Что такое парамагнетизм и диамагнетизм
Парамагнетизм и диамагнетизм
Рассмотрите природу и действие парамагнетизма и диамагнетизма: силы притягивания и отталкивания в магнитном поле, определения, примеры, магнитная сила.
Парамагнетизм – притягивание материала в магнитном поле, а диамагнетизм – отталкивание.
Задача обучения
Основные пункты
Термины
Парамагнетизм
Атомы и молекулы обладают постоянными магнитными моментами (диполи) даже, если приложенное поле отсутствует. Обычно постоянный момент гарантируется вращением неспаренных электронов на атомных и молекулярных электронных орбиталях.
В условиях чистого парамагнетизма диполи не контактируют и ориентируются беспорядочно при термическом возбуждении, если нет внешнего поля. То есть, чистый магнитный момент приближается к нулю. Когда же магнитное поле активировано, то диполи стараются выровняться и формируют чистый магнитный момент в сторону приложенного поля.
Парамагнитные материалы обладают небольшой положительной восприимчивостью к магнитным полям. Они лишь немного притягиваются и не сохраняют приобретенных свойств, если нет внешнего поля.
Ориентация в парамагнитном материале при наличии электрического поля (справа) и его удалении (слева)
Среди парамагнитных материалов стоит вспомнить магний, молибден, литий и тантал. Однако, как только внешнее магнитное поле исчезает, парамагнетики теряют свои свойства, потому что тепловое движение рандомизирует вращательные позиции. Некоторые сохраняют вращательный беспорядок при абсолютном нуле. Поэтому и суммарная намагниченность опускается к нулю, если убрать поле.
Диамагнетизм
Диамагнетизм отмечает умение объекта формировать магнитное поле, вступающее в сопротивление к внешнему. Поэтому они не притягиваются, а отталкиваются, что приводит к таким поразительным вещам, как левитация диамагнитного материала, если его установить над мощным магнитом.
Пиролитический углерод, левитирующий над постоянным магнитом
По большей части диамагнетизм присутствует во всех материалах, и он всегда слабо влияет на реакцию материала по отношению к магнитному полю. У всех проводников заметен эффективный диамагнетизм, если магнитное поле меняется. К примеру, сила Лоренца на электронах заставит их циркулировать вокруг вихревых токов. Далее токи создадут индуцированное магнитное поле, сопротивляющееся перемещению проводника.
§ 6.3. Объяснение пара- и диамагнетизма
Парамагнетизм
Электроны, движущиеся в атомах или молекулах парамагнитных тел, создают в окружающем пространстве магнитное поле. Эти атомы приближенно можно рассматривать как маленькие замкнутые кольцевые токи (рис. 6.5). При внесении парамагнетика во внешнее поле отдельные элементарные токи стремятся ориентироваться по направлению линий индукции 
0 намагничивающего поля, точнее, нормали к контурам.
Поэтому магнитные поля элементарных токов усиливают внешнее поле. Хаотическое тепловое движение атомов препятствует правильной ориентации токов, и чем выше температура, тем меньший процент элементарных токов оказывается ориентированным по направлению поля, т. е. тем слабее намагничивается вещество. При выключении намагничивающего поля тепловое движение полностью разрушает ориентацию токов и вещество размагничивается.
Чем сильнее намагничивающее поле, тем большая часть элементарных_ токов оказывается ориентированной вдоль 0. Поэтому с возрастанием индукции намагничивающего поля магнитная индукция растет прямо пропорционально 0. Согласно (6.1.1) это означает, что μ не зависит от 0. В очень сильных полях все элементарные токи оказываются ориентированными по полю, несмотря на тепловое движение атомов. Достигается, как говорят, насыщение. Это означает отсутствие линейной зависимости от 0, магнитная проницаемость уменьшается при больших 0.
Диамагнетизм
В атомах и молекулах диамагнитных веществ токи, обусловленные движением электронов, имеют такую конфигурацию, что созданные ими магнитные поля взаимно компенсируют друг друга. В результате в обычном состоянии атом не создает поля. Почему же диамагнетики обнаруживают магнитные свойства? Причина этого проста. В момент включения магнитного поля (или при перемещении вещества в область, где это поле уже есть) в атомах или молекулах возникают индукционные токи подобно тому, как во вторичной обмотке трансформатора индуцируется ток при изменении магнитного поля, пронизывающего эту обмотку. Но в отличие от трансформатора индукционный ток в атоме не затухает и после исчезновения ЭДС индукции, так как сопротивления движению электронов в атомах нет.
