Какова природа диамагнетизма и парамагнетизма кратко
Обновлено: 05.07.2024
Диамагнетизм - свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю.
Диамагнетики - вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например, инертные газы, водород, азот, NaCl и др.).
При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты. В пределах малого объема ΔV изотропного диамагнетика наведенные магнитные моменты всех атомов одинаковы и направлены противоположно вектору .
Парамагнетизм - свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля, поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля.
Парамагнетики - вещества, атомы которых имеют, в отсутствие внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент .
К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород , оксид азота NO, хлорное железо и др.
Природа диамагнетизма.
В чистом виде диамагнетизм встречается у веществ, результирующий магнитный момент которых равен нулю, т.е. магнитные моменты всех атомов скомпенсированы.
Диамагнетизм обусловлен стремлением электрических зарядов экранировать внутреннюю часть объема тела от действия внешнего магнитного поля и возникает вследствие изменения орбитального движения электронов под действием поля.
Закон Кюри — физический закон, описывает магнитную восприимчивость парамагнетиков, которая при постоянной температуре для этого вида материалов приблизительно прямо пропорциональна приложенному магнитному полю. Закон Кюри постулирует, что при изменении температуры и постоянном внешнем поле, степень намагниченности парамагнетиков обратно пропорциональна температуре:
M — получаемая намагниченность материала; B — магнитное поле, измеренное в Теслах; T — абсолютная температура в Кельвинах; C — постоянная Кюри данного материала.
Это соотношение выполняется только при высоких температурах или слабых магнитных полях. В обратном случае — то есть при низких температурах или при сильных полях — магнитная восприимчивость не подчиняется этому закону.
Закон электромагнитной индукции Фарадея. Правило Ленца.
Закон электромагнитной индукции Фарадея является основным законом электродинамики, касающимся принципов работы трансформаторов, дросселей, многих видов электродвигателей и генераторов.
Закон гласит: Для любого замкнутого контура индуцированная электродвижущая сила (ЭДС) равна скорости изменения магнитного потока, проходящего через этот контур.
Или другими словами: Генерируемая ЭДС пропорциональна скорости изменения магнитного потока.
Правило Ленца - правило для определения направления индукционного тока: Индукционный ток, возникающий при относительном движении проводящего контура и источника магнитного поля, всегда имеет такое направление, что его собственный магнитный поток компенсирует изменения внешнего магнитного потока, вызвавшего этот ток.
Если ток увеличивается, то и магнитный поток увеличивается.
Если индукционный ток направлен против основного тока.
Если индукционный ток направлен в том же направлении, что и основной ток.
Индукционный ток всегда направлен так, чтобы уменьшить действие причины его вызывающей.
В обобщенной формулировке правило Ленца гласит, что индукционный ток всегда направлен так, чтобы противодействовать вызвавшей его первопричине.
Коэффициент индуктивности.
Коэффициент индуктивности (коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.
— магнитный поток, I — ток в контуре, L — индуктивность.
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
- Охарактеризовать диамагнитные и парамагнитные материалы.
Основные пункты
- Парамагнетики функционируют как магниты при наличии внешнего магнитного поля.
- Диамагнетики создают магнитное поле, противоположное внешнему, поэтому отталкивают магниты.
- Все материалы обладают диамагнетизмом, который слабо влияет на реакцию материала в магнитном поле.
Термины
- Ферромагнетизм – явление, когда вещества способны трансформироваться в постоянные магниты из-за влияния магнитного поля.
- Парамагнетизм – стремление магнитных диполей выровняться с внешним магнитным полем. Подобные материалы становятся временными магнитами.
- Диамагнетизм – слабая форма магнетизма, присутствующая только при наличии внешнего магнитного поля.
Парамагнетизм
Парамагнетизма - форма магнетизма, где материал будет притягиваться только, если есть внешнее магнитное поле. В парамагнитных материалах есть относительная магнитная проницаемость, больше или равная 1. Созданный магнитный момент выступает линейным и также слаб.
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.
Все существующие в природе вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на пять видов магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).
Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждая единица объёма — намагниченность M), пропорциональный магнитной индукции B и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ= M/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
Другими словами, магнитная проницаемость μ≤ 1 и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения. Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик.
Физическая природа основана на классической модели атома, в которой считается что электроны движутся вокруг ядра по замкнутым орбиталям. Каждая электронная орбита аналогична витку с током. Согласно закону Ленца, при изменении магнитного потока, пронизывающего контур с током, в контуре возникает ЭДС индукции, в результате чего изменяется ток. Это приводит к появлению дополнительного магнитного момента, направленного так, чтобы противодействовать внешнему магнитному полю. Другими словами, индуцированный магнитный момент направлен против поля. В контуре, образуемом движущимся по орбите электроном, в отличие от обычного витка с током, сопротивление = 0. Вследствие этого индуцированный магнитным полем ток сохраняется до тех пор, пока существует поле. Магнитный момент, связанный с этим током, и есть диамагнитный момент.
