2.2 Строение атомов и кристаллов твердых веществ

Как известно, атом состоит из ядра и электронов, вращающихся вокруг ядра по орбитам. Круговой ток создает магнитный момент (Ам²), определяемый формулой:

m = iS, (2.1)

где i – сила тока, А;

S – площадь, обтекаемая током, м².

Поэтому вращающийся по орбите электрон обладает некоторым орбитальным магнитным моментом. Кроме того, при движении по орбите каждый электрон обладает свойством, близким к свойствам заряженного тела, вращающегося вокруг своей оси. Это свойство называют спином э|лектрона. Спин электрона, эквивалентный круговому току, обусловливает спиновый магнитный момент. Протоны и нейтроны, входящие в ядро атома, тоже имеют некоторые магнитные моменты, но в сотни раз меньшие, чем электроны. Поэтому можно считать, что магнитные свойства атома определяются в основном магнитными свойтвами его электронов (рисунок 2.1,а). В случае нескольких электронов полный, или собственный, магнитный момент атома определяется векторной суммой орбитальных и спиновых моментов с учетом их направления.

Орбитальные и спиновые магнитные моменты могут иметь лишь одно из двух возможных направлений (согласное или противоположное). В том случае, если они направлены в противоположные стороны, магнитные моменты пары электронов взаимно компенсируются. Это имеет место в любой полностью заполненной оболочке, например у атома гелия, изображенного на рисунок 2.1, б. Собственный магнитный момент такого атома в отсутствие внешнего поля равен нулю.

Магнитный момент единицы объема вещества называют намагниченностью (А/м):

J = m/V, (2.2)

где, m – суммарный момент атомов, занимающих объем V.

а)

б)

в)

Рисунок 2.1 Магнитные моменты электрона в атоме

Намагниченность можно рассматривать как напряженность, создаваемую микротоками электронных оболочек вещества. Поэтому индукцию в веществе можно представить как

B = ₀(H + J). (2.3)

Часто векторы Н и J имеют одинаковое направление. При этом можно перейти к скалярному выражению и разделить обе части венства (2.2) на Н:

В/Н = ₀(1 + J/Н). (2.4)

Отношение J/Н называют магнитной восприимчивостыо  вещества, а из сравнения (2.1) и (2.3) следует, что

 = 1 + . (2.5)

2.3 Виды магнитных материалов по их магнитным свойствам

2.3.1. Диамагнетики

Если на атом воздействует внешнее магнитное поле Н, то возникает прецессия орбит электронов вокруг вектора этого поля. Прецессия орбиты, показанная на рисунок 2.1,в пунктиром, эквивалентна некоторому дополнительному вращению электрона, которое вследствие его заряда создает дополнительный магнитный момент. По правилу Ленца этот магнитный момент всегда направлен против внешнего поля и стремится ослабить его. Это явление называют диамагнетизмом; оно присуще атомам всех веществ.

У диамагнитных веществ вектор намагниченности направлен на встречу вектору напряженности поля (рисунок 2.1,в), поэтому их магнитная восприимчивость отрицательна, а  < 1. Магнитная индукция таких веществах меньше, чем в вакууме, при одной и той же напряженности внешнего поля Н. Кроме инертных газов диамагнитны вода, некоторые металлы (медь, серебро, золото, ртуть, цинк, свинец, висмут) и многие органические соединения.