Магнитное поле в веществе. Намагниченность. Закон полного тока для магнитного поля в веществе. Условия на границе раздела двух магнетиков.
Когда вещество помещают
во внешнее магнитное поле (
),
оно намагничивается. Атомы вещества
создают дополнительные микротоки,
которые формируют собственное
(внутреннее) магнитное поле (
).
Полное магнитное поле в веществе
является векторной суммой внешнего
поля и поля, созданного самим веществом:
Намагниченность (
или
)
— это векторная физическая величина,
равная магнитному моменту единицы
объёма вещества. Намагниченность
характеризует степень упорядоченности
магнитных моментов атомов.
Вектор Напряжённости Магнитного Поля ( )
Для удобства расчётов в магнитостатике вводится вспомогательный вектор — напряжённость магнитного поля ( ), который связывает и :
Связь и в изотропной среде:
— магнитная постоянная.
— относительная магнитная проницаемость вещества.
Закон Полного Тока для Магнитного Поля в Веществе (для )
В отличие от вектора , циркуляция которого определяется как свободными (внешними), так и связанными (молекулярными) токами, циркуляция вектора определяется только свободными токами.
Циркуляция вектора
напряжённости магнитного поля (
)
по любому замкнутому контуру (
)
равна алгебраической сумме свободных
токов (
),
охваченных этим контуром.
Это уравнение позволяет рассчитывать поле без учёта сложного распределения молекулярных токов, что упрощает расчёт в веществе.
Условия на Границе Раздела Двух Магнетиков
При переходе магнитного
поля из одной среды (
)
в другую (
)
компоненты векторов
и
ведут себя по-разному. Это называется
граничными условиями.
Условие для нормальной компоненты ( ):
Нормальная компонента вектора магнитной индукции ( ) непрерывна при переходе через границу раздела двух сред (при условии отсутствия точечных источников поля, т.е. магнитных зарядов, на границе).
непрерывен, поскольку магнитное поле вихревое (
).
Условие для тангенциальной компоненты ( ):
Тангенциальная (касательная) компонента вектора напряжённости магнитного поля ( ) непрерывна при переходе через границу, если на этой границе отсутствуют свободные токи.
Соотношение компонент: Объединяя граничные условия с соотношением для нормальных и тангенциальных компонентов:
Где и — углы между вектором и нормалью на границе. Этот закон показывает преломление линий магнитной индукции на границе сред.
Ферромагнетизм. Обменные силы. Магнитный гистерезис. Температура Кюри. Антиферромагнетики.
Ферромагнетизм — это явление, при котором вещество обладает сильной спонтанной намагниченностью в отсутствие внешнего магнитного поля. Ферромагнетики характеризуются очень большой положительной магнитной восприимчивостью ( ) и магнитной проницаемостью ( ).
Домены (Области спонтанной намагниченности): Ферромагнетик состоит из множества микроскопических областей — доменов. Внутри каждого домена все атомные магнитные моменты ориентированы параллельно друг другу, создавая максимально возможное магнитное поле.
Причина сильного намагничивания: Внешнее магнитное поле вызывает:
Смещение границ доменов: Домены, ориентированные по полю, увеличиваются в размерах за счёт "поглощения" соседних доменов.
Вращение векторов намагниченности доменов: При сильном поле векторы намагниченности доменов поворачиваются в направлении внешнего поля.
Обменные Силы (Обменное Взаимодействие)
Обменные силы — это силы, имеющие квантово-механическую природу и не имеющие классического аналога. Они возникают между электронами соседних атомов и определяют, будут ли их спиновые магнитные моменты ориентированы параллельно (ферромагнетизм) или антипараллельно (антиферромагнетизм).
Обменные силы на порядки
(в
раз) сильнее обычных магнитных
диполь-дипольных взаимодействий и
ответственны за параллельную
ориентацию спинов в доменах ферромагнетиков,
преодолевая дезориентирующее действие
теплового движения.
Магнитный Гистерезис
Магнитный гистерезис — это явление запаздывания изменения намагниченности ( ) или магнитной индукции ( ) материала от изменения напряжённости внешнего магнитного поля ( ).
Петля гистерезиса:
Зависимость
при циклическом изменении
представляет собой замкнутую кривую,
называемую петлёй гистерезиса .
Остаточная намагниченность
(
):
Индукция, которая сохраняется в
ферромагнетике при напряжённости
внешнего поля
.
Коэрцитивная сила (
):
Напряжённость внешнего поля, которую
необходимо приложить в обратном
направлении, чтобы полностью размагнитить
материал (свести индукцию к нулю,
).
Энергетический смысл: Площадь петли гистерезиса пропорциональна работе (энергии), которая рассеивается в единице объёма материала при его перемагничивании за один цикл (магнитные потери).
Классификация по петле:
Магнито-мягкие материалы: Имеют узкую петлю, малые
и
.
Легко перемагничиваются
(используются в трансформаторах,
генераторах).Магнито-твёрдые материалы: Имеют широкую петлю, большие и . Трудно перемагничиваются, сохраняют намагниченность (используются для изготовления постоянных магнитов).
Температура Кюри ( )
Температура Кюри — это критическая температура, выше которой ферромагнетик теряет свои особые магнитные свойства и превращается в обычный парамагнетик.
При
энергия теплового движения становится
достаточной для разрушения упорядоченной
ориентации атомных моментов, вызванной
обменными силами. Спонтанная
намагниченность исчезает, доменная
структура разрушается.
— важная характеристика
ферромагнетиков. Например, для железа
.
Антиферромагнетики
Антиферромагнетики — класс магнитных веществ, в которых атомные магнитные моменты соседних ионов ориентированы антипараллельно (противоположно) друг другу.
Результирующий момент: Благодаря антипараллельной ориентации, результирующая намагниченность в отсутствие поля равна нулю.
Реакция на поле: Подобно парамагнетикам, они слабо намагничиваются по направлению внешнего поля.
Температура Нееля (
):
Температура, аналогичная температуре
Кюри. Выше
антиферромагнетик теряет антипараллельное
упорядочение и становится парамагнетиком.
Примеры: Оксид марганца
(
),
оксид хрома (
).