Характер магнитного поля

     Характер  магнитного поля, создаваемого как  постоянными магнитами, так и электрическими токами, в значительной степени зависит от свойств окружающей среды. Известно, например, что при внесении различных материальных тел в пространство между двумя проводниками с током сила их взаимодействия изменяется. При переходе границы раздела двух сред с различными значениями магнитной проницаемости в общем случае меняется число силовых линий магнитного поля. Все эти свойства обусловлены намагничиванием веществ.

     Явление намагничивания в определенной мере аналогично электрической поляризации диэлектриков, поэтому для выяснения его физической сущности обратимся к молекулярной структуре веществ.

     В любом проводнике или диэлектрике, имеющем ионную структуру или состоящем из нейтральных молекул, внутри отдельных ионов или молекул имеет место орбитальное движение электронов вокруг ядер атомов. Вращающийся относительно ядра электрон соответствует микроскопическому круговому току , который эквивалентен элементарному магнитному диполю с моментом 

где - векторная площадь орбиты электрона. Этот момент называется орбитальным магнитным моментом электрона.

     Наряду  с орбитальным моментом, электрон обладает спиновым магнитным моментом, связанным с вращением электрона  вокруг собственной оси. Однако магнитное  поле, обусловленное спином электрона, очевидно, тоже может быть сведено  к полю микроскопических токов, каким-то образом распределенных в пространстве. Поэтому в дальнейшем предполагается, что электрон эквивалентен элементарному магнитному диполю с моментом , который в конечном итоге обусловлен наличием микроскопических токов.

     По  характеру процессов при намагничивании различают три вида веществ: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

     К диамагнетикам относятся вещества, у которых магнитные моменты элементарных диполей (моменты электронов) в отсутствие внешнего магнитного поля ориентированы произвольно. Вследствие этого их магнитные поля взаимно компенсируются и молекулы (ионы) в целом не проявляют магнитных свойств. Под воздействием внешнего магнитного поля элементарные диполи занимают положения, при которых направление их моментов близко к направлению вектора напряженности внешнего поля. Каждая молекула приобретает магнитный момент , который определяется как геометрическая сумма моментов элементарных диполей: 

     Таким образом, молекулы диамагнетика становятся магнитно-полярными, а их моменты, так  же как и моменты элементарных диполей, совпадают с направлением внешнего магнитного поля. В этом заключается процесс намагничивания диамагнитных веществ.

     Если  частицы диамагнитных веществ приобретают  магнитный момент лишь под воздействием внешнего магнитного поли, то частицы (т. е. атомы и молекулы) парамагнитных веществ обладают собственным магнитным моментом даже при отсутствии внешнего поля (магнитно-полярные молекулы). [Исследования показывают, что природа пара- и ферромагнетизма обусловлена главным образом спиновым магнитным моментом электронов] Однако в обычном состоянии эти вещества, так же как и диамагнетики, не проявляют магнитных свойств из-за хаотической ориентации моментов молекул (атомов). Намагничивание парамагнетиков объясняется тем, что под действием сил внешнего поля магнитно-полярные частицы поворачиваются и их моменты ориентируются в соответствующем направлении.

     Как в диамагнитных, так и в парамагнитных  веществах намагничивание исчезает с исчезновением внешнего поля.

     Наконец, третью, особую группу веществ составляют ферромагнетики. Как и в парамагнитных веществах, их намагничивание вызывается упорядочением ориентации магнитных моментов атомов. Однако намагничивание ферромагнетиков сопровождается целым рядом весьма сложных явлений, таких, как остаточный магнетизм, самопроизвольное (спонтанное) намагничивание и др.