Диамагнетизм целиком обусловлен явлением электромагнитной индукции. Согласно правилу Ленца направление индукционного тока таково, что созданное им поле противодействует намагничивающему полю (рис. 6.6). Понимать это нужно так: при включении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Это поле заставляет электроны закручиваться вокруг магнитных линий 0. На существовавшее ранее движение электронов накладывается дополнительное вращение. Вследствие этого вращения и возникает поле, противодействующее намагничивающему полю с индукцией 0. При исчезновении внешнего магнитного поля исчезают индукционные токи и диамагнетик оказывается размагниченным.
Из сказанного очевидно, что диамагнетизм присущ всем телам без исключения, так как во всех атомах, помещенных в магнитное поле, возникает дополнительный индукционный ток. Но проявляется диамагнетизм только у тех веществ, атомы или молекулы которых не создают магнитного поля сами по себе. У парамагнитных и тем более ферромагнитных тел атомы обладают собственными «врожденными» магнитными свойствами, и поэтому слабый диамагнитный эффект у таких веществ маскируется другими более сильными эффектами.
Магнитная индукция поля, создаваемого диамагнетиками, прямо пропорциональна индукции намагничивающего поля. Согласно закону электромагнитной индукции напряженность вихревого электрического поля тем больше, чем больше изменение индукции магнитного поля от нуля до конечного значения B0. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от B0.
Отметим еще, что тепловое движение атомов в целом не нарушает ориентации индукционных токов внутри атомов. Они всегда лежат в плоскостях, перпендикулярных 0. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от температуры.
Сверхпроводники — идеальные диамагнетики
В предыдущей главе (см. § 5.9) уже говорилось о поведении сверхпроводников в переменном магнитном поле. Вернемся к этому вопросу и найдем значение μ для сверхпроводников.
Как было показано, в сверхпроводнике поток магнитной индукции индукционного тока равен потоку индукции внешнего поля и противоположен ему по знаку. Индукционный ток не просто стремится, согласно правилу Ленца, компенсировать то изменение магнитного потока, которое его порождает, но компенсирует его полностью. Магнитное поле вообще не проникает внутрь сверхпроводника. Это означает, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком. Так как магнитная индукция В внутри сверхпроводника равна нулю, то, согласно формуле (6.1.1), магнитная проницаемость сверхпроводника также равна нулю.
Лекционный материал по теме №8
Описание
Магнитные параметры физических тел. Магнитные свойства химических элементов и минералов. Диамагнетизм, минералы – диамагнетики. Парамагнетизм, минералы –парамагнетики. Магнитное упорядочение. Ферромагнитные минералы. Доменная структура зерен. Магнитная вязкость. Суперпарамагнетизм. Магнитная восприимчивость. Основные факторы, определяющие магнитную восприимчивость. Магнитная восприимчивость различных типов горных пород. Виды намагниченности горных пород. Остаточная намагниченность горных пород (термоостаточная, химическая, ориентационная, вязкая). Единицы измерения магнитных параметров горных пород. Магнитные свойства при различных термобарических условиях. Анизотропия магнитных параметров горных пород. Связь магнитных характеристик с другими петрофизическими свойствами. Закономерности изменения магнитных свойств различных типов пород. Методы магнетизма горных пород при решении геологических задач. Палеомагнетизм и палеомагнитные исследования.
Оглавление
1. Магнитные параметры физических тел
Магнетизм вещества связан с особенностями строения внешних и внутренних атомных орбит. По типу магнетизма выделяются диа- и парамагнитные химические элементы.
В веществе, помещенном в магнитное поле, появляется внутреннее магнитное поле, которое накладывается на внешнее (намагничивающее). Напряженность суммарного магнитного поля (внешнего и внутреннего) называется магнитной индукцией. Магнитная индукция численно равна:
(8.1)
J – намагниченность вещества, которая является функцией внешнего поля.
Реакция вещества на приложенное магнитное поле характеризуется магнитной восприимчивостью æ:
, (8.2)
Магнитные свойства вещества обуславливаются главным образом магнитными моментами электронов. Одновременно с вращением электронов вокруг своей оси (спиновое движение) они (электроны) совершают также движение по орбите вокруг положительно заряженных ядер (орбитальное движение). Оба вида движения эквивалентны круговому току, создающему магнитный момент.
Внешнее магнитное поле взаимодействуют с магнитными полями атомов, в результате чего возникает дополнительный момент, либо совпадающий с направлением внешнего поля, либо противоположный ему (диамагнетики).
Восприимчивость парамагнитных веществ положительна, и магнитные моменты усиливают внешнее поле. Природа парамагнетизма заключается в ориентации элементарных магнитных моментов внешним магнитным полем: происходит ориентировка собственных магнитных моментов атомов. Поэтому рост намагниченности не прекращается даже в сильных полях. При выключении поля намагниченность парамагнетика исчезает.
