สภาพต้านแม่เหล็กและสภาพอนุภาคแม่เหล็ก

แม้จะไม่มีระเบียบทางแม่เหล็ก วัสดุก็ยังตอบสนองต่อสนามแม่เหล็กที่กระทำ: สารไดอะแมกเนติกจะต้านทานสนามอย่างอ่อนๆ ผ่านกระแสเหนี่ยวนำ ในขณะที่สารพาราแมกเนติกจะถูกดึงดูดเข้ามาเมื่อโมเมนต์ที่มีอยู่จัดเรียงตัวบางส่วน

Definition

สภาพต้านแม่เหล็กคือการเป็นแม่เหล็กที่อ่อนแอ ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ และต้านทานสนามที่กระทำ ซึ่งเกิดจากการเปลี่ยนแปลงที่สนามเหนี่ยวนำในวงโคจรของอิเล็กตรอน; สภาพอนุภาคแม่เหล็กคือการเป็นแม่เหล็กที่ขนานกับสนาม ซึ่งเกิดจากการจัดเรียงตัวบางส่วนของโมเมนต์แม่เหล็กของอะตอมหรืออิเล็กตรอนนำไฟฟ้าที่มีอยู่ก่อนแล้ว

Scope

หัวข้อนี้ครอบคลุมการตอบสนองทางแม่เหล็กแบบไม่ร่วมมือกันของสสาร: สภาพต้านแม่เหล็กแบบ Langevin และ Larmor จากกระแสวงโคจรที่เหนี่ยวนำ, สภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Curie ของโมเมนต์เฉพาะที่ที่ปฏิบัติตามกฎของ Curie, และสภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Pauli ของอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าที่กำหนดโดยความหนาแน่นของสถานะที่ระดับ Fermi, พร้อมกับสภาพต้านแม่เหล็กแบบ Landau ของแก๊สอิเล็กตรอน โดยจะสร้างค่าสภาพรับแม่เหล็กและการขึ้นกับอุณหภูมิเป็นพื้นฐานที่การจัดเรียงตัวทางแม่เหล็กที่ขับเคลื่อนด้วยการแลกเปลี่ยนจะเบี่ยงเบนไปจากนี้

Core questions

• กระแสวงโคจรที่เหนี่ยวนำทำให้ทุกวัสดุมีการตอบสนองแบบสภาพต้านแม่เหล็กได้อย่างไร?
• เหตุใดสภาพรับแม่เหล็กแบบพาราแมกเนติกของโมเมนต์เฉพาะที่จึงเป็นไปตามกฎของ Curie ซึ่งแปรผกผันกับอุณหภูมิ?
• เหตุใดสภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Pauli ของอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าจึงแทบไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ?
• การมีส่วนร่วมต่างๆ รวมกันเพื่อให้ได้ค่าสภาพรับแม่เหล็กที่วัดได้ของของแข็งจริงได้อย่างไร?

Key concepts

• สภาพรับแม่เหล็ก
• สภาพต้านแม่เหล็กแบบ Larmor และ Langevin
• สภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบกฎของ Curie ของโมเมนต์เฉพาะที่
• สภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Pauli ของอิเล็กตรอนนำไฟฟ้า
• สภาพต้านแม่เหล็กแบบ Landau ของแก๊สอิเล็กตรอน

Key theories

กฎของ Curie สำหรับสภาพอนุภาคแม่เหล็ก

สำหรับโมเมนต์แม่เหล็กเฉพาะที่ที่ไม่ทำปฏิกิริยาต่อกัน การแข่งขันระหว่างการจัดเรียงตัวตามสนามและความไม่เป็นระเบียบทางความร้อนทำให้เกิดสภาพรับแม่เหล็กที่แปรผกผันกับอุณหภูมิ ซึ่งคือกฎของ Curie ซึ่งเป็นพฤติกรรมจำกัดที่อยู่เหนือการเปลี่ยนผ่านการจัดเรียงตัวทางแม่เหล็กใดๆ

สภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Pauli

ในโลหะ มีเพียงอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าที่อยู่ใกล้ผิว Fermi เท่านั้นที่สามารถจัดเรียงตัวใหม่ในสนามได้ ดังนั้นสภาพรับแม่เหล็กแบบพาราแมกเนติกของพวกมันจึงถูกกำหนดโดยความหนาแน่นของสถานะที่ระดับ Fermi และแทบไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ ซึ่งแตกต่างจากการตอบสนองแบบ Curie ของโมเมนต์เฉพาะที่

Clinical relevance

การวัดค่าสภาพรับแม่เหล็กช่วยวินิจฉัยลักษณะทางแม่เหล็กของวัสดุ เผยให้เห็นพฤติกรรมของโมเมนต์เฉพาะที่เทียบกับพฤติกรรมแบบเคลื่อนที่ได้ และความหนาแน่นของสถานะในโลหะ; สภาพต้านแม่เหล็กและสภาพอนุภาคแม่เหล็กยังเป็นพื้นฐานของการลอยตัวด้วยแม่เหล็ก ความแตกต่างในภาพถ่ายเรโซแนนซ์แม่เหล็ก และการสอบเทียบเครื่องมือแม่เหล็ก

History

ปิแอร์ คูรี ได้กำหนดกฎเชิงประจักษ์ของสภาพรับแม่เหล็กแบบพาราแมกเนติกในช่วงทศวรรษ 1890; ลองจ์แวงได้ให้ทฤษฎีคลาสสิกของสภาพต้านแม่เหล็กและสภาพอนุภาคแม่เหล็กในปี 1905 และการวิเคราะห์เชิงควอนตัมของเพาลีในปี 1927 เกี่ยวกับสภาพอนุภาคแม่เหล็กของอิเล็กตรอนนำไฟฟ้า ตามด้วยสภาพต้านแม่เหล็กของแลนเดา ได้เติมเต็มภาพรวมสำหรับโลหะ

Key figures

• Pierre Curie
• Paul Langevin
• Wolfgang Pauli

Seminal works

• blundell2001
• ashcroft1976

Frequently asked questions

วัสดุทุกชนิดแสดงสภาพต้านแม่เหล็กหรือไม่?

ใช่ การตอบสนองของวงโคจรที่เหนี่ยวนำซึ่งทำให้เกิดสภาพต้านแม่เหล็กนั้นเป็นสากล แต่มีความอ่อนแอมากและมักจะถูกบดบังในวัสดุที่มีโมเมนต์พาราแมกเนติกหรือการจัดเรียงตัวทางแม่เหล็ก ซึ่งให้ผลลัพธ์ที่ใหญ่กว่าและตรงกันข้าม

เหตุใดสภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Pauli จึงอ่อนแอกว่าสภาพอนุภาคแม่เหล็กแบบ Curie มาก?

ในโลหะ หลักการของ Pauli จะขัดขวางอิเล็กตรอนนำไฟฟ้าส่วนใหญ่ไม่ให้จัดเรียงตัวใหม่ มีเพียงส่วนน้อยที่อยู่ใกล้ผิว Fermi เท่านั้นที่สามารถตอบสนองได้ ดังนั้นสภาพรับแม่เหล็กจึงมีค่าน้อยกว่ามากและแทบไม่ขึ้นกับอุณหภูมิเมื่อเทียบกับโมเมนต์เฉพาะที่ที่สามารถจัดเรียงตัวได้อย่างอิสระ