- •Г л а в а 3. Физика твердого тела
- •3.4. Электропроводность твердых тел
- •1. Электропроводность металлов
- •2.Электропроводность полупроводников
- •3. Собственная проводимость полупроводников
- •4.Примесная проводимость полупроводников
- •5.Эффект Холла в металлах и полупроводниках
- •2.Контакт металл- полупроводник
- •3.5 Контактные явления в твердых телах.
- •1. Контакт двух металлов.
- •3.6 Магнитные свойства твердых тел.
- •Магнитные свойства атомов
- •Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел
- •3.7 Сильномагнитные свойства твёрдых тел
- •Примеры решения задач.
- •3.8 Сверхпроводимость
- •Список литературы
Диамагнетизм и парамагнетизм твердых тел
Наиболее универсальное свойство атомов и веществ их диамагнетизм. Диамагнитная восприимчивость твердых тел дается формулой Ланжевена
(3.89)
и
обусловлена ларморовской прецессией
электронных орбит вокруг направления
магнитного поля. В (3.89)
–
число атомов в единице объема,
– число электронов в атоме,
–
радиус орбиты i-го
электрона.
Атомы, имеющие незаполненные электронные оболочки, обладают орбитальными и спиновыми магнитными моментами. Вещества, состоящие из таких атомов, обладают парамагнитными свойствами. Намагниченность изотропного парамагнетика согласно классической теории Ланжевена определяется выражением:
, (3.90)
здесь
– магнитный момент атома,
– индукция магнитного поля,
–
функция Ланжевена.
Примеры решения задач.
Задача 1.
Какая сила F
будет действовать на единицу объёма
диамагнетика с χ=-8π
105
помещённого в магнитное поле с B=
0,1 Тл, если
градиент B:
.
Решение
Всякое
тело при внесении его во внешнее магнитное
поле намагничивается, то есть создаёт
своё собственное магнитное поле
,
накладывающееся на внешнее
.
При внесении диамагнетика во внешнее
магнитное поле атомы приобретают
наведённые магнитные моменты, они
пропорциональны H
и противоположны по направлению, то
есть диамагнетик намагничивается в
направление противоположном
.
Поэтому в неоднородном магнитном поле
диамагнетик будет выталкиваться в
область более слабого поля, следовательно
выталкивающая сила определяется из
выражения:
(1)
где U – потенциальная энергия взаимодействия диамагнетика с полем.
(2)
где
-
намагниченность
(3)
где
– напряжённость
внешнего магнитного поля.
![]()
Отсюда
(4)
Подставляя (2) и (3) в (4) получим:
(5)
Наконец, подставив выражение (5) в (1), получим итоговую формулу для искомой силы

Подставляя числовые значения получим окончательный ответ:

Ответ:
.
Задача
2.Построить квантовую теорию парамагнетизма
для системы спинов
,
считая, что их число в единице объема
равно n.
Воспользоваться статистикой
Максвелла–Больцмана.
Решение
Взаимодействие спиновых моментов с магнитным полем приводит к расщеплению уровней энергии (эффект Зеемана). Действительно, энергия взаимодействия с полем
,
Где
и первоначально вырожденный уровень
энергии Е0
расщепляется:
.
Состояния с
(
)
оказываются энергетически более
выгодными по сравнению с состояниями
(
)
.
Величина магнитного момента, приходящегося
на спин
.
Разница в энергиях
,
поэтому вероятность занятия состояний
(
)
в
раз
выше, чем состояний (
).
Следовательно, отношение числа спинов
к числу спинов
есть:
.
Так
как возможных ориентаций две, то
.
Итак, получаем систему из двух уравнений:
.
Намагниченность
квантовой системы n
спинов
,
есть
.
Для
сравнения приведем классический
результат при
:
.
Задачи для самостоятельного решения
-
Построить квантовую теорию парамагнетизма для системы спинов
,
считая, что их в единице объёма n.
Воспользоваться статистикой Максвелла
– Больцмана. Получить выражение для
намагниченности
. -
Определить намагниченность М тела при насыщении, если магнитный момент каждого атома равен магнетону Бора
и концентрация атомов 61028
м-3. -
Магнитная восприимчивость
марганца равна 1,21 10-4.
Вычислить намагниченность М,
удельную
намагниченность и молярную намагниченность
марганца в магнитном поле напряжённостью
H = 100 кА/м.
Плотность марганца считать известной. -
Найти магнитную восприимчивость AgBr , если его молярная магнитная восприимчивость
m
= 11,30 10-9
м3/кг. -
Атом водорода находится в магнитном поле с индукцией В = 1Тл. Вычислить магнитный момент
,
обусловленный прецессией электронной
орбиты. Принять, что среднее значение
квадрата расстояния электрона от ядра
равно 2r12/3
(r1
– радиус первой боровской орбиты). -
Удельная парамагнитная восприимчивость
трехоксида ванадия (V2O3)
при t
= 170C
равна 1,89 10-7
м3/кг.
Определить магнитный момент
(в магнетонах Бора), приходящейся на
молекулу V2O3,
если плотность трехоксида ванадия
равна 4,87 103
кг/м3. -
Определить, при каком наибольшем значении магнитной индукции B уже следует пользоваться не приближенным выражением функции Ланжевена
,
а точным, чтобы погрешность вычислений
не превышала 1%. Для расчетов принять
магнитный момент молекул равным
магнетону Бора. Температура T = 300 K. -
Определить, во сколько раз число молекул, имеющие положительные проекции магнитного момента на направление вектора магнитной индукции внешнего поля (B = 1 Тл), больше числа молекул, имеющих отрицательную проекцию, в двух случаях: 1) T1 = 300 K; 2) T2 = 1 K. Магнитный момент молекул принять равным магнетону Бора.
-
При температуре T1 = 300 K и магнитной индукции B1 = 0,5 Тл была достигнута определенная намагниченность J парамагнетика. Определить магнитную индукцию B2, при которой сохранится та же намагниченность, если температуру повысить до T2=450 K.
