Понять, что такое магнитный момент, проще всего на примере контура с током. Плоский контур, имеющий площадь S, по которому течет ток i, обладает магнитным моментом
где n – единичный вектор нормали к плоскости витка, связанный правилом правого винта с направлением тока (рис. 1). Если поместить такой контур в магнитное поле напряженности H, то он развернется подобно магнитной стрелке так, что векторы Pm и H будут параллельны, если на контур не действуют никакие другие силы.
В магнитном отношении атом представляет собой сложную систему. Магнитный момент ядра обычно много меньше магнитного момента электронов. Магнитные моменты электронов могут оказаться скомпенсированными, тогда собственный магнитный момент атома или молекулы равен нулю. Взаимодействие магнитных моментов атомов с внешним магнитным полем приводит к возникновению макроскопического магнитного момента вещества. Одной из основных характеристик магнитных свойств является намагниченность. Намагниченностью называется векторная величина, равная среднему магнитному моменту единицы объема вещества:
Где 
векторная сумма всех магнитных моментов атомов. Средний магнитный момент единицы объема может существенно отличаться от намагниченности малых объемов. Поэтому, чтобы характеризовать намагниченность в определенной точке для неоднородно намагниченного вещества, вектор M определяют для физически малого объема как
Из определений (1) и (2) видно, что намагниченность в системе СИ измеряется в амперах на метр (А/м). Намагниченность образца зависит от величины напряженности внешнего магнитного поля. Эту зависимость характеризуют объемной магнитной восприимчивостью
Поскольку магнитное поле в системе СИ измеряется в А/м, величина æ (каппа) оказывается величиной безразмерной и носит название магнитной восприимчивости единицы объема. Кроме объемной восприимчивости в физике пользуются понятиями удельной восприимчивости и молярной восприимчивости. Поскольку единица объема вещества имеет массу, равную плотности ρ, то удельная восприимчивость χ (хи), т. е. восприимчивость единицы массы
Восприимчивость одного моля вещества
где μ – молярная масса в кг/моль, называется молярной восприимчивостью. Магнитная восприимчивость у разных веществ может быть положительной и отрицательной, сильно отличаться по величине, по-разному зависеть от напряженности магнитного поля и температуры. По совокупности этих признаков вещества обычно подразделяют на диамагнетики (χ < 0), парамагнетики (χ > 0), ферро- и антиферромагнетики (χ >> 1)
Более подробно остановимся на диа и пара магнетиках
Как и говорилось ранее диамагнетики имеют малую по величине восприимчивость (~10-6). Намагниченность в них возникает только в присутствии внешнего магнитного поля и направлена противоположно этому полю, поэтому их восприимчивость отрицательна. Будучи внесенными в неоднородное магнитное поле, они выталкиваются к области более слабого поля. Восприимчивость диамагнетиков, как правило, не зависит от температуры и величины магнитного поля. Качественно явление диамагнетизма можно объяснить следующим образом. При внесении тела в магнитное поле в электронной оболочке каждого его атома в силу закона электромагнитной индукции возникает индуцированный магнитный момент, который по правилу Ленца должен быть направлен против внешнего поля. Он возникает независимо от того, имелся ли у атома собственный магнитный момент или нет, и как он был ориентирован. Индуцированный момент может возникнуть только благодаря видоизменению движения электронов в атоме. Но в силу законов квантовой механики электроны могут двигаться только по стационарным орбитам, значит, орбитальный магнитный момент Pm (1), т. е. магнитный момент электрона, вызванный движением вокруг ядра, измениться не может. Поэтому изменение движения проявляется в прецессии электронной орбиты, т. е. ось орбиты O' описывает конус вокруг направления H (рис. 2) с частотой Лармора.
где е – заряд электрона; m – масса электрона; с – скорость света. Это и приводит к возникновению макроскопического магнитного момента M.
Индуцированный магнитный момент, обусловленный ларморовской прецессией, в широком диапазоне полей и температур пропорционален полю. Это обеспечивает постоянство магнитной восприимчивости диамагнетиков. Вклад каждого электрона в диамагнитную восприимчивость изолированного атома равен
где r – средний квадрат расстояния электрона от ядра атома. Из формулы (6) видно, что основной вклад в восприимчивость вносят наружные электроны, имеющие большие r. Молекулы некоторых ароматических веществ (например, бензол), у которого имеются замкнутые кольца из атомов, приобретают в поле магнитный момент, в 10-100 раз больший по сравнению с обычными веществами, так как под действием внешнего поля в них возникают замкнутые токи по периферии колец. Кроме того, в этих веществах наблюдается анизотропия восприимчивости по отношению к плоскости бензольного кольца. Диамагнетизм является универсальным свойством вещества, он проявляется всегда, но обнаружить его можно лишь в веществах, атомы и молекулы которых не имеют собственного магнитного момента, так как в противном случае диамагнитный эффект перекрывается более сильным пара- или ферромагнитным эффектом. К диамагнитным веществам относятся все инертные газы; ряд металлов: медь, цинк, серебро; вода; ряд солей; многие органические соединения.
