3 Магнитное поле в веществе

Все вещества, помещенные в магнитное поле намагничиваются (приобретают магнитный момент), т.е. являются магнетиками. Для объяснения магнитных свойств веществ необходимо рассмотреть поведение электронов в атомах и молекулах магнетиков.

Согласно предположению А. Ампера в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Эти токи называются микротоками, в отличие от макротоков, текущих в проводниках. Эти микротоки создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Вектор магнитной индукции характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками.

Магнитное поле макротоков описывается вектором напряженности магнитного поля . В случае однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением

В=₀Н (10.8)

где ₀ - магнитная постоянная,  - магнитная проницаемость, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков H усиливается за счет поля микротоков среды.

В зависимости от величины магнитной проницаемости все вещества делятся на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

‹1 Диамагнетики

>1 Парамагнетики

>>1 Ферромагнетики

Вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называются диамагнетиками. К диамагнетикам относятся многие металлы (Bi, Ag, Au, Сu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д. Атомы диамагнетиков не имеют собственных магнитных моментов. Во внешнем магнитном поле электронные орбиты совершают прецессионное движение вокруг направления внешнего магнитного поля (подобно тому, как диск волчка прецессирует вокруг вертикальной оси при замедлении движения). Прецессионное движение электронных орбит эквивалентно круговому току. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то согласно правилу Ленца, он создает магнитное поле, направленное против внешнего. Такие наведенные поля атомов складываются и создают собственное магнитное поле вещества, ослабляющее внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость диамагнетиков не зависит от величины внешнего магнитного поля и температуры.

Вещества, намагничивающееся по направлению внешнего магнитного поля (>1), называются парамагнетиками. К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют собственные магнитные моменты (например, редкоземельные элементы, Pt, Al и т.д.). Магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль , тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль магнитного поля, тем большая, чем больше В, и тем меньшая, чем выше температура. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков обратно пропорциональна температуре. В парамагнетиках наблюдается и диамагнитный эффект, но он значительно слабее парамагнитного, поэтому остается незаметным.

Помимо слабомагнитных веществ – диа– и парамагнетиков – существуют еще сильномагнитные вещества, называемые ферромагнетиками. К их числу кроме железа принадлежат кобальт, никель, гадолиний, их сплавы и соединения и т.д. Ферромагнетизм присущ этим веществам только в кристаллическом состоянии. Намагниченность ферромагнетиков в огромное (до 10¹⁰) число раз превосходит намагниченность диа- и парамагнетиков. Магнитная проницаемость железа, например, равна 5000, а для сплава супермаллоя – 800000. Важной особенностью ферромагнетиков является существование гистерезиса и остаточной намагниченности (в отсутствии внешнего магнитного поля), что делает возможным изготовление постоянных магнитов. Основы теории ферромагнетизма были созданы Я.И. Френкелем и В. Гейзенбергом (1928). Согласно этой теории при определенных условиях в кристаллах могут возникать т.н. обменные силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного намагничиния (домены, ср. с лекцией № 8). В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны. Под действием внешнего магнитного поля моменты доменов поворачиваются как целое, устанавливаясь по направлению поля.

В последнее время большое значение приобрели полупроводниковые ферромагнетики – ферриты, отличающеися заметными ферромагнитными свойствами и большим удельным электрическим сопротивлением (в миллиарды раз большим, чем у металлов). Ферриты применяются для изготовления постоянных магнитов, антенн, сердечников радиочастотных контуров, элементов оперативной памяти в вычислительной технике, для покрытия пленок в видеомагнитофонах и т.д.