8.4 Природа парамагнетизму. Парамагнетизм електронного газу

Парамагнітні властивості характерні речовинам, електронні оболонки атомів яких не повністю заповнені, тобто атоми мають по­стійний магнітний момент М, або уявляють собою постійні магнітні диполі. Другою умовою існування парамагнітного ефекту є слаба вза­ємодія цих диполів між собою. Відомо, що потенціальна ^ 4 М    енергія и магнітного диполя М у зовнішньому полі 0, напруженістю Н залежить від кута 9 між ними (рис.8.7)

І и = -МНсо8Є. (8.14)

Рисунок 8.7 Мінімальне значення буде при 0 = 0°. Тому всі

диполі намагаються зорієнтуватись у напрямку зовніш­нього поля Н, викликаючи його підсилення. Результуючий магнітний момент речовини складається із проекцій магнітних моментів окремих атомів на напрямок зовнішнього поля. Тепловий рух викликає дезорі­єнтацію магнітних моментів окремих атомів, і чим вища температура, тим сильніша ця дезорієнтуюча дія і тим менша намагніченість і маг­нітна сприйнятливість. При певній температурі встановлюється дина­мічна рівновага між орієнтуючою дією поля і дезорієнтуючою дією теплового руху.

Вважаючи, що кут 0 може приймати будь-яке значення, і скори­ставшись законом Больцмана розподілу енергій, французький фізик П.Ланжевен (1872-1946) розрахував намагніченість одиниці об'єму іт і магнітну сприйнятливість %

іт --^н, *-3ц0к V (8Л5)

де п - концентрація атомів.

Видно, що іт ~ Н, а % ~ Т"1 у відповідності із законом Кюрі.

Відмітимо, що речовина буде парамагнетиком, коли підсилення магнітного поля за рахунок орієнтації магнітних диполів буде пере­вищувати діамагнітний ефект.

Парамагнітні властивості мають і вільні електрони. В зоні про­відності знаходяться електрони з протилежно направленими спінами і спіновими магнітними моментами приблизно в однаковій кількості. Результуючий спіновий магнітний момент електронного газу дорів­нює нулю. Під дією зовнішнього магнітного поля частина спінів, „пе­рекидається" (змінює напрямок на протилежний), щоб потенціальна енергія їх була мінімальною у відповідності з формулою (8.14). В ре­зультаті кількість електронів з протилежними спінами становиться не однаковою. Виникає результуючий магнітний момент, який і підси­лює зовнішнє поле.