Учебник для 10-11 классов

ФИЗИКА

§ 6.3. Объяснение пара- и диамагнетизма

• Различие пара- и диамагнитных свойств вещества обусловлено различием магнитных свойств их атомов.

Парамагнетизм

Электроны, движущиеся в атомах или молекулах парамагнитных тел, создают в окружающем пространстве магнитное поле. Эти атомы приближенно можно рассматривать как маленькие замкнутые кольцевые токи (рис. 6.5).

При внесении парамагнетика во внешнее поле отдельные элементарные токи стремятся ориентироваться по направлению линий индукции ₀ намагничивающего поля, точнее, нормали к контурам.

Рис. 6.5

Поэтому магнитные поля элементарных токов усиливают внешнее поле. Хаотическое тепловое движение атомов препятствует правильной ориентации токов, и чем выше температура, тем меньший процент элементарных токов оказывается ориентированным по направлению поля, т. е. тем слабее намагничивается вещество. При выключении намагничивающего поля тепловое движение полностью разрушает ориентацию токов и вещество размагничивается.

Чем сильнее намагничивающее поле, тем большая часть элементарных_ токов оказывается ориентированной вдоль ₀. Поэтому с возрастанием индукции намагничивающего поля магнитная индукция растет прямо пропорционально ₀. Согласно (6.1.1) это означает, что μ не зависит от ₀. В очень сильных полях все элементарные токи оказываются ориентированными по полю, несмотря на тепловое движение атомов. Достигается, как говорят, насыщение. Это означает отсутствие линейной зависимости от ₀, магнитная проницаемость уменьшается при больших ₀.

Диамагнетизм

В атомах и молекулах диамагнитных веществ токи, обусловленные движением электронов, имеют такую конфигурацию, что созданные ими магнитные поля взаимно компенсируют друг друга. В результате в обычном состоянии атом не создает поля. Почему же диамагнетики обнаруживают магнитные свойства? Причина этого проста. В момент включения магнитного поля (или при перемещении вещества в область, где это поле уже есть) в атомах или молекулах возникают индукционные токи подобно тому, как во вторичной обмотке трансформатора индуцируется ток при изменении магнитного поля, пронизывающего эту обмотку. Но в отличие от трансформатора индукционный ток в атоме не затухает и после исчезновения ЭДС индукции, так как сопротивления движению электронов в атомах нет.

Диамагнетизм целиком обусловлен явлением электромагнитной индукции. Согласно правилу Ленца направление индукционного тока таково, что созданное им поле противодействует намагничивающему полю (рис. 6.6). Понимать это нужно так: при включении магнитного поля возникает вихревое электрическое поле. Это поле заставляет электроны закручиваться вокруг магнитных линий ₀. На существовавшее ранее движение электронов накладывается дополнительное вращение. Вследствие этого вращения и возникает поле, противодействующее намагничивающему полю с индукцией ₀. При исчезновении внешнего магнитного поля исчезают индукционные токи и диамагнетик оказывается размагниченным.

Рис. 6.6

Из сказанного очевидно, что диамагнетизм присущ всем телам без исключения, так как во всех атомах, помещенных в магнитное поле, возникает дополнительный индукционный ток. Но проявляется диамагнетизм только у тех веществ, атомы или молекулы которых не создают магнитного поля сами по себе. У парамагнитных и тем более ферромагнитных тел атомы обладают собственными «врожденными» магнитными свойствами, и поэтому слабый диамагнитный эффект у таких веществ маскируется другими более сильными эффектами.

Магнитная индукция поля, создаваемого диамагнетиками, прямо пропорциональна индукции намагничивающего поля. Согласно закону электромагнитной индукции напряженность вихревого электрического поля тем больше, чем больше изменение индукции магнитного поля от нуля до конечного значения B₀. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от B₀.

Отметим еще, что тепловое движение атомов в целом не нарушает ориентации индукционных токов внутри атомов. Они всегда лежат в плоскостях, перпендикулярных ₀. Поэтому магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от температуры.

Сверхпроводники — идеальные диамагнетики

В предыдущей главе (см. § 5.9) уже говорилось о поведении сверхпроводников в переменном магнитном поле. Вернемся к этому вопросу и найдем значение μ для сверхпроводников.

Как было показано, в сверхпроводнике поток магнитной индукции индукционного тока равен потоку индукции внешнего поля и противоположен ему по знаку. Индукционный ток не просто стремится, согласно правилу Ленца, компенсировать то изменение магнитного потока, которое его порождает, но компенсирует его полностью. Магнитное поле вообще не проникает внутрь сверхпроводника. Это означает, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком. Так как магнитная индукция В внутри сверхпроводника равна нулю, то, согласно формуле (6.1.1), магнитная проницаемость сверхпроводника также равна нулю.