II. МАГНИТНОЕ ПОЛЕ В ВЕЩЕСТВЕ

Основной характеристикой магнитного поля является вектор индукции . Если в магнитное поле с индукцией , созданное макротоками, внести вещество, то поле изменится, так как все вещества способны намагничиваться. Если обозначить индукцию собственного поля магнетика, то в соответст­вии с принципом суперпозиции результирующее поле в магнетике определя­ется вектором:

. (11)

Причём, поле вещества может быть в некоторых случаях значительно больше внешнего (намагничивающего) поля.

Все вещества без исключения создают своё собственное магнитное поле при помещении их во внешнее поле, поэтому все вещества в магнетизме называются магнетиками. В зависимости от способности к намагничиванию магнетики делятся на три группы:

1. парамагнетики,

2. диамагнетики,

3. ферромагнетики.

Причём в последнюю группу входят также антиферромагнетики и ферриты.

Третья группа представляет собой группу сильномагнитных веществ и имеет наибольшее практическое значение.

Каким же образом вещества создают своё магнитное поле?

С позиции классической физики атомы состоят из положительно заряженных ядер и вращающихся вокруг них по круговым орбитам электронов (отрицательных зарядов) (рисунок 8), а так как любой движущийся заряд представляет собой ток, то движение электронов вокруг ядер подобно микроскопическим круговым токам, которые называются микротоками. Это те токи, которые в своё время Ампер назвал молекулярными токами, не зная их природы.

Сила тока, обусловленная движением электрона по круговой орбите такова:

,

где - заряд электрона, - частота его обращения вокруг ядра, т.е. число оборотов за единицу времени:

. (12)

Круговой ток создаёт магнитный момент, называемый орбитальным магнитным моментом:

,

где площадь, ограниченная орбитой электрона. Тогда или с учётом формулы (12)

,

где - орбитальный магнитный момент, обусловленный движением электрона по орбите вокруг ядра. Магнитный момент – векторная величина, поэтому:

,

где - единичный вектор, направление которого, а, следовательно, и , связано правилом правого винта с направлением орбитального тока (рис. 8).

Таков магнитный момент одного электрона, но в атоме обычно не один, а несколько электронов. Поэтому для получения полного орбитального магнитного момента атома надо просуммировать всех электронов. К тому же у электронов, кроме орбитальных моментов, имеются ещё и спиновые магнитные моменты . Тогда полный магнитный момент атома будет равен сумме орбитальных и спиновых моментов электронов:

.

При помещении вещества в магнитное поле атомные магнитные моменты ориентируются в направлении внешнего поля и создают своё собственное магнитное поле . В этом заключается процесс намагничивания парамагнетиков.

Полного ориентирования всех моментов по направлению внешнего магнитного поля не происходит, так как тепловое движение препятствует этому упорядочению. И в результате действия двух противоположных факторов возникает некоторое преимущественное ориентирование магнитных моментов атомов к направлению поля (рис. 9).

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

, (13)

где - сумма магнитных моментов атомов в малом объёме магнетика.

Согласно формуле (13) вектор намагниченности численно равен суммарному магнитному моменту единицы объёма вещества. Как показывает формула (13) единицей измерения служит А/м.

Вектор намагниченности пропорционален внешнему магнитному полю:

, (14)

где - магнитная восприимчивость, безразмерная величина, характеризует способность вещества намагничиваться, т.е. является характеристикой самого вещества, - напряжённость внешнего магнитного поля.

Напряжённость поля - это дополнительная силовая характеристика магнитного поля, применяется наряду с индукцией . Единица измерения напряжения напряжённости А/м.

Исходя из формулы (11) результирующую индукцию поля в веществе можно представить в виде:

, (15)

где первое слагаемое есть внешнее поле:

, (16)

а второе слагаемое есть поле самого вещества:

.

Используя формулу (14), можно преобразовать выражение (15) получим:

. (17)

Обозначим и назовём величину магнитной проницаемостью вещества. Тогда формула (17) примет вид:

. (18)

Для диамагнетиков и парамагнетиков , характерная для каждого вещества и мало отличается то единицы. Для ферромагнетиков достаточно больше для различных веществ. Кроме того, она не является , а зависит сложным образом от внешнего поля. К ферромагнетикам относятся; железо, никель, кобальт, а также их сплавы и соединения, редкоземельные металлы от гадолиния до тулия. Все остальные вещества диамагнетики или парамагнетики. Укажем магнитную восприимчивость основных типов магнетиков.

1. Парамагнетики имеют ; .

2. Диамагнетики имеют , причём .

3. Ферромагнетики – это сильномагнитные вещества .

Диамагнетики – это вещества, у которых атомные магнитные моменты . Это происходит вследствие взаимной компенсации всех орбитальных и спиновых моментов электронов. Как же тогда намагничиваются такие вещества? При помещении их во внешнее магнитное поле в атомах появляются индуцированные (наведённые) моменты, направление которых противоположно внешнему намагничивающему полю, поэтому они имеют отрицательную магнитную восприимчивость. Диамагнитным эффектом обладают все без исключения вещества, но проявляется он только в чистых диамагнетиках, в парамагнетиках и ферромагнетиках этот эффект маскируется более сильными парамагнитными и ферромагнитными эффектами и не обнаруживаются.

Ферромагнетики обладают весьма специфическими свойствами:

1. Сложная (нелинейная) зависимость (рис. 10)

2. Магнитная проницаемость не является константой для данного вещества и сложным образом зависит от внешнего (намагничивающего) поля (рис. 11), достигая максимума при некотором значении .

3. Для ферромагнетиков характерен гистерезис, т.е. отставание изменений от изменения (рис. 12). Эта зависимость выражается петлеобразной кривой и называется петлёй гистерезиса.

На петле гистерезиса выделяются несколько характерных точек:

а) - поле, в котором наступает насыщение, т.е. фактически прекращается рост индукции (точка 1);

б) - остаточная индукция, т.е. индукция, которая остаётся при снятии внешнего поля;

в) - коэрцитивная сила - обратное поле, которое уничтожает остаточную индукцию. В зависимости от величины коэрцитивной силы ферромагнетики делятся на жёсткие (с большой коэрцитивной силой) и мягкие (с малой коэрцитивной силой);

д) Каждый ферромагнетик характеризуется своей точкой Кюри, т.е. температурой, при которой он теряет ферромагнитные свойства и превращается в парамагнетик. Это фазовый переход второго рода.

Все эти особенности обусловлены тем, что ферромагнетики имеют доменную структуру, а именно в отсутствие внешнего поля кристалл ферромагнетика самопроизвольно (спонтанно) разбивается на мелкие области, намагниченные до насыщения. Они отделяются друг от друга доменными границами (доменными стенками) (рис. 13).

В целом кристалл не намагничен, так как магнитные моменты соседних доменов друг друга взаимно компенсируют.

Как было установлено в опытах Эйнштейна и де Гааза, ответственными за ферромагнетизм являются спиновые магнитные моменты. Параллельное ориентирование спинов в пределах домена оказывается энергетически выгодно. Оно обусловлено действием особых обменных сил, имеющих квантовую природу.