Магнитное поле в веществе

До сих пор магнитное поле рассматривалось в вакууме, где в связи с отсутствием вещества поле не испытывает на себе его влияние и определяется только токами в проводах. Эти токи будем называть внешними, или макротоками.

Если магнитное поле внешних токов создается в веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле. Вещество, способное влиять на магнитное поле, называется магнетиком. Магнетик, находящийся в магнитном поле внешних токов, приходит в особое состояние намагниченности, которое характеризуется возникновением в нем собственного магнитного поля с индукцией (аналогично ведет себя диэлектрик, поляризуясь во внешнем электрическом поле). Это поле накладывается на обусловленное макротоками поле , в результате чего суммарная индукция поля в магнетике равна

. (93.1)

По гипотезе Ампера, в молекулах вещества циркулируют круговые токи (молекулярные токи). Каждый элементарный ток (микроток) обладает магнитным моментом (рис. 93.1) и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля оси микротоков расположены беспорядочно, поэтому результирующий магнитный момент и собственное магнитное поле даже небольших объемов магнетика оказываются равными нулю. Под влиянием магнитного поля макротоков расположение молекулярных токов становится частично или полностью упорядоченным, магнетик намагничивается, т. е. приобретает собственный магнитный момент и создает поле с индукцией .

Степень намагничивания среды принято характеризовать величиной, называемой намагниченностью (вектором намагничивания) и равной магнитному моменту единицы объема вещества.

Обозначим через геометрическую сумму магнитных моментов молекул, находящихся в объеме V магнетика. Тогда намагниченность однородного намагниченного магнетика определится выражением

. (93.2)

Отсюда следует, что намагниченность измеряется в амперах на метр (А/м). Если магнетик намагничен неоднородно, то намагниченность определяется как предел, к которому стремится выражение (93.2) при неограниченном уменьшении объема V.

Из гипотезы Ампера следует, что ~ . Можно доказать, что

. (93.3)

Учитывая, что векторы и имеют одинаковое направление, выражение (93.3) можно записать в векторной форме:

. (93.4)

Для упрощения расчетов магнитного поля вводится напряженность магнитного поля , которая связана с индукцией намагничивающего поля соотношением

. (93.5)

Заметим, что напряженность магнитного поля определяется только макроскопическими токами и не зависит от среды.

Подставив выражения (93.4) и (93.5) в формулу (93.1), получим:

. (93.6)

Таким образом, индукция магнитного поля в магнетике обусловлена как макро-, так и микротоками.

Из опыта установлено, что намагниченность пропорциональна напряженности поля:

. (93.7)

где – коэффициент пропорциональности, называемый магнитной восприимчивостью вещества, выражает способность вещества намагничиваться под действием внешнего поля.

Поскольку и измеряются в амперах на метр, то из форму-лы (93.7) следует, что – величина безразмерная. Подставив формулу (93.7) в выражение (93.6), получим:

. (93.8)

Безразмерная величина

(93.9)

называется относительной магнитной проницаемостью вещества.

Из выражений (93.8) и (93.9) следует соотношение, которое было формально введено в §65 (см. формулу (65.6)):

.

В соответствии с формулой (94.5) эту формулу можно записать в виде

. (93.10)

Отсюда следует физический смысл магнитной проницаемости : относительная магнитная проницаемость среды показывает, во сколько раз магнитная индукция поля в магнетике больше, чем в вакууме.

В зависимости от знака и значения магнитной восприимчивости все магнетики подразделяются на три группы:

1. – парамагнетики;

2. – диамагнетики;

3. и является функцией Н, т. е. ;

– ферромагнетики.

Отсюда видно, что магнитные свойства вещества гораздо разнообразнее электрических.

Следовательно, индукция магнитного поля в магнетике со-здается как током намагничивающих обмоток, так и молекулярными токами магнетика. Поэтому реальным полем является поле вектора . Напряженность магнитного поля вводится для удобства расчетов и физического смысла в единицах СИ не имеет. Аналогом магнитной индукции в электростатике является напряженность электрического поля , которая создается в диэлектрике как свободными, так и связанными зарядами. Поэтому реальным полем является поле вектора . Электрическая индукция (устаревшее название "электрическое смещение") вводится для удобства расчетов.

Было бы правильней назвать магнитную индукцию напряженностью магнитного поля, а напряженность магнитного поля – индукцией, однако в силу исторических традиций это не сделано до настоящего времени.