Парамагнетики —вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы μ>~1.
Парамагнетическая восприимчивость зависит от температуры: χ=С/Т (закон Кюри).
Природа парамагнетиков: каждый атом обладает определенным магнитным моментом, равным векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов. Так как орбитальные и спиновые моменты от внешнего магнитного поля не зависят, то орбитальный магнитный момента также не зависит от магнитного поля. Для некоторых атомов суммарный магнитный момент равняется нулю вследствие взаимной компенсации спиновых и орбитальных моментов. Атомарный водород (электронная конфигурация 1s1) на s-подуровне имеет всего один электрон. Поэтому для атомарного водорода спиновый момент не скомпенсирован, и он является парамагнетиком. Молекулярный водород Н2 в основном состоянии имеет два s-электрона с взаимно противоположными спинами. Суммарный спиновый, следовательно, и магнитный момент равен нулю. Поэтому, молекулярный водород является диамагнетиком. Аналогично, Li является парамагнитным и т.д.
Ферромагнетики.Для некоторых металлов, сплавов и соединений элементарные атомные магнитные моменты без внешнего магнитного поля ориентированы в одном направлении (рис.5). Такие вещества называются ферромагнетиками.
ферромагнетик — такое вещество, которое при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
Ферромагнетиками являются Fe, Ni, Co, их сплавы, ряд других соединений. Параллельная ориентация элементарных магнитных моментов имеет место не по всему объему ферромагнетика, а только в пределах небольших, макроскопических областей. Эти области, в пределах которых элементарные моменты ориентированы в одном направлении, называются доменами. Домены можно наблюдать под микроскопом при небольшом увеличении. В пределах домена ферромагнетик намагничен до насыщения. Такое намагничивание ферромагнетика происходит самопроизвольно, спонтанно без приложения внешнего поля. Ферромагнетик разбивается на большое число доменов. Направления намагничивания отдельных доменов различны. Поэтому полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю.
В некоторых соединениях силы обменного взаимодействия приводят к антипараллельной ориентации магнитных моментов атомов. При этом образуются две подрешетки, магнитные моменты которых направлены встречно друг другу (рис.9а). Соединения, в которых магнитные моменты обеих подрешеток одинаковы по величине и направлены встречно друг другу, называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетиками являются MnO, MnS, NiCr, Cr2O3 и другие соединения. При низких температурах суммарный магнитный момент антиферромагнетика равен нулю. При некоторой температуре антипараллельная ориентация магнитных моментов подрешеток разрушается, и антиферромагнетик превращается в парамагнетик. Это температура называется антиферромагнитной температурой Кюри или температурой Неля.
 |
Если магнитные моменты подрешеток не одинаковы по величине, то появляется некомпенсированный магнитный момент (рис.9 б). Такие соединения называются ферритами или ферримагнетиками. Антиферромагнетики и ферриты также имеют доменную структуру, подобно ферромагнетикам.
Все существующие в природе вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на пять видов магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики (ферриты).
Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждая единица объёма — намагниченность M), пропорциональный магнитной индукции B и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ= M/H у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
Другими словами, магнитная проницаемость μ≤ 1 и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения. Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик.
Физическая природа основана на классической модели атома, в которой считается что электроны движутся вокруг ядра по замкнутым орбиталям. Каждая электронная орбита аналогична витку с током. Согласно закону Ленца, при изменении магнитного потока, пронизывающего контур с током, в контуре возникает ЭДС индукции, в результате чего изменяется ток. Это приводит к появлению дополнительного магнитного момента, направленного так, чтобы противодействовать внешнему магнитному полю. Другими словами, индуцированный магнитный момент направлен против поля. В контуре, образуемом движущимся по орбите электроном, в отличие от обычного витка с током, сопротивление = 0. Вследствие этого индуцированный магнитным полем ток сохраняется до тех пор, пока существует поле. Магнитный момент, связанный с этим током, и есть диамагнитный момент.
Парамагнетики —вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля (J↑↑H) и имеют положительную магнитную восприимчивость. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы μ>~1.
Парамагнетическая восприимчивость зависит от температуры: χ=С/Т (закон Кюри).
