<<
>>

2.7. Слабомагнитные вещества и их использование

Для большинства веществ величина магнитной восприимчивости c очень мала, то есть создаваемое ими магнитное поле не велико (2.35), а величина магнитной проницаемости близка к единице.

Поэтому в повседневной жизни существует мнение, что большинство веществ, включая и широко используемые медь и алюминий, не реагируют на внешнее магнитное поле. Конечно, это не так, но реакция большинства веществ на внешнее магнит­ное поле может быть замечена лишь в хорошо поставленных экспериментах.

Рассмотрим вначале поведение в магнитном поле тех веществ, атомы которых имеют собственные магнитные моменты, не равные нулю — парамагнетиков. В этих материалах вектор намагничения сонаправлен с (см. рис. 2.17), то есть магнитная восприимчивость c положительна (2.35), а магнитная проницаемость m > 1.

Эти свойства приводят к тому, что если парамагнетик поместить во внешнее неоднородное магнитное поле, он будет втянут в это поле, поскольку возникший в веществе южный полюс S’ будет притянут северным полюсом N внешнего магнитного поля (рис. 2.19).

Несмотря на слабость парамагнитного эффекта, он находит при­менение в так называемом парамагнитном охлаждении тел. Из­вестно, что с увеличением температуры растёт степень беспорядка молекул, мерой которого является одна из функций состояния термодинамической системы — энтропия S. Следовательно, с увеличением температуры возрастает и эн­тропия (кривая 1, рис. 2.20). В присутствии внешнего магнитного поля атомы ориентированы вдоль него, поэтому степень беспорядка при наличии поля меньше, чем без него.

Но с возрастанием температуры энтропия также увеличивается, но зависимость от температуры идёт ниже (кривая 2, рис. 2.20). Хорошо видно, что если энтропия S1 одинакова при = 0 и при , то это соответствует разным температурам Т1 и Т2. Поэтому, если тело охладить в присутствии магнитного поля до температуры Т1, а затем поле убрать, энтропия (степень беспо­рядка) не изменится, но температура понизится, она станет равной Т2. Парамагнитное охлаждение позволяет достичь очень низких температур — порядка 0,001 К. Такая низкая температура недос­тижима другими способами охлаждения.

Парамагнитные явления используются в ряде слу­чаев как метод исследования свойств веществ. Поэтому приве­дём примеры веществ с парамагнитными свойствами: азот, кислород, щелочные металлы, алюминий, платина, титан, ванадий, уран, CuCl2 и др.

Теперь рассмотрим диамагнетизм — явление, свойственное всем веществам. Оно заключается в появлении внутри вещества магнитного поля, противопо­ложного внешнему. Это внутреннее поле по своей сущности индукционное. Возникает оно как в проводниках, где можно говорить об индук­ционных токах, возникших при внесении проводника во внешнее магнитное поле, так и в отдельных молекулах диэлектрика. В соответствии с законом Фарадея — Ленца индукционное поле препятствует изменению внешнего поля, вызвавшего ин­дукцию.

Рассмотрим сначала случай проводника, т. е. вещества, где свободные заряды движутся без внешнего поля подобно молекулам газа, хаотично. На рис. 2.21 показаны два заряда, знак которых для простоты взят положительным, несмотря на то, что в большинстве проводников свободными зарядами являются электроны. Скорости этих зарядов произвольны, поскольку движение хао­тично.

На рисунке показаны также силы Лоренца, возникающие при лю­бом движении заряда в магнитном поле. Искривление траектории движения каждого заряда позволяет принять движение заряда за круговой ток, магнитное поле которого определяется правилом буравчика и показано для каждого случая на чертеже. Оно оказы­вается всегда противоположно нарастающему внешнему полю , как того тре­бует закон электромагнитной индукции.

Величина индукционного поля определяется величиной возникших под действием внешнего поля индукционных токов. Последние особенно велики там, где сопротивление мало, т.е. в хороших проводниках. В случае, когда сопротивление стремится к нулю, становится равным по величине внешнему, вызвавшему индукцию. Такое явление имеет место в сверхпроводниках, внутри которых суммарное магнитное поле всегда равно нулю. Сверхпроводники являются идеальными диамагнетиками.

Реакция диамагнетиков на внешнее магнитное поле противоположна реакции парамагнетиков. Парамагнетики втягива­ются в неоднородное магнитное поле (см. рис. 2.19).

Диамагнетики же выталкиваются из него (рис. 2.22), так как в них вектор намагничения направлен против внешнего поля.

