5. Магнитное поле в веществе

5.1. Магнитная проницаемость

До сих пор рассматривалось магнитное поле, которое создавалось проводниками с током или движущимися электрическими зарядами, находящимися в вакууме. Если же магнитное поле создается не в вакууме, а в какой-то другой среде, то магнитное поле изменяется. Это объясняется тем, что различные вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и сами становятся источниками магнитного поля. Вещества, способные намагничиваться в магнитном поле, называются магнетиками. Намагниченное вещество создает магнитное поле с индукцией , которое накладывается на магнитное поле с индукцией , обусловленное токами. Оба поля в сумме дают результирующее поле, магнитная индукция которого равна

.

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Каждый такой ток обладает магнитным моментом и создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего магнитного поля молекулярные токи ориентированы хаотически, поэтому суммарный магнитный момент вещества равен нулю. В магнитном поле молекулярные токи ведут себя подобно рамке с током, то есть ориентируются так, чтобы магнитные моменты были преимущественно ориентированы вдоль магнитного поля, вследствие чего магнетик намагничивается. Природа молекулярных токов стала понятной только в начале ХХ в., когда Резерфордом было установлено, что атомы всех веществ состоят из положительно заряженного ядра и движущихся вокруг него отрицательно заряженных электронов. В 1913 г. Нильс Бор развил теорию, согласно которой электроны в атомах движутся по круговым орбитам. Это движение можно рассматривать как круговой ток, обладающий магнитным моментом, называемым орбитальным магнитным моментом электрона. Позднее было показано, что теория Бора имеет ограниченную применимость и во многих отношениях совершенно неверна. Тем не менее, согласно современным представлениям, электроны в атомах обладают орбитальным магнитным моментом. Кроме того, электрон имеет собственный магнитный момент, называемый спиновым магнитным моментом. Магнитный момент многоэлектронного атома будет векторной суммой орбитальных и спиновых моментов всех его электронов.

Именно взаимодействием магнитных моментов атомов с внешним магнитным полем и обусловлено намагничивание веществ и, следовательно, изменение магнитного поля в веществе. Для описания этого поля вводят величину m, которая называется относительной магнитной проницаемостью или просто магнитной проницаемостью вещества. Магнитная проницаемость  показывает, во сколько раз значение магнитной индукции в веществе отличается от ее значения в вакууме при тех же значениях токов, создающих магнитное поле. Магнитная проницаемость зависит от рода вещества и от его состояния, например, от температуры.

5.2. Виды магнетиков

Магнитные свойства различных веществ весьма разнообразны. Все магнетики принято делить на три класса:

     1) парамагнетики – вещества, которые слабо намагничиваются в магнитном поле, причем результирующее поле в парамагнетиках сильнее, чем в вакууме, магнитная проницаемость парамагнетиков m > 1; Такими свойствами обладают алюминий, платина, кислород и др.;

     2) диамагнетики – вещества, которые слабо намагничиваются против поля, то есть поле в диамагнетиках слабее, чем в вакууме, магнитная проницаемость m < 1. К диамагнетикам относятся медь, серебро, висмут и др.;

     3) ферромагнетики – вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, . Это железо, кобальт, никель и некоторые сплавы.

Диамагнетики. Влияние магнитного поля на движение электронов в атомах вещества упрощенно состоит в следующем. В магнитном поле на движущийся электрон помимо силы Кулона , действующей со стороны ядра, действует еще сила Лоренца . Если плоскость орбиты электрона перпендикулярна вектору индукции магнитного поля , то это приводит только к изменению угловой скорости его вращения по орбите и, следовательно, к появлению дополнительного магнитного момента , направление которого противоположно вектору индукции  (рис. 5.1а). Если же орбита электрона расположена произвольным образом относительно вектора , так что орбитальный магнитный момент электрона составляет с вектором  угол a, то влияние поля оказывается более сложным. В этом случае вся орбита приходит в такое движение, при котором угол a сохраняется неизменным, а вектор  вращается  вокруг вектора  с определенной угловой скоростью. Такое движение в механике называется прецессией (рис. 5.1б). Изменение угловой скорости вращения электрона или, в общем случае,

появление прецессии эквивалентно дополнительному орбитальному току , которому соответствует индуцированный орбитальный момент электрона . Этот вектор противоположен по направлению вектору индукции магнитного поля . Если в атоме имеется несколько электронов, то общий индуцированный орбитальный момент атома равен векторной сумме индуцированных орбитальных магнитных моментов всех электронов: .

С помощью этого результата, применимого к атому любого вещества, помещенного в магнитное поле, может быть объяснено явление диамагнетизма. Магнитный момент многоэлектронного атома зависит от количества электронов и взаимной ориентации их магнитных моментов. У диамагнетиков магнитные моменты атомов при отсутствии магнитного поля  равны нулю. При внесении диамагнитного вещества в магнитное поле в каждом его атоме индуцируется магнитный момент, направленный противоположно вектору индукции внешнего магнитного поля. Магнитные свойства диамагнетиков обусловлены только индуцированными магнитными моментами. Именно поэтому диамагнетики намагничиваются против поля.

Парамагнетики. К парамагнетикам относятся вещества, атомы которых имеют результирующий магнитный момент, отличный от нуля в отсутствие внешнего магнитного поля. Внешнее магнитное поле стремится установить магнитные моменты атомов вдоль вектора , а тепловое движение стремится разбросать их равномерно по всем направлениям. В результате устанавливается некоторая преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль поля, тем большая, чем больше индукция магнитного поля  и чем меньше температура Т. Поэтому намагничивание парамагнетиков зависит от температуры.