     Каждый  атом ферромагнетика находится в сильном магнитном поле («молекулярном поле») смежных с ним атомов. В этих условиях энергия атома, эквивалентного магнитному диполю, согласно (где – напряженность внешнего магнитного поля), зависит от ориентации его момента по отношению к молекулярному полю. Причем энергия имеет тем меньшее значение, чем ближе момент атома совпадает с направлением молекулярного поля. Стремясь к положению, при котором энергия минимальна, атомы, таким образом, имеют тенденцию ориентироваться в одном и том же направлении. Эта способность атомов должна, казалось бы, приводить к самопроизвольному (спонтанному) намагничиванию ферромагнетиков. Между тем, в обычном состоянии большинство представителей ферромагнитных веществ (например, железо) не проявляет магнитных свойств. Объяснить это можно тем, что ферромагнитные вещества распадаются на ряд микроскопически малых автономных областей (области Вейсса), каждая из которых самопроизвольно намагничена до определенного состояния. Однако в отсутствие внешних воздействий направление намагничивания областей Вейсса различно, и средний магнитный момент всего тела оказывается равным нулю. При наложении внешнего магнитного поля ориентация моментов таких областей упорядочивается. В результате происходит намагничивание ферромагнетика, частично остающееся даже после исчезновения внешнего магнитного поля. Остаточное намагничивание сохраняется до тех пор, пока на тело не начнут действовать новые факторы, такие как нагревание, магнитное поле обратного направления и т.п.

     Таким образом, под воздействием внешнего магнитного поля в любом веществе образуется внутреннее поле, вызванное  микроскопическими токами. Внутреннее поле, взаимодействуя с внешним, изменяет его.

     Количественно часть поля, обусловленную наличием вещества, принято характеризовать вектором магнитной поляризации, который определяется как векторная сумма магнитных моментов молекул в единице объема вещества 

     Вектор  магнитной поляризации показывает, насколько магнитная индукция в  данной среде отличается от индукции в вакууме: 
 
 

Введем  магнитную восприимчивость среды  по формуле: 
 

И запишем (4) как: 
 

Величина может быть как положительной, так и отрицательной.

     Диамагнетики обладают отрицательной восприимчивостью (для них , а ), т. е. направление вектора намагничивания у них противоположно направлению вектора напряженности намагничивающего поля. Так же, как и электрическая восприимчивость диэлектриков, состоящих из нейтральных молекул, магнитная восприимчивость диамагнетиков практически не зависит от температуры.

     Напротив, восприимчивость парамагнитных тел имеет положительное значение (, а ) - в них вектор намагничивания совпадает по направлению с вектором напряженности внешнего поля. Магнитная восприимчивость парамагнетиков уменьшается при возрастании температуры. В этом отношении они подобны диэлектрикам, состоящим из полярных молекул.

     Для диамагнитных и парамагнитных веществ  магнитная восприимчивость не зависит от напряженности намагничивающего поля. Векторы и (а также и ) связаны между собой линейной зависимостью. Поэтому диамагнетики и парамагнетики относятся к линейным средам.

Численные значения магнитной восприимчивости для диамагнетиков и парамагнетиков очень малы. Например, для кислорода, который является парамагнетиком, (при ), а для азота, относящегося к диамагнетикам, . Стало быть, в большинстве случаев намагничиванием этих сред можно пренебрегать и считать ().

     Восприимчивость ферромагнитных материалов при достаточно сильных внешних магнитных полях  является большой положительной величиной. [В слабых намагничивающих полях моменты областей Вейсса лишь немного отклоняются в сторону внешнего поля и при исчезновении его вновь возвращаются в исходное состояние. Поэтому в слабых полях поведение ферромагнетиков аналогично поведению парамагнетиков.] Для ферромагнетиков зависимость имеет вид петли гистерезиса (рис. 1). Поэтому величина вектора определяется не только напряженностью приложенного в настоящий момент поля, но и предшествующей историей данного образца ферромагнетика.

Рис. 1. График зависимости  магнитной поляризации  ферромагнетика от напряженности  внешнего поля 

     Так, например, если ферромагнетик ранее  не находился в магнитном поле, то при напряженности внешнего поля величина вектора магнитной поляризации определяется кривой первоначального намагничивания (участок OA) и будет равна . Если же образец уже подвергался воздействию магнитного поля, то модуль вектора в зависимости от величины и направления предшествующего поля может оказаться равным либо , либо .

     Хотя  в ферромагнетиках  и связаны между собой нелинейной и неоднозначной зависимостью, формально для них можно сохранить соотношение типа (6). Однако следует иметь в виду, что магнитная восприимчивость ферромагнетиков сложным образом зависит от напряженности внешнего поля, от предыстории данного образца и целого ряда других факторов (способа термообработки, малейших химических примесей и т. п.). Поэтому в каждом конкретном случае должна определяться по кривой в точке, соответствующей значению напряженности внешнего магнитного поля.