Это явление особенно существенно в сверхпроводниках, где величина ин­дукционного поля может быть сколь угодно большой из-за отсут­ствия сопротивления. Эффект выталкивания может быть на­столько велик, что сверхпроводящее тело повисает в воздухе над полем, вызвавшим индукцию. Так, к примеру, если по металличе­скому кольцу будет циркулировать ток, то помещённый над этим кольцом сверхпроводящий шар повис­нет над ним.

Идеальный диамагнетизм открывает перспективу исполь­зования механического эффекта отталкивания для создания опор без трения. Сверхпроводящие подвесы, работающие по принципу описанного выше опыта, могут быть использованы в гироскопах, моторах и т. п. В ряде стран ведутся работы по созданию транс­порта на "магнитной подушке". В результате выталкивания сверхпроводника магнитным полем вагоны будут висеть над ме­таллическим путепроводом. В Японии была создана модель такой железной дороги длиной 400 м. Вагон весом 2 т двигался над путепроводом со скоростью 50 км/ч. Ожидается, что по­езда на магнитной подушке смогут развивать скорость до 500 км/ч.

Использование сверхпроводимости затруднено тем, что она наблюдается пока только при очень низких температу­рах. В 1984 году появилась работа американского физика Литтла, в которой была предложена модель сверхпроводника с температурой перехода в сверхпроводящее состояние порядка 2000 К. Речь идёт о создании органического сверхпроводника. Более поздние работы приводят к выводу о возможности высокотемпе­ратурной сверхпроводимости в сплавах металлов, содержащих примеси редкоземельных элементов.

В диэлектриках диамагнитный эффект также имеет место: внешнее магнитное поле вызывает дополнительное движение электронов (прецессию), опи­санное в § 2.3 (см. рис. 2.7). Прецессионное движение электронов приводит к появлению магнитного поля, противоположного внешнему.

И, наконец, последнее: вектор намагничения в диамаг­нетиках направлен против внешнего поля , и в соответствии с формулой (2.35) магнитная восприимчивость диамагнетиков отри­цательна. Следовательно, магнитная проницаемость диамагнетиков μ = (χ + 1) будет меньше единицы. Диамагнитный эффект очень слаб (c » – 10–6), по­этому он бывает заметен лишь в тех веществах, где нет парамаг­нитного эффекта, то есть там, где суммарный магнитный момент атома равен нулю. Такими веществами являются благородные газы, медь, свинец, вода и др. Особенно заметно диамагнетизм проявляется в висмуте и графите, где c достигает – (200–300)?10–6.

Теория парамагнетизма, расчёт магнитных моментов от­дельных атомов строится на основе квантовой механики. Основы этой теории были заложены французским физиком Ланже­веном, работавшим в конце ХIХ и первой половине ХХ века. Теория диамагнетизма была разработана несколько позднее. Су­щественный вклад в её создание внёс советский физик, лауреат Нобелевской премии Лев Дави­дович Ландау.

<< | >>
Источник: Н.М. Соколова, В.И. Биглер. ФИЗИКА. Курс лекций. Часть 3. Челябинск. Издательство ЮурГУ. 2002

Еще по теме 2.7. Слабомагнитные вещества и их использование:

  1. Методика использования МИКФ
  2. 27. Условия и порядок предоставления жилого помещения в фонде социального использования.
  3. 3.4 Использование ИК метода для выявления структурных дефектов и оптической неоднородности.
  4. Метод формирования тремерной рабочей сцены при использовании нескольких оптико-электронных датчиков
  5. Алгоритм формирования тремерной рабочей сцены при использовании нескольких оптико-электронных датчиков
  6. Глава 2 ОПЫТ РАЗРАБОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЧЕБНЫХ ЗАДАНИЙ, ОРИЕНТИРОВАННЫХ НА ДОСТИЖЕНИЕ ЛИЧНОСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ШКОЛЬНИКОВ В ПРОЦЕССЕ ОБУЧЕНИЯ
  7. Характеристики порошка аморфного бора
  8. Заключение
  9. Синтаксический рисунок художественного и научного текста
  10. Зависимость пропускания, поглощения и рассеяния света от объемных дефектов структуры и оптической однородности кристаллов.
  11. 3. Органы и должностные лица, применяющие меры административного принуждения
  12. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ
  13. 23. Договор аренды зданий и сооружений
  14. 29. Права и обязанности сторон по договору социального найма жилого помещения.