Парамагнетизм это кратко и понятно
Обновлено: 05.07.2024
(от пара. и магнетизм), свойство вещества намагничиваться во внешнем магнитном поле в направлении поля. Парамагнетизмом обладают вещества (парамагнетики), атомы (ионы) которых имеют магнитный момент, но в которых отсутствует самопроизвольная намагниченность. При намагничивании атомные магнитные моменты выстраиваются по направлению поля (в отсутствие поля они дезориентированы тепловым движением). Магнитная восприимчивость парамагнитного вещества ?>0; у многих веществ она не зависит от поля, но сильно зависит от температуры Т (см. Кюри закон), у щелочных металлов зависимость ? от Т слаба (см. Паули парамагнетизм). При температурах выше Кюри точки (или Нееля точки) ферро-, антиферро- и ферримагнетики парамагнитны (см. Кюри - Вейса закон). Кроме атомного существует также ядерный парамагнетизм.
Словарь Ефремовой
м.
Совокупность магнитных свойств тел, имеющих положительную магнитную
восприимчивость.
Энциклопедия Брокгауза и Ефрона
Большая Советская Энциклопедия
ПАРАМАГНЕТИ́ЗМ (от пара . и магнетизм ), свойство веществ, помещённых во внешнее магнитное поле, приобретать намагниченность, направленную вдоль вектора напряжённости $\boldsymbol H$ магнитного поля. П. впервые описан М. Фарадеем в 1847. В неоднородном внешнем магнитном поле парамагнитные тела ( парамагнетики ) втягиваются в область с бо́льшим значением $\boldsymbol H$. П. противопоставляется диамагнетизму , при котором приобретаемая веществом намагниченность противоположна по направлению внешнему магнитному полю. Для П. характерна возможность пренебречь по тем или иным причинам ориентирующим взаимодействием между локальными магнитными моментами атомов или молекул вещества, наличие которого характерно для ферромагнетизма и антиферромагнетизма , поэтому П. противопоставляется ферро- и антиферромагнетизму, так же как и любому др. магнитоупорядоченному состоянию (см. Магнетизм ).
ПАРАМАГНЕТИЗМ (от пара. и магнетизм), свойство тел, помещённых во внеш. магнитное поле, намагничиваться (приобретать магнитный момент) в направлении, совпадающем с направлением этого поля. Т. о., внутри парамагнитного тела (парамагнетика) к действию внеш. поля прибавляется действие возникшей намагниченности J. В этом отношении П. противоположен диамагнетизму, при к-ром возникающий в теле под действием поля магнитный момент ориентирован навстречу направлению напряжённости внеш. магнитного поля Н. Поэтому парамагнитные тела притягиваются к полюсам магнита (откуда назв. "П."), а диамагнитные - отталкиваются. Характерным для парамагнетиков свойством намагничиваться по полю обладают также ферромагнетики и антиферромагнетики. Однако в отсутствие внеш. поля намагниченность парамагнетиков равна нулю и они не обладают магнитной структурой (взаимной упорядоченной ориентацией магнитных моментов атомов), в то время как при Н = О ферро- и антиферромагнетики сохраняют магнитную структуру. Термин "П." ввёл в 1845 М. Фарадей, к-рый разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа- и парамагнитные. П. характерен для веществ, частицы к-рого (атомы, молекулы, ионы, ядра атомов) обладают собств. магнитным моментом, но в отсутствие внеш. поля эти моменты ориентированы хаотически, так что J = 0. Во внеш. поле магнитные моменты атомов парамагнитных веществ ориентируются преим. по полю. В слабых полях намагниченность парамагнетиков растёт с ростом поля по закону J = xH, где x - магнитная восприимчивость 1 моля вещества, для парамагнетиков всегда положительная и обычно равная по порядку величины 10 -5 - 10 -3 . Если поле очень велико, то все магнитные моменты парамагнитных частиц ориентируются строго по полю (достигается магнитное насыщение). С повышением темп-ры Т при неизменной напряжённости поля возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц и магнитная восприимчивость убывает - в простейшем случае по Кюри закону x = С/Т (С - постоянная Кюри, зависящая от природы вещества). Отклонения от закона Кюри (см. Кюри-Вейса закон) в основном связаны с взаимодействием частиц (влиянием кристаллич. поля). П. свойствен: многим чистым элементам в металлич. состоянии (щелочные металлы, щёлочноземельные металлы, нек-рые металлы переходных групп с незаполненным d-слоем или f-слоем электронной оболочки - группы железа, палладия, платины, редкоземельных элементов, актиноидов; а также сплавы этих металлов); солям группы железа, группы редкоземельных элементов от Се до Yb и актиноидов и их водным растворам; парам щелочных металлов и молекулам газов (напр., О2 и NO); небольшому числу органич. молекул ("бирадикалам"); ряду комплексных соединений. Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при темп-pax, превышающих, соответственно, темп-ру Кюри или Нееля (темп-ру фазового перехода в парамагнитное состояние).
