Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

2.При наличии внешнего магнитного поля намагниченность зависит от напряженности этого поля.

3.У диамагнитных веществ намагниченность имеет отрица­ тельное значение, у других веществ она положительна.

4. У диамагнитных и парамагнитных веществ намагничен­ ность пропорциональна приложенной намагничивающей силе.

5. У других веществ намагниченность является некоторой функцией приложенной силы, действующей согласованно с ло­ кальными силами, упорядочивающими ориентации магнетонов. Намагниченность ферромагнитного вещества представляет собой сложную функцию, которую можно с наибольшей точностью описать при помощи петли гистерезиса, изображенной на рис. 4.2.

6. Намагниченность любого вещества можно представить

ввиде величины магнитного момента на единицу объема.

3.11.УПОРЯДОЧЕНИЕ ОРИЕНТАЦИЙ МАГНЕТОНОВ В ПРИЛОЖЕННОМ ПОЛЕ

Парамагнетизмом называют явление усиления приложенного внешнего магнитного поля за счет поворота в направлении этого поля отдельных магнетонов, ориентация которых не подвержена влиянию каких-либо иных сил. Внешнее поле может воздейство­ вать на отдельные магнетоны вследствие того, что их поля не компенсируются в локальных областях атомных размеров, а ориентация их осей не изменяется под воздействием локальных полей.

Магнетоны большинства веществ упорядочивают ориентации под влиянием локальных полей при температурах ниже неко­ торого критического значения. В таком состоянии вещество не является парамагнитным. При температурах выше этого крити­ ческого значения магнетоны имеют обычное случайное распре­ деление ориентаций. Это иллюстрируется на рис. 3.3, где в каж ­ дом элементарном объеме вещества оси магнетонов ориентиро­ ваны во всевозможных направлениях без какой-либо видимой упорядоченности ориентаций. Тепловое движение частиц стре­ мится поддерживать это случайное распределение ориентаций в динамическом режиме, если отсутствуют какие-либо другие силы. В этих условиях магнетоны легко восприимчивы к явле­ нию парамагнетизма. Как показано на рис. 3.4, внешнее магнит­ ное поле оказывает влияние на некоторые из этих некогерентно направленных магнетонов, заставляя их выстраиваться в на­ правлении, совпадающем с направлением приложенного поля.

Вследствие того что парамагнитные магнетоны ориентиру­ ются в направлении приложенного поля, парамагнитные вещест­ ва обусловливают усиление магнитного поля, в которое они помещены. Такое упорядочение ориентаций магнетонов про­ исходит независимо от ориентации данного тела относительно внешнего поля.

Если тело из парамагнитного вещества находится в магнит­ ном поле с пространственным градиентом, то не только наблю­ дается увеличение напряженности поля за счет парамагнитного эффекта, но также возникает внешняя сила, приложенная к этому телу. Как показано на рис. 2.6, эта сила стремится пере­ местить тело из области относительно слабого магнитного поля в область, где магнитное поле сильнее. Сила, действующая на тело, зависит от направления градиента поля, но не зависит от полярности поля.

Все вещества обладают диамагнитными свойствами, а не­ которые из них являются также парамагнетиками. Орбитальный диамагнетизм порождает слабый отрицательный эффект, тогда как парамагнетизм Ланжевена — сильный положительный эф­ фект. Орбитальный диамагнетизм мало зависит от изменений температуры, так как орбитальные электроны прочно удержи­ вают свои траектории в соответствии с квантовыми правилами, причем тепловые силы не могут изменить эти правила.

Парамагнетизм, обусловленный магнетонами Паули или ВанФлека, также слабо подвержен влиянию температуры, поскольку популяции таких магнетонов обычно очень малочисленны, и про­ цесс упорядочения их ориентаций достигает насыщения при малых интенсивностях поля. Кроме того, эти популяции не испытывают существенных изменений в широком температурном диапазоне. Хотя некоторая изменчивость парамагнитных свойств наблюдается, она очень мала.

В то же время парамагнетизм Ланжевена чувствителен к температуре вещества. Популяции магнетонов Ланжевена очень велики, и насыщение процесса упорядочения ориентаций может быть достигнуто только под действием слишком сильных магнит­ ных полей, обычно не встречающихся в природе. В этом случае тепловое движение, стремящееся хаотизировать ориентации маг­ нетонов, имеет интенсивность такого же порядка, как и силы приложенных извне полей, стремящихся упорядочить эти ори­ ентации. Таким образом, чем сильнее приложенное поле, тем в большей степени упорядочиваются ориентации магнетонов, и чем выше температура, тем более случайным является распре­ деление этих ориентаций. Это соотношение описывается следу­ ющим законом Кюри — Вейсса:

температура; Тс — точка Кюри (критическая температура, ниже

и другими соотношениями для магнитных явлений иллюстриру­ ется на рис. 3.12.

