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.