Среди парамагнитных веществ выделяется особая группа веществ, называемая ферромагнитными. Вследствие особенности строения внутренних электронных орбит у веществ этой группы взаимодействие между атомами настолько велико, что магнитные моменты всех атомов даже при отсутствии внешнего магнитного поля располагаются параллельно друг другу и одинаково ориентированы. Это так называемая спонтанная намагниченность. То есть, обладают магнитным моментом даже при отсутствии внешнего магнитного поля. В высоких полях магнитное состояние ферромагнетиков изменяется путем постепенного вращения спонтанной намагниченности в направлении магнитного поля. При насыщении магнитные моменты располагаются параллельно магнитному полю. Изменение намагниченности при повышении напряженности внешнего магнитного поля графически изображают кривой намагничивания. В малых полях намагниченность в основном обратима. В случае скачкообразного изменения намагниченности процесс необратим.
Необратимые процессы приводят к остаточным явлениям и сохранению в веществе некоторой части намагниченности при уменьшении внешнего поля до нуля.
Намагниченность, остающаяся и после уменьшения поля до нуля, получила название остаточной намагниченности.
Для приведения остаточной намагниченности ферромагнетика к нулю необходимо приложить некоторое обратное по направлению поле. Величина этого поля носит название коэрцитивной силы. Дальнейшее увеличение обратного магнитного поля снова приведет ферромагнетик в состояние магнитного насыщения. При уменьшении обратного поля весь цикл намагничивания повторяется. В результате образуется петля названная петлей гистерезиса.
Повышение температуры приводит к уменьшению спонтанной намагниченности. При определенной температуре, названной точкой Кюри, в ферромагнетике происходит ориентации спиновых моментов, и выше этой температуры ферромагнетик ведет себя как парамагнетик.
Существуют вещества, у которых энергетически более выгодно антипараллельное расположение спинов соседних атомов (отрицательное обменное взаимодействие). При параллельном расположении спинов (ферромагнетики) их магнитные моменты складываются, в то время как антипараллельное расположение (антиферромагнетики) дает результирующий момент равный нулю.
Наконец, известны вещества, в которых при антиферромагнитном порядке атомных магнитных моментов их взаимной компенсации не происходит. Такие вещества получили название ферримагнетиков, и среди природных минералов они встречаются чаще, чем ферромагнетики. Во внешнем магнитном поле ферримагнетик намагничивается подобно ферромагнетики.
Если рассматривать горные породы, то они характеризуются способностью изменять действующее на них магнитное поле или возбуждать собственное поле. Наиболее важными параметрами горных пород и руд являются магнитная восприимчивость æ и индуцированная и естественная намагниченность.
Магнитная восприимчивость характеризует способность вещества к намагничиванию. Появление магнитного момента тела сопровождается возникновением на его концах свободных магнитных полюсов, создающих магнитное поле внутри тела в противоположном внешнему полю направлении, т.е. размагничивающее поле. Это поле пропорционально намагниченности тела. Коэффициент пропорциональности (размагничивающий фактор N) определяется формой тела:
(8.3)
Для тел сферической формы
.
Магнитная восприимчивость, отнесенная к единице массы вещества с плотностью σ, называется удельной (массовой) восприимчивостью:
(8.4)
Различают также молярную восприимчивость χМ, приходящую на грамм-моль вещества, и атомную χа, отнесенную к атомной массе.
(8.5)
Магнитная восприимчивость æ и относительная магнитная проницаемость μ связаны между собой соотношением:
(8.7)
Таким образом, по определению:
Магнитная восприимчивость – это способность веществ намагничиваться (изменять свой магнитный момент) под действием внешнего магнитного поля.
Индуцированная намагниченность – это намагниченность создаваемая магнитным полем, исчезающая после прекращения его действия.
Остаточная намагниченность – намагниченность, создаваемая магнитным полем, сохраняющаяся после прекращения его действия.
Естественная намагниченность – остаточная намагниченность, создаваемая древним или современным полем Земли.
2. Магнитные свойства химических элементов и минералов
Большинство химических элементов являются диа- и парамагнитными. Характерно четко выраженная периодичность смены диамагнетизма на парамагнетизм элементов. Элементам первой половины периодов свойственен парамагнетизм в связи с незаполненностью электронами внешней орбиты, элементы второй половины – диамагнетизм, определяющийся полностью заполненными орбитами.
Диамагнитная восприимчивость большинства элементов составляет
К парамагнетикам относятся щелочные и щелочноземельные металлы, некоторые переходные металлы; ряд солей железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов, из газов кислород.
Среди парамагнитных веществ выделяется особая группа веществ, называемая ферромагнитными. К ферромагнетикам относится железо, кобальт, никель, и некоторые виды лантаноидов: гадолиний (64 Gd), тербий (65Tb), диспрозий (66Dy), гольмий (67 Ho), эрбий (68Er). А также ряд соединений хрома, марганца и урана с неферромагнитными элементами.
По величине æ все минералы делятся на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.