Магнитные свойства вещества

Вещества, способные намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, называются магнетиками. Их можно разделить на три группы:

а) парамагнетиками: при намагничивании усиливают внешнее магнитное поле, т.е. создают свое собственное магнитное полеодного направления с внешним полем. Типичными парамагнетиками являются щелочные и щелочно - земельные металлы, кислород О₂, окись азота и другие вещества – т.е. вещества, у которых атомы имеют собственный магнитный момент (3.24);

б) диамагнетики: при намагничивании ослабляют внешнее магнитное поле, т.е. создают свое собственное магнитное поле, направленное противоположно основному. Представителями диамагнетиков являются инертные газы, многие органические соединения, ряд металлов (цинк, медь, золото, серебро, ртуть и т.д.) и неметаллов (кремний, фосфор, сера и т.д.). Парамагнитные и диамагнитные вещества являются слабомагнитными. У них Н^/<<Н;

в) существует, однако, вещества, для которых Н^/может во много раз превосходить внешнее поле Н. Такие вещества называютсяферромагнитными(железо, кобальт, никель, гадолиний, их соединения и сплавы хрома и марганца). Их особенности объясняются наличием внутри ферромагнетиков микрообластей самопроизвольного намагничивания –доменов, которые подобно магнитным стрелкам ориентируются во внешнем магнитном поле и усиливают его во много раз (см. пункт 6.8).

В основу объяснения свойств магнетиков положена гипотеза Ампера о существовании молекулярных микротоков. Можно считать, что движущийся в атоме по орбите электрон, подобен круговому току и обладает орбитальным магнитным моментом (рис.3.24).

Р_m=IS=eS, (3.82)

Рис.3.24

где ν=V/2πr– частота вращения электрона;

S=πr²– площадь орбиты.

Если плоскость орбиты ориентирована произвольно к направлению вектора , то под действием магнитного поля вектор Р_mначинает вращаться вокруг оси, параллельной(прецессия орбит). В диамагнетиках, в которых атомы не имеют собственных магнитных моментов, дополнительное (процессионное) вращение электронов приводит к возбуждению магнитного поля, направленного противоположно внешнему (согласно правилу Ленца). Кроме того, электроны обладают спиновым магнитным моментом.

Итак, под действием магнитного поля магнитный момент атома в целом изменяется. Это изменение и ответственно за свойства магнетиков.

Интенсивность намагничивания характеризуется вектором намагничивания :

, (3.83)

который выражается как векторная сумма магнитных моментов Р_mвсех атомов в единице бесконечно малого объема ΔV.

Опытами было установлено, что

где безразмерный коэффициент χ называется магнитной восприимчивостью. Он зависит от природы вещества. Так как

то получаем

отсюда магнитная проницаемостьмагнетика

μ = 1 + χ и

Для парамагнитных веществ μ незначительно больше единицы, для диамагнитных – несколько меньше единицы. И для тех и других μ не зависит от напряженности внешнего магнитного поля.

При переходе через границу двух магнетиков с разными μ₁и μ₂(подобно как и электрические величины Е иDв диэлектриках (рис.3.23) нормальная составляющая вектора В_nи тангенциальная составляющая вектора Н_τизменяются непрерывно, а тангенциальная составляющая В_τи нормальная составляющая Н_nпретерпевают скачок, т.е.

Магнитной цепьюназывается совокупность магнетиков, в которых локализовано магнитное поле. Например, если длинный соленоид или тороид имеют сердечники, то магнитное поле сосредоточено в пределах сердечников, силовые линии находятся в их объеме. Для усиления магнитного поля сердечники изготовляют из магнетиков, имеющих большую величину магнитной проницаемости μ. Расчет магнитных цепей проводится при конструировании электрических машин, трансформаторов и т.д., основываясь на законах магнитных цепей.

Закон магнитной цепи (формула Гопкинсона):