У парамагнитных веществ сильные магнитные поля при низ­ ких температурах могут привести к насыщению парамагнитного эффекта, причем становится неприменимым закон Кюри — Вейсса. Известны вещества различной природы, у которых только электроны, только ядра или же как электроны, так и ядра обла­ дают парамагнитными свойствами, вещества, у которых ядра являются парамагнитными, а электроны диамагнитными, веще­ ства, у которых только электроны или же и электроны и ядра диамагнитны (к ним относятся плазмы), наконец, вещества, у которых часть электронов имеет диамагнитные свойства и другая часть — парамагнитные.

3.12. МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ

Магнитная индукция (иногда называемая здесь интенсив­ ностью магнитного поля) определяется плотностью магнитного потока, поддерживаемого веществом, на которое воздействует некоторая намагничивающая сила, отнесенная к длине в на­ правлении этой силы (магнитодвижущая сила). Математически это записывается следующим образом:.

Если к веществу приложено магнитное поле от внешних ис­ точников, то поле, устанавливающееся внутри вещества, будет отличаться от поля, которое установилось бы в той же самой области пространства, но в условиях вакуума. Вещество либо способствует, либо препятствует стремлению намагничивающей силы создать магнитный поток в пространстве, занимаемом ве­ ществом. Диамагнитные вещества уменьшают плотность потока по сравнению с ее значением в вакууме, тогда как парамагнит­ ные и другие вещества увеличивают плотность потока.

Плотность магнитного потока в веществе определяется маг­ нитной проницаемостью этого вещества. В свою очередь, маг­ нитная проницаемость зависит от магнитного момента на еди­ ницу объема. В качестве стандартной величины, с которой срав­ ниваются магнитные проницаемости различных веществ, удобно использовать магнитную проницаемость вакуума. Отнеся маг­ нитную проницаемость данного вещества к магнитной проница­ емости вакуума, получим величину, которая показывает, на­ сколько легко устанавливается магнитный поток в веществе при данном магнитном воздействии, или относительную магнитную

где Н — напряженность внешнего магнитного поля; М — намаг­ ниченность вещества, т. е. магнитный момент на единицу объема;

Рю — магнитная проницаемость вакуума и р — магнитная про­ ницаемость вещества, имеющего магнитный момент на единицу объема М.

Отношение намагниченности к напряженности намагничи­ вающего поля (М/ Н ) называют магнитной восприимчивостью

вещества. Эта величина показывает, насколько легко парамаг­ нитные магнетоны ориентируют свои оси в направлении прило­

нуля до ста тысяч и больше. Для изотропных веществ магнит1' ная восприимчивость представляет собой скалярную величину, для анизотропных веществ — тензорную.

3.13. МИКРООКРЕСТНОСТЬ МАГНЕТОНА

Каждый магнетон реагирует на любое магнитное поле, ко­ торое существует в его микроокрестности. Это поле представляет собой векторную сумму локальных полей и приложенного внеш­ него поля. Если локальные поля имеют очень большую напря­ женность (такие условия встречаются довольно часто), то внеш­ нее поле вносит несущественный вклад в суммарное поле и мало влияет на ориентации осей магнетонов.

При тесном сближении магнетонов и образовании пар ло­ кальное поле, воспринимаемое каждым элементом пары, явля­ ется настолько сильным, что полностью исключается влияние каких-либо других полей. Даже в тех случаях, когда объедине­ нию магнетонов в пары препятствует их размещение в кристал­ лической решетке или в какой-либо иной молекулярной струк­ туре, взаимодействие полей соседних магнетонов может быть все же намного сильнее, чем действие приложенных извне полей. Если же достаточно большое число магнетонов может реагиро­ вать на приложенное поле и выстраивать свои оси в направле­ нии этого поля, то это может привести к существенному увели­ чению напряженности поля. Величина магнитного момента на единицу объема, характеризующая способность вещества увели­ чивать напряженность приложенного магнитного поля, зависит от влияния внешнего поля на магнетоны в локальных масштабах по сравнению с влиянием локальных полей в этих же масшта­ бах.

3.14. САМОУПОРЯДОЧЕНИЕ ОРИЕНТАЦИЙ МАГНЕТОНОВ

Магнетоны некоторых, веществ, обычно являющиеся парамаг­ нитными, могут упорядочивать свои ориентации в соответствии с локальными атомными полями того или иного типа. В преде­ лах определенной группы магнетонов ориентация данного кон­ кретного магнетона может устанавливаться в результате взаимо­ действия его поля с полями соседних магнетонов. В то же время