Природа парамагнетиков: каждый атом обладает определенным магнитным моментом, равным векторной сумме орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов. Так как орбитальные и спиновые моменты от внешнего магнитного поля не зависят, то орбитальный магнитный момента также не зависит от магнитного поля. Для некоторых атомов суммарный магнитный момент равняется нулю вследствие взаимной компенсации спиновых и орбитальных моментов. Атомарный водород (электронная конфигурация 1s1) на s-подуровне имеет всего один электрон. Поэтому для атомарного водорода спиновый момент не скомпенсирован, и он является парамагнетиком. Молекулярный водород Н2 в основном состоянии имеет два s-электрона с взаимно противоположными спинами. Суммарный спиновый, следовательно, и магнитный момент равен нулю. Поэтому, молекулярный водород является диамагнетиком. Аналогично, Li является парамагнитным и т.д.
Ферромагнетики.Для некоторых металлов, сплавов и соединений элементарные атомные магнитные моменты без внешнего магнитного поля ориентированы в одном направлении (рис.5). Такие вещества называются ферромагнетиками.
ферромагнетик — такое вещество, которое при температуре ниже точки Кюри, способно обладать намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля.
Ферромагнетиками являются Fe, Ni, Co, их сплавы, ряд других соединений. Параллельная ориентация элементарных магнитных моментов имеет место не по всему объему ферромагнетика, а только в пределах небольших, макроскопических областей. Эти области, в пределах которых элементарные моменты ориентированы в одном направлении, называются доменами. Домены можно наблюдать под микроскопом при небольшом увеличении. В пределах домена ферромагнетик намагничен до насыщения. Такое намагничивание ферромагнетика происходит самопроизвольно, спонтанно без приложения внешнего поля. Ферромагнетик разбивается на большое число доменов. Направления намагничивания отдельных доменов различны. Поэтому полный магнитный момент ферромагнетика равен нулю.
В некоторых соединениях силы обменного взаимодействия приводят к антипараллельной ориентации магнитных моментов атомов. При этом образуются две подрешетки, магнитные моменты которых направлены встречно друг другу (рис.9а). Соединения, в которых магнитные моменты обеих подрешеток одинаковы по величине и направлены встречно друг другу, называются антиферромагнетиками. Антиферромагнетиками являются MnO, MnS, NiCr, Cr2O3 и другие соединения. При низких температурах суммарный магнитный момент антиферромагнетика равен нулю. При некоторой температуре антипараллельная ориентация магнитных моментов подрешеток разрушается, и антиферромагнетик превращается в парамагнетик. Это температура называется антиферромагнитной температурой Кюри или температурой Неля.
В диамагнитных материалах, помещенных во внешнее магнитное поле B0, возникает внутреннее поле, направленное навстречу намагничивающему полю.
Это связано с тем, что суммарный магнитный момент диамагнитного атома равен нулю. Когда диамагнитное вещество помещают во внешнее магнитное поле, то под действием этого поля возникает прецессия электронных орбит.
Поскольку электрон в атоме можно уподобить круговому току, характеризуемому магнитным моментом Рm , во внешнем магнитном поле на магнитный момент этого кругового тока начинает действовать вращательный момент
под действием этого момента М вектор орбитального момента электрона Рm начнет прецессировать вокруг направления вектора магнитной индукции B0, то есть получит дополнительное равномерное вращение, при котором вектор Рm будет описывать конус вокруг направления B0 (рис. 7.4).
Рис. 7.4. Прецессия орбитального магнитного момента Рm электрона
вокруг вектора магнитной индукции B0 внешнего поля
Таким образом, вектор Рm , перпендикулярный к плоскости электронной орбиты, сохраняет неизменный угол a наклона к внешнему полю и вращается вокруг B0 с некоторой угловой скоростью. Это движение сродни прецессии оси волчка в поле сил тяжести.
Частота этой прецессии
называемая ларморовой частотой, не зависит ни от угла наклона орбиты электрона к вектору B0, ни от радиуса орбиты или скорости электрона и, следовательно, для всех электронов одинакова. Прецессия электронной орбиты создает дополнительное движение электрона во внешнем магнитном поле B0. Это движение, как и любое движение зарядов, приводит к возникновению индуцированного магнитного момента, причем в данном случае направленного против поля (рис. 7.5).
Рис. 7.5. Формирование индуцированного магнитного момента, направленного против внешнего магнитного поля
В диамагнитных веществах во внешнем магнитном поле B0 возникает направленное противоположно B0 индуцированное магнитное поле В', которое ослабляет внешнее поле
то есть для диамагнетиков
Молекулы парамагнитного вещества имеют собственное магнитное поле, обусловленное тем, что у парамагнетиков векторная сумма орбитальных и спиновых моментов электронов не равна нулю. В отсутствие внешнего магнитного поля эти магнитные микрополя молекул тепловым движением ориентированы в пространстве хаотически, и поэтому суммарное магнитное макрополе парамагнетика равно нулю. При помещении парамагнитного вещества во внешнее магнитное поле B0 магнитные моменты атомов приобретают преимущественную ориентацию вдоль поля B0, которая тем больше, чем больше B0, причем эффект с увеличением температуры уменьшается. В результате суммарное собственное магнитное поле парамагнетика В становится отличным от нуля и направлено вдоль внешнего поля B0.
