Материал: Справочное пособие по магнитным явлениям

Внимание! Если размещение файла нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам

лам относятся, прежде всего, простые электростатические силы притяжения и отталкивания, далее следуют более сложные и раз­ нообразные механизмы связи и, наконец, развитые связи в прекрасно упорядоченных кристаллах и биологических объек­ тах материального мира. В этой иерархии каждая относительно сложная система взаимосвязей базируется на конфигурациях силовых полей своих более простых составных частей.

Существенный вклад в эти силы связи вносят микроминиа­ тюрные магнитные поля. На формирование структур влияют как ориентация магнетонов, так и вид траекторий электронов. При определенных условиях внешнее магнитное поле может изменять структуру вещества, воздействуя на ориентацию магне­ тонов или форму траектории электронов. Таким образом, яв­ ления, связанные со взаимодействием между структурой ве­ щества и энергией, изменяются под влиянием приложенных извне магнитных полей. К таким явлениям относятся некоторые химические процессы.

3.1. КОНФИГУРАЦИЯ СИЛОВЫХ ПОЛЕЙ

Любое вещество состоит из дискретных частиц, с каждой из которых связаны поля трех различных типов. Объединение двух или большего числа частиц не приводит к полной взаимной компенсации влияния каждой отдельной частицы, т. е. в прост­ ранстве продолжает существовать силовое поле определенного направления, каким бы способом ни были объединены частицы. Совокупность двух или нескольких таких «остаточных» полей образует поле более высокого иерархического уровня.

Например, два электрона с противоположными по направле­ нию спинами притягиваются один к другому благодаря своим «противоположным» магнитным полям. В то же время они вза­ имно отталкиваются из-за своих «одинаковых» электрических полей. Хотя при сближении электронов их общее магнитное по­ ле ослабевает, электрическое поле при этом усиливается. Уста­ навливается потенциальное электрическое поле, которое, в свою очередь, может образовать более сложную конфигурацию в со­ четании с другими полями.

Такие конфигурации силовых полей все более усложняются при возрастании числа объединяющихся частиц и в конце концов приводят к макроскопическим проявлениям гравита­ ционных сил, внешних магнитных полей и крупномасштабных скоплений электрических зарядов.

Магнитные поля, порождаемые движением заряженных час­ тиц, вносят вклад в образование химических связей, обеспечива­ ющих существование каждого вещества как единого целого. Не­ которые из заряженных частиц движутся по различным траектори­ ям, другие совершают вращение относительно собственных осей. Эти два принципиально различающихся типа движения частиц ле­

жат в основе двух главных классов и нескольких подклассов магнитных явлений. Явления, происхождение которых связано с изменением формы траекторий частиц, называются диамагнит­ ными, а явления, обусловленные изменением ориентации осей частиц,— парамагнитными, ферромагнитными, антиферромагнит-

ными, ферримагнитными, антиферримагнитными или гелимагнитными в зависимости от того, какая конкретная ориентация спи­ нов устойчива при заданных условиях внешней среды и химиче­ ских свойствах вещества.

3.2. МИНИМАЛЬНАЯ ЭНЕРГИЯ

Материальное тело содержит в себе определенное количе­ ство энергии и имеет определенную массу. Общая энергия тела подразделяется на несколько составляющих, соответствующих тепловой, электрической, механической, электромагнитной и хи­ мической формам энергии. Кроме того, вся энергия данного тела распределена между многочисленными частицами атомных размеров, из которых состоит тело. Энергия в каждой конкрет­ ной форме имеет минимально возможное значение, соответству­ ющее минимальным значениям энергии, представленной в других формах.

Например, электрон притягивается к атомному ядру под влиянием электростатических сил. Чем ближе к ядру окажется электрон, тем меньше будет электростатическая энергия такой системы. В то же время электрон вращается по орбите вокруг ядра, и чем больше он приближается к ядру, тем выше стано­ вится скорость его орбитального движения. Поскольку высоко­ скоростные орбиты обладают большей механической энергией, чем низкоскоростные, электростатическая и механическая силы противодействуют одна другой. Электростатическая сила являет­ ся центростремительной, тогда как механическая орбитальная сила — центробежной. В конечном итоге достигается равновесие между этими противоположно направленными силами, и элек­ трон продолжает вращение по орбите на расстоянии от ядра, соответствующем минимальному значению суммы энергий, на­ ходящихся в механической и электрической формах.

