4.4 Магнитное поле

Опыт показывает, что подобно тому, как в пространстве, окружающем электрические заряды, возникает электростатическое поле, в пространстве, окружающем токи и постоянные магниты, возникает силовое поле, называемое магнитным. Наличие магнитного поля обнаруживается по силовому действию на внесенные в него проводники с током и постоянные магниты. Название “магнитное поле” связывают с фактом ориентации магнитной стрелки под действием поля, создаваемого током (Х. Эрстед, 1820).

Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды.

Опыт показывает, что магнитное поле оказывает ориентирующее действие на магнитную стрелку и рамку с током, поворачивая их определенным образом. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого свободно устанавливается ось тонкой магнитной стрелки в направлении с юга на север или положительная нормаль к плоскому контуру с током.

Количественной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции . Магнитная индукция в данной точке численно равна максимальному вращающему моменту, действующему на плоскую рамку с током с магнитным моментом 1 А×м²:

B=M_max./p_m. (4.8)

Так как магнитное поле является силовым, то его изображают с помощью силовых линий – линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора магнитной индукции . Силовые линии магнитного поля можно “проявить” с помощью железных опилок, намагничивающихся в исследуемом поле и ведущих себя подобно маленьким магнитным стрелкам. Опыт показывает, что линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током. Этим они отличаются от силовых линий электростатического и гравитационного полей, которые являются разомкнутыми. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым.

На рисунке 9 представлены силовые линии магнитных полей, созданных различными источниками.

Большое значение для человека имеет магнитное поле Земли. Земля представляет собой огромный шаровой магнит. Считается, что главная часть постоянного геомагнитного поля связана с вихревыми электрическими токами, текущими в верхних слоях земного ядра. Магнитный и географический полюса Земли не совпадают друг с другом (рисунок 10). Северный магнитный полюс N лежит в южном полушарии вблизи берегов Антарктиды. Южный магнитный полюс S лежит в северном полушарии вблизи острова Виктория (Канада). Оба полюса непрерывно перемещаются (дрейфуют) на земной поверхности со скоростью около 0,2 градуса в год по долготе.

Рисунок 9 – Силовые линии магнитных полей

А) подковообразного магнита; Б) прямолинейного проводника с током;

В) кругового витка с током.

Рисунок 10 – Магнитное поле Земли

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются (приобретают магнитный момент), т.е. являются магнетиками. Согласно предположению 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. В зависимости от поведения в магнитном поле все вещества делятся на диа-, пара- и 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.

Вещества, намагничивающееся по направлению внешнего магнитного поля, 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. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее, 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 домены (области спонтанного намагничивания). 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.