Существование у атомов (ионов) магнитных моментов, обусловливающих П. веществ, может быть связано с движением электронов в оболочке атома (орбитальный П.), со спиновым моментом самих электронов (спиновый П.), с магнитными моментами ядер атомов (ядерный П.). Магнитные моменты атомов, ионов, молекул создаются в основном спиновыми и орбитальными моментами их электронных оболочек. Они примерно в тысячу раз превосходят магнитные моменты атомных ядер (см. Магнетон). П. металлов слагается в основном из П., свойственного электронам проводимости (т. н. парамагнетизм Паули), и П. электронных оболочек атомов (ионов) кристаллич. решётки металла. Поскольку движение электронов проводимости металлов практически не меняется при изменении темп-ры, П., обусловленный электронами проводимости, от темп-ры не зависит. Поэтому, напр., щелочные и щёлочноземельные металлы, у к-рых электронные оболочки ионов лишены магнитного момента, а П. обусловлен исключительно электронами проводимости, обладают магнитной восприимчивостью, не зависящей от темп-ры. В тех веществах, у к-рых нет электронов проводимости и магнитным моментом обладает лишь ядро (напр., у изотопа гелия 3 Не), П. крайне мал (x~ 10 -9 -10 -12 ) и может наблюдаться лишь при сверхнизких темп-pax (Т 2 /3kT, где N - число магнитных атомов в 1 моле вещества, na - магнитный момент атома, k - Болъцмана постоянная. Эта формула была получена методами статистической физики для системы практически не взаимодействующих атомов, находящихся в слабом магнитном поле или при высокой темп-ре (когда na H = 2 (к насыщению). Квантовая теория П., учитывающая квантование пространственное момента nа(Л. Бриллюэн, 1926), даёт аналогичное выражение для восприимчивости x диэлектриков (при na H " kT): x=NJ (J + 1) na 2 g 2 i/3kT, где J - квантовое число, определяющее полный момент количества движения атома, gi - Ланде множитель. Парамагнитная восприимчивость полупроводников x п э, обусловленная электронами проводимости, в простейшем случае зависит от темп-ры Т экспоненциально x п э=АТ 1/2 ехр(- дельта Е/2kT), где А - константа вещества, дельта Е - ширина запрещённой зоны полупроводника. Особенности индивидуального строения полупроводников сильно искажают эту зависимость. В простейшем случае для металлов (без учёта Ландау диамагнетизма и взаимодействия электронов)
x м э = 3Nn 2 э/2Е0, где Е0 - Ферми энергия, nэ - магнитный момент электрона (x м э не зависит от температуры). Ядерный П. при отсутствии сильного взаимодействия между спинами ядер и электронными оболочками атомов характеризуется величиной xя = Nn 2 я/3kT, к-рая приблизительно в 10 6 раз меньше электронной парамагнитной восприимчивости (nэ~10 3 nя). Изучение П. различных веществ, а также электронного парамагнитного резонанса (резонансного поглощения парамагнетиками энергии электромагнитного поля) позволяет определять магнитные моменты отд. атомов, ионов, молекул, ядер, изучать строение сложных молекул и молекулярных комплексов, а также осуществлять тонкий структурный анализ материалов, применяемых в технике. В физике парамагнитные вещества используют для получения сверхнизких темп-р (ниже 1 К, см. Магнитное охлаждение). Историю развития учения о П. см. в ст. Магнетизм.
Лит.: Вонсовский С. В., Магнетизм микрочастиц, М., 1973; его же, Магнетизм, М., 1971; Дорфман Я. Г., Магнитные свойства и строение вещества, М., 1955; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Киттель Ч., Введение в физику твёрдого тела, пер. с англ.
2 изд., М., 1963; Физика магнитных диалект* риков, Л., 1974. Я. Г. Дорфман.
Все вещества в зависимости от выраженности магнитных свойств делятся на сильномагнитные и слабомагнитные. Магнетики можно разделить по видам механизма, вызывающего намагничивание.
Что такое диамагнетики
Диамагнетики являются слабомагнитными веществами: они не магнитятся, если на них не действует магнитное поле.
Если парамагнетики внести во внешнее магнитное поле, то в их атомах начинается движение электронов, порождающее ориентированный круговой ток.
Этот ток обладает собственным магнитным моментом ρ m .
Круговой ток, в свою очередь, порождает магнитную индукцию, дополнительную по отношению к внешним полям. Вектор этой индукции направлен против внешнего поля. Силу воздействия внешнего поля можно найти так:
Любое вещество может проявлять свойство диамагнетизма. Величина магнитной проницаемости диамагнетиков обычно приравнивается к единице (отклонение незначительно). В случае с жидкостями и твердыми телами величина восприимчивости равна примерно 5 - 10 , у газов она заметно меньше. Данный показатель не имеет прямой связи с температурой – этот факт подтвержден экспериментально П. Кюри.
Диамагнетики бывают следующих видов:
- классические;
- аномальные;
- сверхпроводники.
Если магнитное поле несильное, то величина намагниченности диамагнетика прямо пропорциональна напряженности магнитного поля H → .
