МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

Если в магнитное поле с индукцией , созданное макротоками, внести вещество, то поле изменится. Это объясняется тем, что все вещества способны намагничиваться, т.е. приобретать магнитный момент и собственное магнитное поле . В соответствии с принципом суперпозиции результирующее поле в магнетике определяется вектором

. (1)

Под и принимаются поля, усреднённые по физически бесконечно малому объёму.

Установлено, что молекулы многих веществ обладают собственным магнитным моментом, обусловленным внутренним движением электрических зарядов. Каждому магнитному моменту соответствует элемен­тарный круговой ток, создающий в окружающем пространстве магнитное поле (рис. 1а). При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы в пространстве беспорядочно, поэтому обусловленное ими результирующее магниевое поле равно нулю. Равен нулю и суммарный магнитный момент вещества (рис. 16).

Во внешнем магнитном поле магнитные моменты молекул приобретают преимущественное ориентирование в одном направлении и вещество намагничивается. Магнитный момент вещества становится отличным, от нуля (рис. 2). При этом магнитные поля молекул уже не компенсируют друг друга, в результате возникает магнитное поле .

Степень намагничивания магнетика характеризуется магнитным моментом единицы объёма и называется намагниченностью:

,

где - физически бесконечно малый объём в окрестности данной
точки, - магнитный момент отдельной молекулы. Суммирование проводится по всем молекулам в объёме , Вещество намагничено однородно, если во всех его точках вектор одинаков.

Индукция собственного поля магнетика связана с намагниченность соотношением:

,

где Гн/м – магнитная постоянная.

Тогда индукция суммарного магнитного поля вещества окажется
равной

. (2)

В этом случае для характеристики магнитного поля макротоков вводится более удобный вспомогательный вектор напряжённости магнитного поля:

.

При этом формула (2) принимает вид:

. (3)

Для большинства магнетиков существует линейная зависимость намагниченности от напряжённости поля :

, (4)

где - магнитная восприимчивость, безразмерная величина, характерная для каждого данного магнетика.

Если , т.е. , вещества называются парамагнетиками. К ним можно отнести, например, платину, алюминий, воздух. Такие же вещества как висмут, медь, серебро, углерод имеют и называются диамагнетиками (для них ).

Учитывая соотношение (4), выражение (3) для индукции сум­марного поля в магнетике приводится к виду:

или , (5)

где - относительная магнитная проницаемость вещества.

У парамагнетиков , диамагнетики имеют , причём как у тех, так и у других мало отличается от единицы, т.е. магнитные свойства этих магнетиков выражены очень слабо.

Помимо слабомагнитных веществ, существуют сильномагнитные - ферромагнетики. Типичные представители ферромагнетиков - железо, кобальт, гадолиний и многие их сплавы. Характерной особенностью ферромагнетиков является сложная нелинейная зависимость и .

На рисунке 3 дана кривая намагниченности ферромагнетика. При напряжённости намагниченность ферромагнетика равна нули, её называют основной кривой намагничивания.

При сравнительно небольших значениях намагниченность быстро растёт и достигает насыщения . Магнитная индукция также растёт с увеличением (рис. 4), а после достижения состояния насыщения продолжает расти с увеличением по линейному закону:

.

Ввиду нелинейной зависимости , для ферромагнетиков нельзя ввести магнитную проницаемость как определённую постоянную величину, характеризующую магнитные свойства каждого данного ферромагнетика. Однако по-прежнёму считается, что

,
при этом является функцией (рис. 5). Магнитная проницаемость для ферромагнетиков может достигать очень больших значений. Так, например, для чистого железа – 5000, для сплава супермалой – 800000.

Для ферромагнетиков характерно также явление магнитного гистерезиса: связь между и или и оказывается неоднозначной, а определяется предшествующей историей намагничивания ферромагнетика.

Если взять ферромагнетик с напряжённостью , и постепенно намагничивать, увеличивая от нуля до некоторого значения, при котором наступает насыщение (точка 1 на рисунке 6), а затем, уменьшать напряжённость от до , то кривая намагничивания пойдёт не по первоначальному пути 01, а выше по пути 1234. Если изменять напряжённость в обратном направлении от до , то кривая намагничивания пройдёт ниже - по пути 4561.

Получившаяся замкнутая кривая называется петлёй гистерезиса.

Из рисунка 6 видно, что при намагниченность не исчезает (точка 2) и характеризуется величиной , называемой остаточной индукцией. С наличием такого остаточного намагничивания связано существование постоянных магнитов.

Величина обращается в нуль (точка 3) лишь под действием , имеющего направление, противоположное полю, вызвавшему намагничивание. Величина называется коэрцитивной силой. Значения и для разных ферромагнетиков меняется в широких пределах.

Физическую природу ферромагнетизма удалось понять только с помощью квантовой механики. При определённых условиях в кристаллах могут возникать, так называемые, обменные силы, которые заставляют спиновые магнитные моменты электронов устанавливаться параллельно друг другу. В результате возникают области (размером мкм) спонтанного, т.е. самопроизвольного, намагничивания – эти области называются доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и имеет определённый магнитный момент. Направление этих моментов для разных доменов различны, поэтому при отсутствии внешнего поля суммарный момент образца равен нулю и образец в целом представляется макроскопически не намагниченным.

При включении внешнего магнитного поля домены, ориентированные по полю, растут за счёт доменов, ориентированных против поля. Такой рост в слабых полях имеет обратимый характер. В более сильных полях происходит одновременное переориентирование магнитных моментов в пределах всего домена. Этот процесс является необратимым, что и служит причиной гистерезиса и остаточного намагничивания.

При нагревании ферромагнетика тепловое движение разрушает магнитный порядок в доменах и при температуре , называемой точ­кой Кюри, ферромагнетик скачком теряет свои свойства и превращается в обыкновенный парамагнетик. Например, для железа = 768°С.