Магнитные свойства твердых тел

Магнитные свойства веществ были обнаружены очень давно. Более двух тысяч лет назад намагниченные материалы использовали в качестве компаса. Однако причины возникновения магнетизма прояснились относительно недавно. Важнейшую роль в развитии учения о магнетизме сыграла гипотеза Ампера, согласно которой магнитные свойства вещества обусловлены элементарными токами, циркулирующими внутри вещества. Последующее развитие физики атомной и ядерной блестяще подтвердили эту гипотезу. Элементарными токами оказались токи электронов, движущихся вокруг атомных ядер. Каждая молекула вещества характеризуется магнитным моментом

m_i= i S , (4.1)

где i - элементарный молекулярный ток, S - площадь его контура.

Если вещество не намагничено , то молекулярные токи ориентированы хаотически и их суммарный магнитный момент равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля элементарные магнитные моменты вещества m_i ориентируются, создавая суммарный момент М:

М= S m_i . (4.2)

Отношение суммарного магнитного момента к объему тела называют намагниченностью материала:

I = M/V . (4.3)

Состояние магнитного поля в системе СИ характеризуют с помощью вектора напряженности магнитного поля Н и вектора индукции В, которые в вакууме связаны соотношением

В₀ = m₀ Н , (4.4)

где m₀ = 1,26 ´ 10^–7 Гн/м - магнитная постоянная в системе СИ.

В присутствии материала его намагниченность I зависит от напряженности внешнего магнитного поля

I = c Н , (4.5)

где c - безразмерный коэффициент, который называют магнитной восприимчивостью материала.

Намагниченность приводит к дополнительной магнитной индукции молекулярных токов

В₁ = m₀ I = m₀ c Н . (4.6)

Суммарная магнитная индукция, действующая в магнетике, будет, таким образом, равна

В=В₀+В₁ . (4.7)

Подставляя (4.4) и (4.6) в (4.7), получим

В = m₀ Н + m₀ c Н = (1+c) m₀ Н = m m₀ Н . (4.8)

Безразмерную величину

m = 1+c (4.9)

называют относительной магнитной проницаемостью вещества.

По величине магнитной восприимчивости все материалы принято делить на группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Характерные значения для них приведены ниже.

Диамагнетики и парамагнетики относятся к слабомагнитным материалам. В них индукция магнитного поля изменяется незначительно:

m = 1 + c ~ 1.

У ферромагнетиков, сильно взаимодействующих с полем, намагниченность велика. Поэтому в них индукция магнитного поля возрастает многократно. Именно такие материалы нашли широкое применение в технике. Рассмотрим их подробнее.