Вещества у которых атомы не обладают магнитным моментом являются

Вещества у которых атомы не обладают магнитным моментом являются

Все вещества в той или иной степени обладают магнитными свойствами, т.е. являются магнетиками. Магнетики подразделяются на две большие группы: сильномагнитные и слабомагнитные вещества. Сильномагнитные вещества обладают магнитными свойствами даже в отсутствие внешнего магнитного поля. К ним относятся ферромагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики. Слабомагнитные вещества приобретают магнитные свойства только при наличии внешнего магнитного поля. Они подразделяются на диамагнетики и парамагнетики.

К диамагнетикам относятся вещества, атомы или молекулы которых в отсутствие внешнего поля не имеют магнитного момента. Атомы этих веществ устроены так, что орбитальные и спиновые моменты входящих в них электронов в точности компенсируют друг друга. Примером диамагнетиков являются инертные газы, атомы которых имеют только замкнутые электронные оболочки. При появлении внешнего магнитного поля вследствие явления электромагнитной индукции атомы диамагнетиков намагничиваются, и у них появляется магнитный момент, направленный, согласно правилу Ленца, против поля.

К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют отличные от нуля магнитные моменты. В отсутствие внешнего поля эти магнитные моменты ориентированы беспорядочно вследствие хаотического теплового движения, и поэтому результирующая намагниченность парамагнетика равна нулю. При появлении внешнего поля магнитные моменты атомов ориентируются преимущественно по полю, поэтому появляется результирующая намагниченность, направление которой совпадает с направлением поля. Следует отметить, что сами атомы парамагнетиков в магнитном поле намагничиваются так же, как и атомы диамагнетиков, но этот эффект всегда слабее эффекта, связанного с ориентацией моментов.

Главной особенностью ферромагнетиков является наличие спонтанной намагниченности, которая проявляется в том, что ферромагнетик может быть намагниченным даже в отсутствие внешнего магнитного поля. Это связано с тем, что энергия взаимодействия любой пары соседних атомов ферромагнетика зависит от взаимной ориентации их магнитных моментов: если они направлены в одну сторону, то энергия взаимодействия атомов меньше, а если в противоположные стороны, то больше. На языке сил можно сказать, что между магнитными моментами действуют короткодействующие силы, которые стараются заставить атом-сосед иметь такое же направление магнитного момента, как и у самого данного атома.

Спонтанная намагниченность ферромагнетика постепенно уменьшается с ростом температуры, и при некоторой критической температуре – точке Кюри – она становится равной нулю. При более высоких температурах ферромагнетик ведет себя в магнитном поле как парамагнетик. Таким образом, в точке Кюри происходит переход из ферромагнитного в парамагнитное состояние, который является фазовым переходом второго рода, или непрерывным фазовым переходом.

ДИАМАГНЕТИ́ЗМ

ДИАМАГНЕТИ́ЗМ (от греч. δια . – при­став­ка, оз­на­чаю­щая рас­хо­ж­де­ние, и маг­не­тизм), один из ви­дов маг­не­тиз­ма ; про­яв­ля­ет­ся в на­маг­ни­чи­ва­нии ве­ще­ст­ва в на­прав­ле­нии, про­ти­во­по­лож­ном дей­ст­вую­ще­му на не­го внеш­не­му маг­нит­но­му по­лю. Д. от­крыт М. Фа­ра­де­ем в 1845. При вне­се­нии к.-л. те­ла в маг­нит­ное по­ле в элек­трон­ной обо­лоч­ке ка­ж­до­го его ато­ма, в си­лу за­ко­на элек­тро­маг­нит­ной ин­дук­ции, воз­ни­ка­ют ин­ду­ци­ро­ван­ные кру­го­вые то­ки, т. е. до­ба­воч­ное кру­го­вое дви­же­ние элек­тро­нов во­круг на­прав­ле­ния маг­нит­но­го по­ля. Эти то­ки соз­да­ют в ка­ж­дом ато­ме ин­ду­ци­ро­ван­ный маг­нит­ный мо­мент , на­прав­лен­ный, со­глас­но пра­ви­лу Лен­ца, на­встре­чу внеш­не­му маг­нит­но­му по­лю не­за­ви­си­мо от на­ли­чия и ори­ен­та­ции собств. маг­нит­но­го мо­мен­та ато­ма. Д. яв­ля­ет­ся уни­вер­саль­ным свой­ст­вом, при­су­щим всем ве­ще­ст­вам, но мо­жет пе­ре­кры­вать­ся в боль­шей или мень­шей сте­пе­ни элек­трон­ным или ядер­ным па­ра­маг­не­тиз­мом , фер­ро­маг­не­тиз­мом или ан­ти­фер­ро­маг­не­тиз­мом . Элек­трон­ные обо­лоч­ки ато­мов (мо­ле­кул) чис­то диа­маг­нит­ных ве­ществ не об­ла­да­ют по­сто­ян­ным маг­нит­ным мо­мен­том. Маг­нит­ные мо­мен­ты, соз­да­вае­мые отд. элек­тро­на­ми в та­ких ато­мах, в от­сут­ст­вие внеш­не­го маг­нит­но­го по­ля вза­им­но ском­пен­си­ро­ва­ны. В ча­ст­но­сти, это име­ет ме­сто в ато­мах, ио­нах и мо­ле­ку­лах с пол­но­стью за­пол­нен­ны­ми элек­трон­ны­ми обо­лоч­ка­ми, напр. в ато­мах инерт­ных га­зов, в мо­ле­ку­лах во­до­ро­да, азо­та.

