Магнитная восприимчивость
Магни́тная восприи́мчивость, безразмерная физическая величина , связывающая вектор намагниченности вещества с вектором напряжённости внешнего магнитного поля. Для изотропного магнетика , для анизотропного магнетика направления векторов и , как правило, не совпадают, и магнитная восприимчивость является симметричным тензором 2-го ранга, определяемым (если тензор восприимчивости приведён к главным осям) в общем случае тремя различными скалярными компонентами. Кроме обычной (рассчитанной на единицу объёма вещества) магнитной восприимчивости, определяют также удельную магнитную восприимчивость, равную , где – плотность магнетика, и молярную (атомную) магнитную восприимчивость, равную , где – молярная масса магнетика.
Магнитная восприимчивость связана с магнитной проницаемостью соотношением:
(в СИ)
(в СГС).
Магнитная восприимчивость может быть как положительной, так и отрицательной. Она отрицательна для диамагнетиков (анилин, бензол, водород, висмут, вода, гелий, графит, алмаз, золото, кадмий, каменная соль, кварц, медь, метан, нафталин, свинец, сера, стекло, углекислый газ, цинк и др.), т. е. диамагнетики намагничиваются таким образом, что магнитный момент атомов в веществе направлен против внешнего магнитного поля и ослабляет его. Это связано с тем, что при внесении магнетика в магнитное поле электронные оболочки атомов (первоначально хаотически ориентированные в пространстве и, следовательно, дающие нулевой суммарный магнитный момент) начинают прецессировать вокруг направления магнитного поля с угловой скоростью, направленной по полю (прецессия Лармора), а так как электроны являются отрицательно заряженными частицами, то магнитный момент тока прецессии у всех атомов будет направлен против внешнего магнитного поля.
Магнитная восприимчивость диамагнетиков не зависит от температуры и мала по абсолютной величине; так, их молярная магнитная восприимчивость имеет порядок . Сверхпроводники, геометрические размеры которых превышают глубину проникновения внешнего магнитного поля в сверхпроводник ( м) являются абсолютными диамагнетиками, для них , т. е. магнитное поле внутри таких сверхпроводников полностью отсутствует. В неоднородном магнитном поле диамагнетики выталкиваются в область слабого магнитного поля, поэтому они отталкиваются от постоянного магнита.
Диамагнитный механизм возникновения магнитной восприимчивости существует во всех магнетиках, но в пара-, ферро- и антиферромагнетиках он компенсируется другими физическими механизмами.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков (алюминий, барий, воздух, вольфрам, калий, кальций, магний, натрий, олово, платина, титан и др.) положительна. Их атомы и молекулы и в отсутствие внешнего магнитного поля обладают собственными магнитными моментами, превышающими по величине диамагнитные моменты, обусловленные прецессией в магнитном поле. В отсутствие внешнего магнитного поля вследствие теплового движения отдельных частиц направления их магнитных моментов распределены хаотически и суммарный магнитный момент парамагнетика равен нулю. Отличное от нуля внешнее магнитное поле стремится сориентировать магнитные моменты отдельных частиц параллельно полю. В веществе возникает суммарный магнитный момент, который направлен по полю и увеличивается с ростом магнитного поля (при данной температуре); с увеличением температуры магнитный момент уменьшается. В не очень сильных полях магнитная восприимчивость не зависит от величины магнитного поля и пропорциональна , где – абсолютная температура (закон Кюри).
Магнитная восприимчивость антиферромагнетиков выше точки Нееля подчиняется закону Кюри – Вейса; ниже возникает анизотропия магнитной восприимчивости. Так, магнитная восприимчивость в поле, ориентированном коллинеарно направлению магнитных моментов (оси антиферромагнетизма), уменьшается до нуля при , а магнитная восприимчивость в поле, перпендикулярном направлению оси антиферромагнетизма, не зависит от температуры.
Магнитная восприимчивость парамагнетиков и антиферромагнетиков имеет тот же порядок величины, что и абсолютная величина магнитной восприимчивости диамагнетиков.
У ферромагнетиков (железо, кобальт, никель, гадолиний, тербий, диспрозий, гольмий, эрбий, тулий и некоторые сплавы) собственные (спиновые) магнитные моменты из-за сильного квантово-механического обменного взаимодействия могут самопроизвольно упорядочиваться даже в отсутствие внешнего поля, что приводит к образованию намагниченных областей (магнитных доменов), магнитные моменты которых распределены хаотически. При наложении внешнего магнитного поля доменные границы начинают перестраиваться таким образом, что суммарный магнитный момент ориентируется вдоль приложенного магнитного поля. Это приводит к очень большим значениям магнитной восприимчивости, достигающей величин . С ростом температуры магнитная восприимчивость ферромагнетиков увеличивается, достигая резкого максимума вблизи точки Кюри, а в парамагнитной области (выше точки Кюри) уменьшается по закону Кюри – Вейса.
Опыт показывает, что магнитная восприимчивость ферромагнетиков нелинейно зависит не только от внешнего магнитного поля, но и от предыстории изменения магнитного поля (магнитный гистерезис).