Если полная энергия системы изменится, то может изме­ ниться и соотношение между энергиями разных форм, а также между энергиями, которыми обладают отдельные частицы. Эти изменения могут иметь весьма существенные последствия. На­ пример, если подвести к твердому телу очень небольшое коли­ чество тепла при заданной температуре, то тело может распла­ виться и превратиться в жидкость без какого-либо изменения температуры.

Одна из причин такого внезапного превращения связана с закономерностями квантовой механики. Согласно этим законо­ мерностям изменения энергии не являются непрерывными. Все

такие изменения имеют скачкообразный, дискретный, или квантовый, характер. Хотя отдельные скачки, или кванты, очень малы, все же процесс протекает дискретно. Если большое чи­ сло этих малых скачков происходит в одних и тех же условиях и в один и тот же момент времени, то суммарный их эффект мо­ жет быть очень существенным, даже взрывным по характеру.

Согласно этим соотношениям для квантованной минималь­ ной энергии магнитное поле поддерживается за счет некоторой формы потенциальной энергии. Для поддержания более сильно­ го поля нужна большая энергия, чем для поддержания относи­ тельно слабого поля. Кроме того, энергия тем больше, чем больший объем пространства занят магнитным полем. Реализа­ ция такой минимальной энергии будет достигнута, если мини­ мизировано магнитное поле в целом, т. е. как по напряжен­ ности, так и по объему. Следовательно, различные частицы ма­ териального тела, создающие магнитные поля, всегда находят­ ся в таких соотношениях, чтобы обеспечивать минимизацию в указанном смысле магнитных полей, поскольку этот минимум соответствует минимумам энергии, проявляющейся в других формах.

3.3. СВОЙСТВА ТРАЕКТОРИЙ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

Каждый атом содержит определенное число электронов, не­ прерывно движущихся по орбитам относительно ядра. В каж­ дый момент времени орбитальный электрон движется по более или менее круговой траектории вокруг ядра. Ось этой окруж­ ности непрерывно изменяет свое положение так, что за опреде­ ленный период времени электрон проходит через все точки, об­ разующие поверхность некоторой сферы.

Такое циклическое движение электрического заряда создает в каждый момент времени тороидальное магнитное поле. Од­ нако поскольку ось тороида непрерывно изменяет свое направ­ ление, поле, генерируемое при одном направлении этой оси, компенсируется полем, генерируемым при некотором ином на­ правлении. В результате этого электрон, вращающийся по та­ кой сферической орбите, в итоге не создает никакого магнит­ ного поля. Фактически именно невозможность создать в этих условиях магнитное поле является тем фактором, который заставляет электрон двигаться по этой сферической орбите.

Если на эти циклические движения наложить внешнее маг­ нитное поле, то возникнут условия, аналогичные тем, какие ил­ люстрируются для движущегося электрона на рис. 2.2. Хотя орбита — это не прямая линия, движущийся по ней электрон все же испытывает силу Лоренца, поскольку его заряд взаимо­ действует с внешним полем. Это взаимодействие вызывает из­ менение формы орбиты. Мгновенная круговая орбита принима­

ет эллиптическую форму, а сферическая орбита становится эл­ липсоидальной. Такое изменение формы сферической орбиты порождает поле Ленца, противодействующее приложенному внешнему полю.

В некоторых сложных молекулах электроны связи движутся по более протяженным и сложным траекториям, чем орбита электрона вокруг ядра. В соответствии с тем же принципом от­ клонения траектории Лоренца внешнее магнитное поле приво­ дит к изменению молекулярных орбит, и возникают поля Ленца. Такая ситуация с появлением полей Ленца свойственна не только регулярным движениям электронов на орбите.

