2. Магнитные свойства вещества.

Чтобы понять природу магнетизма, необходимо рассмотреть магнитные свойства микрочастиц. Магнетизм атомов порождается тремя причинами: а) существованием у электрона спинового магнитного момента; б) орбитального магнитного момента; в) магнитным моментом ядер.

Рассмотрим магнитные характеристики электронов, ядер, атомов, молекул, а также поведение этих структур в магнитном поле.

Б удем считать, что электрон в атоме вращается равномерно вокруг ядра со скоростью  по круговой орбите радиуса r (рис.3). Это движение аналогично круговому току и характеризуется орбитальным магнитным моментом P_орб. Сила тока, соответствующая движению электрона, который вращается с частотой , равна I=e, где e – заряд электрона. Учитывая, что , можно записать: . Тогда орбитальный магнитный момент: . (9)

Вращающийся электрон имеет также момент импульса или орбитальный механический момент (рис.3):

. (10)

Отношение P_орб к L_орб называют магнитомеханическим отношением – G_орб:

. (11)

Это выражение не зависит ни от скорости, ни от частоты и представлено постоянными величинами e и m_e.

Кроме орбитального механического момента электрон обладает собственным моментом импульса, обусловленным собственным вращением электрона вокруг своей оси. Он получил название спин – L_eS: , где h – постоянная Планка (знак  означает, что он может быть ориентирован в двух направлениях – вдоль поля и против него). Спину соответствует собственный спиновый магнитный момент P_mS. Величина спинового магнитного момента является определяющим параметром, характеризующим магнитные свойства атомов, молекул и в целом вещества. Было выяснено, что спиновое магнитномеханическое отношение вдвое больше орбитального:

. (12)

Откуда . Эту величину, состоящую из постоянных, называют магнетоном Бора - _Б: . Следовательно, собственный спиновый магнитный момент электрона равен одному магнетону Бора.

Магнитные моменты атомов слагаются из орбитальных и собственных моментов входящих в его состав электронов, а также из магнитных моментов ядер. Магнитный момент ядер во много раз меньше магнитных моментов электронов, поэтому при рассмотрении многих вопросов им можно пренебречь.

При помещении веществ в магнитное поле они сами становятся источниками такого поля – иначе вещества намагничиваются. В этом смысле все вещества называются магнетиками. Магнетики делятся на три основных класса: парамагнетики, диамагнетики и ферромагнетики.

Степень намагничивания вещества характеризуется величиной называемой намагниченностью - (векторная величина). Среднее значение вектора намагниченности равно отношению суммарного магнитного момента всех частиц N, расположенных в объёме магнетика V, к этому объёму:

. (13)

Единицей намагниченности служит Ампер на метр (А/м).

Как показывает опыт, вектор связан с вектором соотношением:

. (14)

Чем больше магнитная восприимчивость вещества, тем более намагниченным будет вещество при заданном внешнем поле.

Рассмотрим природу магнетизма вещества.

Молекулы парамагнетиков имеют отличные от нуля магнитные моменты. При отсутствии магнитного поля эти моменты расположены хаотически и намагниченность равна нулю. При внесении парамагнитного образца в магнитное поле магнитные моменты молекул о риентируются предпочтительно по направлению , в результате чего . На рис.4 схематично показаны молекулы парамагнетика при отсутствии магнитного поля и в поле. Магнитное поле парамагнетиков усиливает внешнее магнитное поле. Для них величина  невелика (10^-4 – 10^-6) и положительна (>0), а >1. К парамагнетикам относятся алюминий, кислород, молибден, водные растворы металлов, щелочные и щелочноземельные металлы, эбонит, воздух и т.д.

Д ля некоторых веществ при определённой взаимной ориентации орбит, а также когда все электроны являются спаренными (с противоположными по знаку спинами) может иметь место, что магнитный момент атома (или молекулы) будет равняться в целом нулю. Такие вещества называются диамагнитными (или диамагнетиками). На рис.5 схематично показаны молекулы диамагнетика при отсутствии магнитного поля и в поле. Намагниченность диамагнетиков направлена противоположно магнитной индукции внешнего поля и уменьшает её. У диамагнетиков величина  мала (10^-4 –10^-6) и отрицательная (<0), а <1. К диамагнетикам относятся: некоторые металлы (серебро, висмут, золото, медь), фосфор, сера, углерод, вода, большая часть органических соединений (углероды, белки, входящие в состав тканей организма). В неоднородном магнитном поле в вакууме частицы парамагнитного вещества “втягиваются” в поле, а частицы диамагнетика будут “выталкиваться” из него. При прекращении действия внешнего поля диа- и парамагнетики возвращаются в исходное состояние.

Ф ерромагнетики отличаются от парамагнетиков тем, что в их структуре имеются области, называемые доменами, магнитные моменты атомов и молекул в которых уже от природы имеют согласованную ориентацию. Под действием внешнего магнитного поля происходит ориентировка магнитных моментов самих доменов (рис.6). При этом создаётся собственное поле вещества, на нескольких порядков более сильное, чем у парамагнетиков, которое сохраняется и после прекращения действия внешнего поля. Это явление называется остаточным намагничиванием. Однако интенсивное тепловое движение может разрушить пространственную ориентировку доменов. Поэтому при высоких температурах ферромагнитные вещества теряют свои магнитные свойства.

У ферромагнетиков величина  положительна и достигает очень больших значений (десятки тысяч), а >>1. К ферромагнетикам относятся железо, сталь, никель, кобальт и многие сплавы.

Ткани организма подобно воде в значительной степени диамагнетики. Однако в организме имеются и парамагнитные вещества, молекулы и ионы. Ферромагнитных частиц в организме нет.