закона Ампера или закона Био-Савара, тогда μ ₀ в этих уравнениях обычно заменяется просто μ с определением

.
μ = K _м μ ₀

, где K _м называется относительной проницаемостью.Если материал не реагирует на внешнее магнитное поле, создавая какую-либо намагниченность, тогда K _m = 1. Другой обычно используемой магнитной величиной является магнитная восприимчивость, которая указывает, насколько относительная проницаемость отличается от единицы.

Магнитная восприимчивость χ _м = K _м — 1

Для парамагнитных и диамагнитных материалов относительная проницаемость очень близка к 1, а магнитная восприимчивость очень близка к нулю. Для ферромагнитных материалов эти количества могут быть очень большими.

Другой способ справиться с магнитными полями, возникающими в результате намагничивания материалов, — это ввести величину, называемую напряженностью магнитного поля H. Его можно определить соотношением

H = B ₀ / μ ₀ = B / μ ₀ — M

и имеет значение однозначного определения управляющего магнитного воздействия от внешних токов в материале, независимо от магнитного отклика материала. Связь для B выше может быть записана в эквивалентной форме

B = μ ₀ (H + M)

H и M будут иметь одинаковые единицы измерения ампер / метр.

Ферромагнитные материалы претерпевают небольшие механические изменения при приложении магнитных полей, слегка расширяясь или сжимаясь.