Вещества у которых атомы не обладают магнитным моментом являются

Диамагнетики — вещества, атомы и молекулы которых в отсутствие внешнего магнитного поля не обладают магнитным моментом. Это означает, что в веществе имеет место полная взаимная компенсация как орбитального, так и спинового магнитного момента.

К диамагнетикам относятся все инертные газы, водород, азот, хлор и др; ряд металлов (медь, цинк, золото, висмут, ртуть и т.д.); неметаллы (кремний, фосфор, сера и т.д.), а также дерево, мрамор, стекло, воск, нефть, вода и многие органические соединения.

Явление диамагнетизма заключается в том, что в веществе, помещенном в магнитное поле, возникает магнитный момент, направленный противоположно вектору магнитного поля $\vec B$.

Качественно явление диамагнетизма можно объяснить как проявление электромагнитной индукции. Электрон, вращающийся вокруг ядра, ведет себя подобно петле с током. Из теории электромагнитных явлений известно, что при внесении в магнитное поле контура с током в нем индуцируется дополнительная ЭДС, которая приводит к изменению тока в контуре. В контуре, необладающем сопротивлением (в нашем случае движущийся по орбите электрон образует именно такой контур), индуцированный ток сохраняется до тех пор, пока существует внешнее поле. Магнитное поле, создаваемое индукционным током, противоположно внешнему полю, поэтому поле в диамагнетике меньше намагничивающего. Внешнее проявление диамагнетизма состоит в том, что образец, помещенный в область с градиентом магнитного поля, должен выталкиваться из области сильного магнитного поля.

Более подробно диамагнетизм можно описать как результат прецессии электронной орбиты атома относительно оси, проходящей через ядро параллельно направлению вектора $\vec B$. Действительно, если атом, имеющий один электрон, поместить в магнитное поле $\vec B$, то при включении поля возникнет прецессия магнитного момента и плоскости орбиты вокруг направления вектора $\vec B$ (рис. 2). Вследствие прецессии орбиты электрон получает небольшое приращение угловой скорости $\Delta \omega ,$ которое зависит только от величины поля $\vec B$ и отношения заряда электрона к его массе $\frac$ $$ \Delta \vec \omega =\frac =\frac <2m_c> \vec B. $$ Из этого соотношения следует, что угловая скорость прецессии электрона совпадает с направлением вектора $\vec B$.

Вызванный прецессией дополнительный магнитный момент, так же пропорционален приложенному полю, но направлен против вектора $\vec B$, так как заряд электрона отрицательный $$ \Delta \vec m=-\frac r^ > c^ > \vec B. $$ В этом и состоит суть диамагнетизма электронной оболочки.

Этот эффект относится ко всем электронам, находящимся в любой оболочке атома. Если считать, что вещество состоит из атомов одного сорта, что электроны в атоме распределены сферически симметрично и в оболочке каждого атома находится $Z$ электронов, то дополнительный магнитный момент одного атома равен $$ \vec m_ =-\frac \overline >> c^ > \vec H, $$ где $\overline >$ — среднее значение квадрата радиуса орбиты.

Примечание. Поскольку эффекты диамагнетизма и парамагнетизма малы, то в последней формуле вектор $\vec B$ заменен на вектор $\vec H.$

Для получения среднего магнитного момента единицы объема намагниченности $\vec M$ необходимо $\vec m_$ умножить на среднее число атомов в единице объема вещества $N.$ В результате для вектора намагниченности $\vec M$ получим: $$ \vec M=-\frac N\overline >> c^ > \vec H=\chi \vec H. $$ Отсюда следует, что вектор намагниченности среды $\vec M$ пропорционален вектору поля $\vec H,$ но имеет противоположное ему направление (рис. 3).

Коэффициент пропорциональности $\chi$ называется магнитной восприимчивостью $$ \chi =-\frac N\overline >> c^ > . $$ Магнитная восприимчивость диамагнетика отрицательна и мала по величине ($10^\div 10^$). Она не зависит ни от температуры, ни от величины магнитного поля, но растёт пропорционально порядковому номеру $Z$ элемента (см. приложение табл. П1).

Если атомы вещества не обладают магнитным моментом, то единственным источником намагниченности является диамагнетизм.

Поскольку электронные орбиты имеются в атоме любого вещества, то диамагнетизм присущ всем без исключения веществам, но проявляется только тогда, когда магнитные моменты всех электронных орбит и всех спинов скомпенсированы. В других случаях он перекрывается более сильным парамагнетизмом.

Магнетизм

Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.

Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.

Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.

Ферромагнетики

Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.

Парамагнетики

В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.

Диамагнетики

В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.

В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.