В результате прецессии электронных орбит в парамагнетиках также индуцируется магнитный момент , направленный против вектора магнитной индукции внешнего поля. Диамагнетизм имеет место во всех веществах. Однако решающую роль в намагничивании парамагнетика играют столкновения атомов, происходящие в результате теплового движения. Причем толчки в направлении прецессионного вращения увеличивают угол между векторами  и , а в направлении против прецессионного вращения уменьшают его. Толчки первого типа размагничивают, а второго – намагничивают парамагнетик. Эффект намагничивания будет преобладать над эффектом размагничивания, так как толчки против прецессионного вращения в среднем сильнее толчков противоположного направления (подобно тому, как сила сопротивления, испытываемая человеком, будет больше, когда он бежит против ветра, а не по ветру). Возникающий при этом суммарный магнитный момент парамагнетика, направленный по полю, бывает значительно больше, чем суммарный, индуцированный в результате прецессии магнитный момент, направленный против поля. Поэтому результирующий магнитный момент оказывается положительным и направленным вдоль вектора индукции магнитного поля .

Ферромагнетики. Ферромагнетики получили свое название благодаря наиболее распространенному представителю этого класса – железу. Ферромагнетики являются сильномагнитными веществами, магнитная проницаемость  для ферромагнитных металлов и их сплавов зависит от индукции внешнего магнитного поля и может достигать очень больших значений – от 5 000 (для Fe) и до 800 000 (для супермаллоя). Такие материалы при сравнительно слабых полях могут сильно намагничиваться.

Ферромагнетики теряют свои магнитные свойства при температурах выше температуры, называемой точкой Кюри (770 °С для Fe, 358 °С для Ni, 1120 °С для Co), и ведут себя как парамагнетики. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля, их намагничивание в огромное число раз превышает намагничивание парамагнетиков. Особенностью ферромагнитных веществ является не только большое значение m, но и ряд других свойств. Если ферромагнетик был намагничен, то при размагничивании (уменьшении ) обнаруживается, что при  = 0 ферромагнетик остается намагниченным, то есть обладает остаточным намагничиванием. Возможность иметь в ферромагнитных веществах остаточное намагничивание позволяет осуществить постоянные магниты, то есть такие тела, которые остаются намагниченными в отсутствие каких-либо внешних источников магнитного поля. Экспериментально было доказано, что ответственными за магнитные свойства ферромагнетиков являются собственные (спиновые) магнитные моменты электронов (а не орбитальные, как у диа- и парамагнетиков).

При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы, которые называются обменными. Их объяснение дается квантовой механикой. Эти силы заставляют собственные магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного, то есть возникающего в отсутствие внешнего поля) намагничивания. Эти области называются доменами. Теоретическое объяснение существования доменной структуры было дано Л.Д. Ландау и Е.М. Лифшицем. Причина разбиения ферромагнетика на домены заключается в том, что этот процесс энергетически выгоден. При параллельной ориентации магнитных моментов электронов всего образца, то есть когда ферромагнитный образец состоит из одного домена, он создает в окружающем пространстве магнитное поле, обладающее энергией.

При распаде ферромагнетика на домены и возникновении доменов различной ориентации внешнее магнитное поле уменьшается, что и видно из рис. 5.2. Уменьшается и соответствующая ему энергия. Таким образом, дробление ферромагнетика на домены приводит к уменьшению магнитной энергии. Очевидно, дробление прекращается, когда полная энергия достигает минимального значения.

Доменную структуру ферромагнетиков можно наблюдать экспериментально, например, методом порошковых фигур. В этом методе поверхность ферромагнетика покрывается тонким слоем жидкости, в которой взвешены мельчайшие частицы ферромагнитного вещества (например, Fe₂O₃). Частицы оседают в местах наибольшей неоднородности магнитного поля, то есть на границах между доменами. Получившиеся при этом «порошковые фигуры» хорошо видны в микроскоп небольшого увеличения.

В пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения и обладает результирующим магнитным моментом. Направление этих моментов различно, и магнитный момент всего тела равен нулю (рис. 5.3а). Если поместить ферромагнетики во внешнее магнитное поле, то вначале, при слабых полях, наблюдается смещение границ доменов (рис. 5.3б,в). В результате этого происходит увеличение размеров тех доменов, магнитные моменты которых составляют с направлением внешнего поля меньший угол и, следовательно, обладают меньшей энергией. При увеличении индукции магнитного поля  магнитные моментов доменов поворачиваются в направлении поля. Когда магнитные моменты всех доменов сориентируются вдоль поля, наступает насыщение (рис. 5.3г). В случае слабых полей процесс смещения границ обратим, тогда как в сильных полях он становится необратимым и приводит к исчезновению энергетически невыгодных доменов

Рост доменов и их поворот можно эффектным способом обнаружить на опыте. На железный стержень намотайте катушку в несколько тысяч витков из тонкой проволоки. Подсоедините катушку к усилителю низкой частоты, на выход которого подсоединен громкоговоритель. К железному стержню медленно приближайте или удаляйте магнит. При этом стержень будет намагничиваться и перемагничиваться. Перемагничивание осуществляется резким поворотом или опрокидыванием вектора магнитного момента всего домена. Такие скачкообразные опрокидывания магнитного момента домена называются скачками Баркгаузена. При каждом опрокидывании момента скачкообразно меняется магнитный поток через катушку, в ней возбуждается индукционный ток, и громкоговоритель издает звуки, похожие на радиопомехи.

Следует заметить, что кроме рассмотренных типов магнетиков существуют еще антиферромагнетики и ферриты, для которых характерны более сложные закономерности магнитной структуры.

Магнитные материалы широко применяются в науке и технике, начиная от всем известных радио- и электротехнических устройств до современной микроэлектроники и вычислительной техники.