§ 7.5. Магнитное поле в веществе
1. Все тела состоят из атомов,
в которых движутся электроны и протоны
и создают собственное магнитное поле.
Внешнее магнитное поле влияет на их
движение. Поэтому все вещества являются
магнетиками – они намагничиваются и
создают собственное магнитное поле
.
В веществе оно складывается с внешним
магнитным полем (в вакууме)
,
так что
(7.5.1)
Изменение поля в веществе по сравнению с полем в вакууме характеризует относительная магнитная проницаемость - безразмерная величина. Ее физический смысл аналогичен диэлектрической проницаемости. Она показывает, во сколько раз поле в веществе изменяется по сравнению с полем в вакууме:
(7.5.2)
Опыт показывает, что в намагниченности вещества определяющую роль играют электроны атомов. Орбитальное движение электрона можно рассматривать как миниатюрный круговой ток, обладающий собственным магнитным моментом. Помимо орбитальных магнитных моментов электроны обладают еще специфически квантовой характеристикой – спиновым магнитным моментом. Сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов атома определяет магнитные свойства вещества.
2. По магнитным свойствам вещество делится на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Первые две группы являются слабомагнитными, они создают очень слабое собственное поле, для них отличается от единицы в третьем-четвертом знаке после запятой, не зависит от внешнего поля и для технически важных магнетиков представлена в соответствующих таблицах физических величин.
Диамагнетики намагничиваются против внешнего поля, так что внесение диамагнетика во внешнее магнитное поле ослабляет его. К диамагнетикам относятся такие вещества: инертные газы, водород, вода, висмут, серебро и другие. Диамагнетики выталкиваются внешним магнитным полем. Удлиненные диамагнитные тела (стержни) ориентируются поперек силовых линий. Для диамагнетиков 1.
Парамагнетики намагничиваются по полю и усиливают его. Парамагнетики втягиваются во внешнее магнитное поле, удлиненные парамагнитные тела вытягиваются вдоль силовых линий. Примером парамагнетиков являются воздух, платина, алюминий, жидкий кислород. Для парамагнетиков 1.
Третья группа – ферромагнетики – сильномагнитные материалы. Они получили свое название от железа. Ферромагнетиками являются такие химически чистые вещества: железо, никель, кобальт, гадолиний, а также многочисленные сплавы, в том числе и не содержащие указанные вещества. Магнитная проницаемость ферромагнетиков значительно больше единицы и зависит от величины внешнего поля. Способность ферромагнетиков значительно усиливать магнитное поле (на 3-5 порядков) широко используются в технике. В ферромагнетиках наблюдается явление гистерезиса. Гистерезис (от греческого – отставание, запаздывание) проявляется в том, что в одном и том же внешнем магнитном поле намагниченность ферромагнетика зависит от его предыстории и принимает одно из значений из возможного диапазона. После снятия внешнего магнитного поля в ферромагнетике сохраняется остаточная намагниченность. Именно это свойство проявляется в постоянных магнитах.
В итоге рассмотрения отметим, что полученные нами ранее формулы для магнитного поля в вакууме пригодны для магнитного поля в веществе, если в них заменить 0 на 0. Напомним, что с аналогичным способом описания поля в веществе мы уже познакомились в электростатике