Ниже представлена схема, которая наглядно показывает данную зависимость в случае с классическими диамагнетиками (в слабом магнитном поле):
Что такое парамагнетики
Парамагнетики также являются слабомагнитными веществами. Их молекулы характеризуются наличием постоянного магнитного момента p m → . Его энергию во внешнем поле можно вычислить так:
Если направления векторов B → и p m → совпадут, то величина энергии будет минимальной.
Если мы внесем парамагнетик во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты получат преимущественную ориентацию в направлении поля, соответствующую распределению Больцмана.
Иными словами, вещество намагничивается: дополнительное поле усиливается за счет совпадения с внешним. При этом угол между векторами остается неизменным.
Смена ориентации магнитных моментов по распределению Больцмана связана со столкновениями и взаимодействием атомов между собой. В отличие от диамагнетиков, магнитная восприимчивость парамагнетиков меняется в зависимости от температуры в соответствии с законом Кюри или законом Кюри-Вейсса.
В формуле дельтой обозначена постоянная, которая может быть и больше 0 , и меньше.
Величина магнитной восприимчивости парамагнетика больше 0 , но незначительно. Выделяют следующие виды парамагнетиков:
- нормальные;
- парамагнитные металлы;
- антиферромагнетики.
Второй тип парамагнетиков не обнаруживает связи магнитной восприимчивости с температурой. Такие металлы являются слабомагнитными при χ ≈ 10 - 6 .
Парамагнетические вещества характеризуются наличием парамагнитного резонанса. Возьмем внешнее магнитное поле с помещенным в него парамагнетиком. Как мы уже писали выше, в нем создается дополнительное магнитное поле с вектором индукции, направленным перпендикулярно вектору постоянного поля. При взаимодействии дополнительного поля с магнитным моментом атома создается так называемый момент сил M → .
Данный момент стремится к смене угла между p m → и B → .
При совпадении частоты прецессии с частотой переменного магнитного поля момент сил, создаваемый этим полем, будет либо постоянно увеличивать указанный угол, либо постоянно уменьшать. Это называется явлением парамагнитного резонанса.
Если магнитное поле слабое, то намагниченность в парамагнетиках будет пропорциональна напряженности поля и может быть выражена следующей формулой:
Что такое ферромагнетики
В отличие от двух перечисленных выше магнетиков, ферромагнетики являются сильномагнитными веществами.
Ферромагнетики – это вещества с высокой магнитной проницаемостью, зависящей от внешнего магнитного поля.
Данные вещества могут иметь так называемую остаточную намагниченность. Выразить зависимость восприимчивости ферромагнетиков от напряженности внешнего магнитного поля можно с помощью функции. Она представлена на схеме ниже:
Намагниченность ферромагнетика имеет пределы насыщения. Это указывает нам на природу возникновения намагниченности в таких веществах: она образуется путем смены ориентации магнитных моментов вещества. Для ферромагнетиков также характерно такое явление, как гистерезис.
В магнитном отношении все ферромагнетики делят на мягкие и жесткие. Первые из них имеют высокую магнитную проницаемость и способны легко намагничиваться и размагничиваться. Они имеют широкое применение в электротехнических приборах, основанных на работе переменных полей (например, трансформаторов). Жесткие ферромагнетики имеют сравнительно небольшую проницаемость и намагничиваются трудно. Их используют при производстве постоянных магнитов.
Условие: на схеме выше (рис. 3 ) показана кривая намагниченности ферромагнетика. Постройте кривую, выражающую зависимость B ( H ) и определите, возможно ли насыщение для магнитной индукции. Поясните свой вывод.
Решение
Мы знаем отношение вектора магнитной индукции к вектору намагниченности.
Из этого можно сделать вывод, что насыщения кривая B ( H ) иметь не может. Создадим график зависимости напряженности внешнего поля от индукции магнитного поля в соответствии с рисунком выше. Мы получили схему, называемую кривой намагничивания:
Ответ: кривая индукции не имеет насыщения.
Условие: выведите формулу восприимчивости парамагнетика при условии, что механизм его намагничивания точно такой же, как механизм электризации полярных диэлектриков. Среднее значение магнитного момента молекул в проекции на ось Z обозначается формулой ρ m z = ρ m L ( β ) .
Здесь L ( β ) = c t h ( β ) - 1 β означает функцию Ланжевена при β = ρ m B k T .
Решение
Взяв высокие температуры и небольшие поля, получим следующее:
ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .
Значит, если β ≪ 1 c t h β = 1 β + β 3 - β 3 45 + . . . , можно ограничить функцию линейным членом и получить, что:
ρ m B ≪ k T , → β ≪ 1 .
Возьмем нужную формулу и подставим в нее полученное значение:
ρ m z = ρ m ρ m B 3 k T = ρ m 2 B 3 k T .
Зная, как связаны между собой напряженность магнитного поля и его индукция, а также приравняв магнитную проницаемость парамагнетика к 1 , получим следующее:
ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T .
В итоге формула намагниченности будет выглядеть так:
J = n ρ m z = ρ m 2 μ 0 H 3 k T n .
Поскольку модуль намагниченности связан с модулем вектора ( J = χ H ), мы можем записать результат:
Читайте также: