Природа появления микротоков связана с незатухающими кольцевыми токами, циркулирующими в частицах вещества. Ампер назвал такие токи микротоками, т.к. эти токи принимают участие в создании магнитного момента вещества (или его части), но не дают вклад в макротоки (токи проводимости, т.е. направленные движения микрочастиц вещества под действием внешних электрических полей).
Рассмотрим модель одноэлектронного атома (рис. 7.1). Такой атом может быть представлен в виде массивной положительно заряженной частицы (ядра), находящейся в центре круговой орбиты электрона, вращающегося вокруг него.
Отрицательно заряженный электрон, вращающийся по орбите, создает орбитальный ток. Направление орбитального тока противоположно направлению вращения электрона. Если скорость вращения электрона по орбите равна 
, то силу орбитального тока 
можно найти, разделив величину заряда, проходящего по орбите на время его прохождения:
. (7.1)
Орбитальный ток электрона подобен току, существующему в проводящем витке, а поэтому вращение электрона по орбите создает орбитальный магнитный момент атома, который можно найти, согласно (5.16) так:
. (7.2)
Направление магнитного момента определяется по правилу буравчика и указано на рис. 7.1.
Поместим атом в однородное магнитное поле с индукцией 
, линии индукции которого перпендикулярны плоскости электронной орбиты (рис.7.2). Это означает, что модуль магнитной индукции возрастает от нуля до 
, а, следовательно, изменяется магнитный поток через площадь электронной орбиты. Таким образом, согласно закону электромагнитной индукции, внесение атома в поле вызовет появление вихревого электрического поля, силовые линии которого будут замкнуты сами на себя вдоль электронной орбиты. Направление силовых линий определяется по правилу Ленца: вихревое поле должно вызвать ток, препятствующий нарастанию магнитного потока через площадь орбиты.
|
|
Напряженность возникающего вихревого электрического поля можно найти из закона электромагнитной индукции (6.7):
,
,
. (7.3)
Со стороны вихревого поля на электрон будет действовать сила 
. Запишем второй закон Ньютона в виде
,
подставим в него (7.3):
.
Полученное выражение проинтегрируем, учтя изменение скорости электрона от до 
, а магнитной индукции от 0 до :
,
.
Таким образом, скорость электрона изменяется (падает, т.к. вихревое поле вызывает ток, противоположный орбитальному), а, следовательно, изменяется и угловая скорость вращения электрона:
. (7.4)
В соответствии с (7.1), изменению скорости движения электрона будет соответствовать изменение силы орбитального тока:
.
Соответственно, изменится и орбитальный магнитный момент:
. (7.5)
На рис. 7.2 показано, что новый орбитальный магнитный момент атома 
имеет меньший модуль, чем раньше. Важно, что внесение атома в магнитное поле приводит к тому, что создается магнитный момент 
такой, что 
. Этот результат не зависит от направления движения электрона по орбите.
Аналогичный результат можно получить и другим способом. При отсутствии магнитного поля движение электрона по орбите обеспечивается действием на него кулоновского притяжения к ядру:
. (7.6)
П 
ри помещении атома в магнитное поле на электрон действует сила 
со стороны поля. На рис. 7.3 показано, что это воздействие тормозит его движение по орбите. Действительно, второй закон Ньютона для электрона в этом случае запишется так:
|
|
.
Решение уравнения дает значение скорости электрона, меньшее, чем из закона (7.6). Магнитный момент атома становится меньше: 
. Индуцированный магнитный момент 
направлен против индукции поля: .
Если рассмотреть движение электрона в другую сторону, то воздействие магнитного поля увеличивает скорость электрона (рис. 7.4). Действительно, второй закон Ньютона теперь принимает такой вид:
,
а поэтому скорость электрона возрастает. Соответственно, увеличивается и орбитальный магнитный момент: 
. Однако и в этом случае индуцированный магнитный момент направлен против индукции поля: .
Наконец, необходимо рассмотреть самый общий случай поведения электронной орбиты в магнитном поле (рис. 7.5). Если линии магнитной индукции не перпендикулярны плоскости орбиты, то на электронную орбиту (виток с током) действует вращающий момент 
(5.34). Под действием магнитного поля, в соответствии с основным уравнением динамики вращения 
(
– момент импульса электрона), орбита электрона начинает вести себя так, что вектор 
описывает конус вокруг вектора индукции. Другими словами, возникает прецессия орбиты электрона. Ось орбиты совершает конусообразное движение вокруг линий индукции, а плоскость орбиты электрона периодически изменяет свое положение в пространстве. Частота прецессии, как доказал американский физик Дж. Лармор в 1895 г., составляет 
(см. 7.4). Формально прецессию можно описать так, что электрон приобретает добавочное движение вокруг вектора 
по окружности радиуса 
, т.е. возникает индукционный орбитальный ток. Этот ток вносит добавку в магнитный момент атома:
|
|
.
