3. Магнетики

Как показывает опыт, магнитная индукция поля увеличивается в определенных веществах, помещенных в это поле. Ампер объяснил это явление, выдвинув гипотезу молекулярных токов. По гипотезе Ампера, внутри молекул есть молекулярные круговые токи, имеющие магнитные моменты . Следовательно, молекулы представляют собой элементарные магниты.

В се вещества (кроме вакуума) называются магнетиками. Кусок магнетика, не побывавший в магнитном поле, не намагничен, так как магнитные моменты его молекул ориентированы беспорядочно (рис. 3.42). Попадая в магнитное поле индукции , круговые молекулярные токи испытывают воздействие внешнего поля аналогично рамки с током и стремятся ориентироваться вдоль линий поля своими магнитными моментами (см. 3.15). Наблюдается преимущественная ориентация магнитных моментов вдоль поля, создающая наведенное магнитное поле, характеризующееся вектором .

Представим себе это наведенное поле как созданное одними молекулярными токами, текущими в вакууме (конечно, молекулярные токи не могут течь в вакууме, но они создают именно такое поле). По принципу суперпозиции полей вектор индукции результирующего поля

.

Но . Теперь можно понять роль формально введенного множителя . В одном и том же поле два разных вещества намагничиваются по разному в зависимости от напряженности наведенного поля, т.е. от степени ориентированности магнитных моментов молекул. У вещества, которое сильнее намагничиваются, больше и, соответственно, магнитная проницаемость .

Векторы и характеризуют поле тока (наводящее поле); векторы и – поле магнетика (наведенное поле); вектор результирующее (суммарное) поле.

В наши дни гипотеза Ампера может считаться доказанной – мы знаем, что электроны движутся по круговым орбитам вокруг ядер (орбитальный момент импульса) и имеют собственный (спиновой) момент импульса. Оба движения связанны с появлением соответствующих магнитных моментов, и векторная сумма таких моментов внутри молекулы представляет собой магнитный момент молекулы.

Но электроны есть во всех молекулах, почему же на практике магнитные свойства обнаруживает лишь узкий круг веществ? По своим магнитным свойствам все вещества делятся на пара-, диа- и ферромагнитные.

Парамагнетиками²² называются вещества, магнитный момент молекул которых отличен от нуля. Вне магнитного поля они не намагничены (рис. 3.42). Попав в магнитное поле, они намагничиваются, так как магнитные моменты молекул получают преимущественную ориентацию вдоль линий поля (рис. 3.43). Наведенное поле характеризуется вектором магнитной индукции . Результирующий вектор индукции . Магнитный поток сквозь некоторую площадку в вакууме

;

в веществе магнитный поток сквозь ту же площадку

;

отношение этих потоков

.

Это отношение можно использовать в качестве определения магнитной проницаемости числа, которое показывает во сколько раз магнитный поток через некоторую площадку в веществе больше, чем в вакууме.

Поток в парамагнетике больше чем в вакууме, и . Заметим, что магнитная проницаемость чуть-чуть больше единицы и постоянна. К парамагнетикам относятся многие диэлектрики; некоторые газы, в частности воздух; алюминий, вольфрам, платина.

22. Как Вы думаете, зависит ли относительная магнитная проницаемость парамагнетиков от температуры?

Диамагнетиками²³ называют вещества, магнитный момент молекул которых (в отсутствии магнитного поля) равен нулю.

Это возможно, если магнитные моменты отдельных электронов компенсируют друг друга, т.е. их геометрическая сумма равна нулю (рис. 3.44, представьте картину объемной). Естественно, вне магнитного поля каждая молекула – не магнит, и весь образец диамагнетика не намагничен. Внешнее магнитное поле не действует на всю молекулу, но действует на отдельные электроны молекулы, магнитные моменты которых отличны от нуля.

Представим себе какой-то электрон молекулы в произвольный момент времени. Его скорость составляет некоторый угол с направлением вектора (рис. 3.45). Разложим ее на составляющую параллельную и перпендикулярную линии вектора . Благодаря нормальной составляющей скорости на электрон в магнитном поле начнет действовать дополнительная сила Лоренца

.

Она вызовет дополнительное (кроме других движений, в которых участвовал электрон и вне магнитного поля) движение по окружности, направленное по часовой стрелке, если смотреть вдоль линий магнитной индукции. Но такое дополнительное движение представляет собой дополнительный круговой ток, перпендикулярный плоскости (рис. 3.45) и направленный против часовой стрелки (если смотреть вдоль линий магнитной индукции – заряд электрона ). Дополнительный ток имеет наведенный магнитный момент, направленный (по правилу правого винта) навстречу вектору .

Значит, надо к магнитному моменту каждого электрона на рисунке 3.44 прибавить этот наведенный момент, направленный навстречу индукции поля. Сумма прежних моментов осталась равной нулю, а векторная сумма наведенных моментов отлична от нуля и направлена навстречу индукции наводящего поля. Следовательно, молекулы диамагнетика в магнитном поле становятся магнитами, у них наводится магнитный момент, противоположный линиям наводящего поля (рис. 3.46). Наведенное магнитное поле характеризуется вектором магнитной индукции (рис. 3.47). Вектор магнитной индукции результирующего поля

.

