2. Вещество в магнитном поле. Намагниченность. Магнитные восприимчивость и проницаемость. Диамагнетизм, парамагнетизм, ферромагнетизм. Температура Кюри. Доменная структура.
Все тела под действием магнитного поля начинают проявлять магнитные свойства – намагничиваются и сами создают магнитное поле (магнетики).
В = В0 + В’, где В0 – магнитная индукция, обусловленная токами в проводниках, В’ – магнитная индукция, обусловленная намагниченным веществом.
В веществе циркулируют микроскопические замкнутые токи – молекулярные токи. При отсутствии внешнего магнитного поля орбиты молекулярных токов и их магнитные моменты ориентированы хаотически, так что суммарный магнитный момент в любом объеме равен 0 – вещество не проявляет магнитных свойств. При помещении вещества в магнитное поле магнитные моменты молекулярных токов ориентируются вдоль поля.
В результате каждый макроскопически бесконечно малый элемент объемом ΔV вещества приобретает отличный от 0 магнитный момент – вещество намагничивается.
Намагниченность (вектор намагничивания) – магнитный момент единицы объема вещества. J = ΣPi/ ΔV [А/м].
Для большинства веществ – магнитонеупорядоченных магнетиков (газы, жидкости, большинство твердых магнетиков) – вектор намагничивания в не слишком сильных полях и при не слишком сильных температурах пропорционален магнитной индукции поля: J~B.
Магнитоупорядоченные магнетики – упорядочение взаимной ориентации микроскопических магнитных моментов происходит даже в отсутствие внешнего магнитного поля за счет внутренних взаимодействий квантового происхождения.
Плотность молекулярных потоков определяется значением ротора намагниченности: jмол = [rotJ].
Напряженность магнитного поля – величина, ротор которой определяется одними лишь макроскопическими токами. H = B/μ0 – J или [rotH] = j (ротор вектора Н равен плотности макроскопических токов).
Теорема о циркуляции вектора Н: циркуляция вектора напряженности магнитного поля по некоторому контуру равно алгебраической сумме макроскопических токов, охватываемых этим контуром.
Намагниченность принято связывать с напряженностью поля. Полагают, что в каждой точке магнетика
J = χH, где χ – характерная для данного магнетика величина, называемая магнитной восприимчивостью.
H = B/μ0 – χH => H = B/ μ0(1+χ) => μ = 1+χ. μ – относительная магнитная проницаемость, показывает во сколько раз усиливается поле в магнетике.
Напряженность магнитного поля есть вектор, имеющий то же направление, что и вектор магнитной индукции, но в μ0μ раз меньший по модулю.
Диамагнетизм. Диамагнетики – χ отрицательна или мала по абсолютной величине (χ ~ 10-8 – 10-7 м3/кмоль). Диамагнетизм обнаруживают только те вещества, у которых атомы не обладают магнитным моментом (векторная сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов атома равна 0). Магнитная проницаемость диамагнетиков практически равна 1.
Под действием внешнего магнитного поля происходит прецессия электронных орбит с одинаковой для всех электронов угловой скоростью. Обусловленное прецессией дополнительное движение электронов приводит к возникновению индуцированного магнитного момента атома, направленного против поля. Когда атомы обладают сами по себе магнитным моментом, магнитное поле не только индуцирует момент, но и оказывает на магнитные моменты атомов ориентирующее действие, устанавливая их по направлению поля. Возникающий при этом положительный магнитный момент бывает значительно больше отрицательного индуцированного момента. Поэтому результирующий момент оказывается положительным и вещество ведет себя как парамагнетик.
Парамагнетизм. Парамагнетики – χ тоже невелика, но положительная (χ ~ 10-7 – 10-6 м3/кмоль). Если магнитный момент отличен от 0, то вещество является парамагнетиком.
Кюри экспериментально установил закон, согласно которому восприимчивость парамагнитного вещества равна χ = C/T, где С – постоянная Кюри, зависящая от рода вещества, Т – абсолютная температура.
Ферромагнетизм. Ферромагнетики – χ положительна и достигает очень больших значений (χ ~ 103 м3/кмоль). Восприимчивость ферромагнетиков является функцией напряженности магнитного поля.
При определенных условиях в кристаллах могут возникать силы, которые заставляют магнитные моменты электронов выстраиваться параллельно друг другу. В результате возникают области спонтанного (самопроизвольного) намагничения, которые называются также доменами. В пределах каждого домена ферромагнетик спонтанно намагничен до насыщения и обладает определенным магнитным моментом. Направления этих моментов для разных доменов различны, так что в отсутствие внешнего поля суммарный момент всего тела равен 0.
Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура Тс, при которой области спонтанного намагничения распадаются и вещество утрачивает ферромагнитные свойства. Эта температура называется точкой Кюри. При температура выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком, магнитная восприимчивость которого подчиняется закону Кюри-Вейсса: χ = С/(Т- Тс). При охлаждении ферромагнетика ниже точки Кюри в нем снова возникают домены.