Как ионы и электроны плазмы, так и электроны проводи­ мости в твердом теле представляют собой заряженные частицы, описывающие, вообще говоря, случайные траектории. Кажущая­ ся неупорядоченность этих случайных движений, однако, не является совершенно бесцельной или лишенной какой-либо закономерности. Одно из следствий такой случайной активно­ сти частиц — это полная компенсация всех локально генериру­ емых магнитных полей, которые могли бы порождаться в ре­ зультате движения по траектории или же определенной ориента­ ции спинов заряженных частиц. Поскольку для поддержания магнитного поля в пространстве требуется энергия какого-либо вида, в любом механизме взаимной компенсации полей прояв­ ляется принцип минимальной энергии. Наложение внешнего магнитного поля на эти беспорядочно движущиеся частицы изменяет степень их неупорядоченности, вследствие чего воз­ никают поля Ленца, противоположные внешнему полю. Ин­

тересно заметить, что

случайный

характер движения частиц

и сферическая форма

орбит — это

два совершенно различных

механизма, обеспечивающих достижение одного и того же ре­ зультата, а именно локальной компенсации полей.

Представленные общие принципы применимы для траекторий всех электрически заряженных частиц в любых условиях. Сте­ пень выраженности описанных явлений зависит от того, на­ сколько близко от исходной траектории удерживается заряжен­ ная частица. В соответствии с этим диамагнитные свойства, вызванные эффектом Мейсснера (см. § 24.1), проявляются на­ много сильнее, чем диамагнитные свойства, обусловленные орбитальными электронами, так как на движение электронов проводимости при температурах, близких к абсолютному нулю, налагаются значительно меньшие ограничения, чем на движе­ ние орбитальных электронов.

3.4. ПРОТИВОДЕЙСТВИЕ ЛЕНЦА

Явление

диамагнетизма —

это прямое

следствие

действия

сил Ленца,

возникающих при

помещении

вещества в простран­

ство, где

имеются магнитные

поля. Диамагнитные

вещества

вызывают ослабление любого внешнего магнитного поля, в ко­ тором они находятся. Как показано на рис. 2.3, вектор поля Ленца всегда направлен противоположно вектору поля, прило­ женного извне. Это справедливо для любого направления не­ зависимо от ориентации диамагнитного тела относительно при­ ложенного поля.

Любое тело, изготовленное из диамагнитного материала, не только ослабляет внешнее поле из-за влияния противодейст­ вия Ленца, но испытывает также действие определенной силы, если внешнее поле неравномерно в пространстве. Эта сила, за­ висящая от направления градиента поля и не зависящая от направления самого поля, стремится переместить тело из об­ ласти относительно сильного магнитного поля в область более

слабого поля — туда,

где изменения

электронных

орбит

будут

минимальны.

 

 

 

 

Механическая сила, действующая

на диамагнитное

тело

в магнитном поле,

является мерой

атомных

сил, стремя­

щихся удержать орбитальные электроны на сферических орбитах.

Все вещества являются диамагнитными, поскольку их эле­ ментарные составные части — это атомы с орбитальными элек­ тронами. Некоторые вещества создают как поля Ленца, так и спиновые поля. Вследствие того что спиновые поля обычно на­ много сильнее, чем поля Ленца, при возникновении полей обоих типов, как правило, преобладают эффекты, обусловленные спи­ новыми полями.

Диамагнетизм, являющийся результатом изменения элек­ тронных орбит, обычно бывает слабо выражен, так как локаль­ ные поля, воздействующие на отдельные электроны, намного сильнее, чем приложенные внешние поля, стремящиеся изме­ нить орбиты всех электронов. Поскольку изменения орбиты малы, связанное с этими изменениями противодействие Ленца также невелико.

В то же время диамагнетизм, обусловленный случайным движением элементов плазмы, проявляется значительно силь­ нее, чем диамагнетизм, связанный с изменением электронных орбит, так как ионы и электроны плазмы не испытывают дейст­ вие больших сил связи. В этом случае относительно слабые магнитные поля существенно изменяют траектории частиц.

Диамагнетизм множества отдельных микроскопических ча­ стиц, движущихся по траекториям различных видов, можно рас­ сматривать как результат влияния эквивалентного контура тока, окружающего тело, вещество которого содержит эти частицы. Измерение этого тока позволяет дать количественную оценку диамагнетизма.

Источник: https://studfile.net/preview/19992782/