Мы получили результат, аналогичный (7.5). Обобщим сделанные выводы.
При внесении любого вещества в магнитное поле каждая электронная орбита, независимо от направления движения электрона, приобретает индуцированный магнитный момент 
, направленный против индукции внешнего поля. Этот процесс в физике магнитных явлений называется диамагнитным эффектом. Таким образом, диамагнетизм – свойство, присущее всем веществам, обусловленное действием магнитного поля на электроны в атомах. Единственный результат влияния магнитного поля на орбиту электрона в атоме заключается в прецессии орбиты и магнитного момента атома вокруг оси, проходящей через атом параллельно линиям индукции магнитного поля (теорема Лармора). Другими словами, при внесении атома в магнитное поле, изменяющееся внешнее магнитное поле вызывает явление электромагнитной индукции. Это выражается в том, что вся электронная оболочка приходит во вращательное движение в направлении, при котором индуцируется магнитное поле, препятствующее изменению внешнего магнитного поля.
А если рассмотреть электрон, не вращающийся вокруг ядра в атоме, т.е. свободный? На рис. 7.6. показано, что воздействие на свободно движущийся электрон со стороны магнитного поля (сила ) приводит к его вращению вокруг линий магнитной индукции, что эквивалентно созданию кольцевого тока 
, магнитная индукция поля которого 
направлена противоположно внешней. Таким образом, наличие свободных электронов в веществе обязательно уменьшает внешнее поле.
Дальнейшее поведение атома в магнитном поле зависит от ориентации . Если 
, то атом выталкивается из области более сильного поля (см. п. 5.4), а вещество относится к диамагнетикам. Если 
, то атом втягивается в область более сильного поля, а вещество относится к парамагнетикам или ферромагнетикам.
Парамагнетики
Парамагнетики — вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении внешнего магнитного поля. Парамагнетики относятся к слабомагнитным веществам, магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы 
.
Термин «Парамагнетизм» ввёл в 1845 году Майкл Фарадей, который разделил все вещества (кроме ферромагнитных) на диа - и парамагнитные.
Атомы (молекулы или ионы) парамагнетика обладают собственными магнитными моментами, которые под действием внешних полей ориентируются по полю и тем самым создают результирующее поле, превышающее внешнее. Парамагнетики втягиваются в магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля парамагнетик не намагничен, так как из-за теплового движения собственные магнитные моменты атомов ориентированы совершенно беспорядочно.
К парамагнетикам относятся алюминий (Al), платина (Pt), многие другие металлы (щелочные и щелочно-земельные металлы, а также сплавы этих металлов), кислород (О2), оксид азота (NO), оксид марганца (MnO), хлорное железо (FeCl2) и др.
Парамагнетиками становятся ферро- и антиферромагнитные вещества при температурах, превышающих, соответственно, температуру Кюри или Нееля (температуру фазового перехода в парамагнитное состояние).
Диамагнетики
Диамагне́тики — вещества, намагничивающиеся против направления внешнего магнитного поля. В отсутствие внешнего магнитного поля диамагнетики немагнитны. Под действием внешнего магнитного поля каждый атом диамагнетика приобретает магнитный момент I (а каждый моль вещества — суммарный магнитный момент), пропорциональный магнитной индукции B и направленный навстречу полю. Поэтому магнитная восприимчивость χ = I/B у диамагнетиков всегда отрицательна. По абсолютной величине диамагнитная восприимчивость χ мала и слабо зависит как от напряжённости магнитного поля, так и от температуры.
К диамагнетикам относятся инертные газы, азот, водород, кремний, фосфор, висмут, цинк, медь, золото, серебро, а также многие другие, как органические, так и неорганические, соединения. Человек в магнитном поле ведет себя как диамагнетик.
Диамагнитная левитация имеет ту же природу что и эффект Мейснера (полное вытеснение магнитного поля из материала), она наблюдается при гораздо более сильных полях, но зато не требует предварительного охлаждения. Некоторые опыты доступны любителям. Например, редкоземельный магнит с индукцией около 1 Тл может висеть между двух пластин висмута. [2][3][4] А в поле с индукцией 11 Тл человеческие пальцы могут стабилизировать в воздухе, не касаясь, маленький магнит