Так же говоря о диамагнетиках, нельзя не вспомнить о так называемых идеальных диамагнетиках или сверх диамагнетиков.
Идеальный диамагнетизм возникает в проводниках, не обладающих электрическим сопротивлением - сверхпроводниках. Механизм его возникновения такой же, как у диамагнетизма. Внешнее магнитное поле индуцирует в проводнике токи, магнитное поле которых противоположно внешнему. Но в случае простых диамагнетиков контур индуцированного тока ограничен размерами атомов или молекул. В сверхпроводниках же эти токи охватывают поверхность всего тела, и поэтому диаметр кольцевых токов на много порядков больше. Экранирующие токи в сверхпроводнике такой величины, что создаваемое ими магнитное поле полностью компенсирует внешнее магнитное поле. Так что внутри сверхпроводящего тела магнитный поток В равен нулю (рис. 4). Иначе говоря, возникает ситуация, при которой образец как бы препятствует проникновению в него магнитного потока внешнего поля.
С момента открытия сверхпроводимости (1911 г.) считалось, что величина магнитного потока в сверхпроводнике зависит от последовательности наложения магнитного поля и охлаждения образца до температуры фазового перехода. Однако 22 года спустя Мейснер и Оксенфельд показали экспериментально, что при температурах перехода проводников в сверхпроводящее состояние образцы спонтанно становятся идеальными диамагнетиками, при этом последовательность изменения внешних условий (Н и Т) не играет никакой роли. Обнаруженный эффект получил название эффекта Мейснера.
Как мы уже видели ранее, магнитный поток или магнитная индукция связаны с напряжённость магнитного поля и интенсивностью намагничения соотношением (15) в гауссовой системе и (16) в системе СИ.
(15)
(16)
где mo - проницаемость вакуума (4π·10-7).
Так как в сверхпроводнике всегда В = 0, то H + I = 0 или I = – H, а так как χv = 1/H, то:
(17)
Как видно из соотношения (17), идеальный диамагнетик имеет магнитную восприимчивость практически в миллион раз большую, чем обычный диамагнетик.
Долгое время наблюдать свойства идеального диамагнетика и повторить эффект Мейсснера можно было лишь при сверхнизких температурах (область гелиевых температур). Однако с 1986 г. это можно сделать и в лабораториях, работающих с температурами жидкого азота, поскольку появились высокотемпературные проводники керамического типа
Парамагнетики – это вещества с положительной восприимчивостью (æ > 0), величина которой тоже мала (10-3 – 10-6). Необходимым признаком парамагнетизма является наличие у атомов или молекул собственных постоянных магнитных моментов, существующих независимо от присутствия внешнего магнитного поля. В отсутствие поля из-за теплового движения эти моменты ориентированы хаотически, так что намагниченность равна нулю. Во внешнем поле магнитные моменты ориентируются по полю, с ростом поля намагниченность M растет по закону M H r r = æ ×, причем æ всегда положительна. При попадании в неоднородное магнитное поле парамагнетик, в отличие от диамагнетика, втягивается в область сильного магнитного поля. В очень сильных магнитных полях или при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю, вещество приобретает состояние насыщения, т. е. все магнитные моменты атомов ориентированы параллельно полю. С повышением температуры при неизменной напряженности поля Н возрастает дезориентирующее действие теплового движения частиц, и магнитная восприимчивость убывает по закону Кюри:
где С – постоянная величина. Существование у атомов магнитных моментов, обусловливающих парамагнетизм, может быть связано с движением электронов в атоме (орбитальный парамагнетизм), с собственным магнитным моментом самих электронов (спиновый парамагнетизм), с магнитными моментами ядер (ядерный парамагнетизм). Закон Кюри (7) выполняется, во-первых, для диэлектриков, когда взаимодействие между магнитными моментами невелико, и, во-вторых, для ферромагнетиков выше точки Кюри. В случае металлов, где парамагнетизм в основном обусловлен электронами проводимости (спиновый парамагнетизм Паули), или полупроводников, где парамагнетизм обусловлен носителями заряда, концентрация которых, в свою очередь, зависит от температуры, зависимость æ от температуры существенно другая. Типичными представителями парамагнетиков являются газы: кислород, окись азота; щелочные металлы, а также железо, кобальт, никель при температурах выше точки Кюри; водные растворы солей, содержащие ионы переходных металлов и др. Парамагнетики и диамагнетики принято называть слабомагнитными веществами. Изучение их магнитной восприимчивости как теоретическое, так и экспериментальное представляет принципиальный интерес, поскольку позволяет определить магнитные моменты атомов и молекул, а, следовательно, судить о внутреннем их строении.