М агнитный поток сквозь площадку выражается так же, как и в случае парамагнетика, но теперь

и .

Правда, магнитная проницаемость немного меньше единицы и постоянна. К диамагнетикам относятся инертные газы, водород, вода, стекло, серебро, золото, медь. Если диамагнетик вынести из магнитного поля, то исчезнет дополнительная сила Лоренца, прекратится вызванное ею движение электронов, не будет дополнительных магнитных моментов, и магнитные моменты молекул опять станут равными нулю.

Диамагнитный эффект существует и у парамагнетиков, но там он мало заметен, так как изменяет уже существующий магнитный момент молекулы. У диамагнитных молекул он является причиной появления магнитного момента, поэтому сказывается сильнее.

23. Как Вы думаете, зависит ли диамагнитный эффект от температуры?

В обыденной жизни мы сталкиваемся с магнитными свойствами только ферромагнитных веществ. В результате магнитного взаимодействия соседних атомов (или молекул) в ферромагнетиках вне магнитного поля образуются микроскопические области, содержащие еще статистически много атомов, - домены, в которых магнитные моменты атомов ориентированы одинаково (рис. 3.48, а). Но в целом кристалл не намагничен, так как магнитные моменты разных доменов ориентированы хаотично (рис. 3.48, б).

24. Чем вызвана одинаковая ориентация магнитных моментов атомов в пределах одного домена?

При внесении такого кристалла в магнитное поле за счет перемагничивания пограничных атомов увеличиваются домены, магнитные моменты которых ориентированы приблизительно по линиям поля, и уменьшаются домены, магнитные моменты которых ориентированы почти против линий поля. В достаточно сильных полях поворачиваются м агнитные моменты доменов. В результате этих процессов образец оказывается намагниченным вдоль внешнего поля (рис. 3.48, в): ; (качественно, как у парамагнетиков). Но все эти процессы гораздо сильнее, ибо ориентируются суммарные магнитные моменты доменов:

и ;

именно поэтому намагничивание ферромагнетиков заметно даже в слабых полях. Кроме того, , оказывается, зависит нелинейно от напряженности магнитного поля и от «предыстории» образца (от того, в каких магнитных полях образец побывал ранее). К ферромагнитным веществам относятся железо, никель, кобальт, некоторые сплавы.

У каждого ферромагнетика есть определенная температура – точка Кюри, при которой разрушаются домены, и ферромагнетик становится парамагнетиком. Больше того, можно подозревать, что известные нам парамагнетики – это ферромагнетики при температурах выше их точки Кюри. Подтверждением такой точки зрения является обнаружение ферромагнетизма при температурах ниже 10 К у гадолиния, считавшегося ранее парамагнетиком.

Для выяснения характера зависимости возьмем образец ферромагнетика, не побывавший ранее в каких бы то ни было магнитных полях (практически это можно осуществить, размагнитив образец сильным нагреванием), и поместим его внутрь соленоида, по которому можно пропускать определенный ток. Напряженность магнитного поля соленоида равна , магнитную индукцию можно измерить, например, по силе Ампера. Сначала вектор индукции растет в зависимости от нелинейно, затем наступает насыщение, когда все магнитные моменты доменов ориентированы вдоль линий поля (рис. 3.48, г); при дальнейшем увеличении вектор магнитной индукции возрастает линейно.

Экспериментальная кривая с насыщением в точке 1 изображена на рисунке 3.49. При уменьшении напряженности магнитного поля вектор уменьшается линейно по той же прямой до точки 1, затем по кривой 1, с запаздыванием (относительно кривой 0 – 1). Это объясняется тем, что в процессе намагничивания внешнее поле заставляло магнитные моменты доменов поворачиваться, а теперь они разориентируются благодаря ослаблению внешнего воздействия не сразу и хаотично. Когда тока нет, наблюдается остаточное намагничивание , что позволяет изготавливать постоянные магниты. Образец можно размагнитить, включив поле соленоида в обратном направлении (изменив направление тока). При определенной напряженности (коэрцитивная²⁴ сила) вектор магнитной индукции равен нулю. Дальнейшее увеличение модуля напряженности заставит этот вектор нелинейно изменятся по кривой до насыщения 2, затем линейно. При уменьшении напряженности кривая пройдет через точку 2, остаточное намагничивание , коэрцитивную силу до точки 1 и т.д. Мы описали полный цикл гистерезиса²⁵.

При заданной напряженности магнитного поля (точка А, рис. 3.49) вектор магнитной индукции может иметь любое значение из отмеченных фигурной скобкой в зависимости от того, в каких магнитных полях образец был ранее. Поэтому для ферромагнетика определяется неоднозначно и приблизительно по независимо измеренным значениям В и Н (хотя в этом случае ее ценность сомнительна).