Парамагнетик, помещенный во внешнее магнитное поле, усиливает это поле
то есть для парамагнетиков
Следует отметить, что диамагнитный эффект имеет место для всех веществ без исключения, в том числе и для парамагнетика, однако величина диамагнитного эффекта существенно меньше парамагнитного, и в этом случае его можно не учитывать.
Если диамагнитный эффект не зависит от температуры вещества, то парамагнитный зависит, поскольку тепловое движение атомов и молекул нарушает преимущественную ориентацию по полю их магнитных моментов во внешнем магнитном поле (рис. 7.6).
Рис. 7.6. Зависимость намагниченности парамагнетика от обратной температуры
Зависимость магнитной восприимчивости парамагнетиков от температуры была установлена Кюри и выражается формулой
где С — постоянная Кюри, зависящая от вещества, Т — его абсолютная температура. Происхождение этой температурной зависимости такое же, как и для ориентационной поляризуемости диэлектрика (см. (3.21)). При очень низких температурах и очень высоких магнитных полях наблюдаются отступления от закона Кюри, обусловленные квантовыми эффектами.
Диамагнетики выталкиваются из магнитного поля, в то время как парамагнетики втягиваются в магнитное поле. Поэтому тонкие стержни из пара- и диамагнетиков, подвешенные на нитях и помещенные между полюсами магнита, ведут себя по-разному. Магнитное поле разворачивает диамагнитный стержень таким образом, что он поворачивается перпендикулярно силовым линиям, а парамагнитный стержень — встает параллельно силовым линиям (см. рис. 7.7).
Рис. 7.7. Поведение пара- и диамагнетиков во внешнем магнитном поле:
1 — парамагнитный стержень; 2 — диамагнитный стержень
На рис. 7.8 показан опыт, в котором палочка из висмута, являющегося диамагнетиком, подвешивается в поле сильного электромагнита. При включении поля палочка разворачивается и устанавливается параллельно поверхности полюсов магнита, то есть перпендикулярно полю.
Рис. 7.8. Диамагнетики в магнитном поле
На рис. 7.9. представлен опыт, в котором демонстрируется ориентация длинного металлического парамагнитного образца и длинной ампулы с раствором парамагнитной соли вдоль магнитного поля, создаваемого магнитом.
Микроскопические плотности токов в намагниченном веществе чрезвычайно сложны и сильно изменяются даже в пределах одного атома. Но во многих практических задачах столь детальное описание является излишним, и нас интересуют средние магнитные поля, созданные большим числом атомов.
Как мы уже говорили, магнетики можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.
Диамагнетизм (от греч. dia – расхождение и магнетизм) - свойство веществ намагничиваться навстречу приложенному магнитному полю.
Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов которых в отсутствии внешнего поля равны нулю, т.к. магнитные моменты всех электронов атома взаимно скомпенсированы (например инертные газы, водород, азот, NaCl и др.).
При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле его атомы приобретают наведенные магнитные моменты. В пределах малого объема ΔV изотропного диамагнетика наведенные магнитные моменты всех атомов одинаковы и направлены противоположно вектору .
Вектор намагниченности диамагнетика равен:
 , | (6.4.2) |
где n0 – концентрация атомов, – магнитная постоянная, –магнитная восприимчивость среды.
Для всех диамагнетиков Таким образом, вектор магнитной индукции собственного магнитного поля, создаваемого диамагнетиком при его намагничивании во внешнем поле направлен в сторону, противоположную . (В отличие от диэлектрика в электрическом поле).
У диамагнетиков
Парамагнетизм (от греч. para – возле, рядом и магнетизм) - свойство веществ во внешнем магнитном поле намагничиваться в направлении этого поля, поэтому внутри парамагнетика к действию внешнего поля прибавляется действие наведенного внутреннего поля.
Парамагнетиками называются вещества, атомы которых имеют, в отсутствие внешнего магнитного поля, отличный от нуля магнитный момент .
Эти вещества намагничиваются в направлении вектора .
К парамагнетикам относятся многие щелочные металлы, кислород , оксид азота NO, хлорное железо и др.
В отсутствие внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика , так как векторы разных атомов ориентированы беспорядочно.
При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле происходит преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов по направлению поля, так что парамагнетик намагничивается. Значения для парамагнетиков положительны ( ) и находятся в пределах , то есть примерно как и у диамагнетиков.
Читайте также: