§6 Магнитное поле в веществе

Взаимодействие магнитного поля с веществом. Деление вещества на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Понятие об элементарных токах. Элементарный ток в магнитном поле.

Намагничивание вещества. Намагниченность. Магнитная восприимчивость. Магнитная проницаемость. Напряженность магнитного поля.

[1] §§ 131-136

1. Опыт показывает, что все вещества реагируют на магнитное поле. Если цилиндрический образец подвесить на нить и включить магнитное поле, то образцы ориентируются либо перпендикулярно силовым линиям, либо вдоль силовых линий. Т.е. все вещества распадутся на два класса: первые назвали диамагнетиками (рис. 6.1.), а вторые – парамагнетиками и ферромагнетиками (рис. 6.2.). Отличие парамагнетика от ферромагнетика состоит в значении максимального момента вращения, действующего на образец. При прочих равных условия, на ферромагнетик действует больший момент.

Для объяснения реакции вещества на магнитное поле А. Ампер выдвинул гипотезу о наличии внутри вещества микроскопических токов (рис. 6.3.). В настоящее время под микроскопическими токами (их еще называю элементарными) понимают орбитальное движение электронов в атомах и молекулах. Магнитные свойства вещества объясняют внутриатомным движением электронов и наличия у электрона собственного магнитного момента.

Действительно, орбитальному движению электрона соответствует магнитный момент контура (рис. 6.4.), модуль которого:

.

(6.1)

Здесь – модуль заряда электрона (элементарный заряд), – частота вращения электрона по орбите.

Если электрон движется со скоростью по-часовой стрелке (рис. 6.4.), то магнитный момент перпендикуляре плоскости орбиты и направлен по правилу правого винта вверх.

Орбитальному движению электрона соответствует и механический момент импульса:

.

(6.2)

– масса электрона, – скорость орбитального движения электрона.

Направление момента импульса также задается правилом правого винта (рис.6.4.).

Если учесть, что магнитный и орбитальный моменты направлены противоположно результаты (6.1) и (6.2) можно объединить:

(6.3)

Коэффициент пропорциональности

(6.4)

Называют магнитомеханическим отношением орбитального момента. Знак «-» подчеркива-

Рис. 6.1. Диамагнетик в магнитном поле	Рис. 6.2. Пара- и ферро- магнетик в магнитном поле	Рис. 6.3. Молекулярные токи Ампера и их сумма	Рис. 6.4. Электрон на орбите

ет противоположность направления магнитного и механического моментов. Магнитомеханическое отношение выражено через универсальные величины и не зависит от формы орбиты, оно справедливо и для эллиптической орбиты.

Магнитомеханическое отношение было найдено в экспериментах. Если знак отрицательный как в (6.4), но значение в два раза больше.

Для объяснения расхождения было предположено, что электрон обладает собственным механическим моментом, названным спин электрона ( ). В свою очередь, спину соответствует спиновый магнитный момент ( ), причем, спиновое магнитомеханическое отношение в два раза больше орбитального. Таким образом, было показано, что за ферромагнитные свойства вещества отвечает именно спиновый магнитный момент.

2. Тепловое движение разбрасывает магнитные моменты атомов, и вещество оказывается не намагниченным. Под действием внешнего поля магнитные моменты атомов ориентируются по полю, вещество приобретает собственный магнитный момент, говорят – вещество намагничивается.

Для количественной характеристики намагничивания вводят векторную величину – намагниченность – магнитный момент единицы объема:

.

(6.5)

Здесь – магнитный момент элементарного объема .

В веществе магнитное поле складывается из магнитного поля внешних токов ( ) и магнитного поля элементарных токов ( ).

.

(6.6)

Здесь – получила название напряженность магнитного поля, величина, определяемая только током и его конфигурацией.

Опыт показывает, что в свою очередь, намагниченность пропорциональна напряженности:

.

(6.7)

Коэффициент пропорциональности назвали магнитной восприимчивостью.

Объединив результаты, получают:

.

(6.8)

Здесь – магнитная проницаемость вещества.

С учетом сказанного, чтобы полученные формулы учитывали вещество, достаточно магнитную постоянную умножить на магнитную проницаемость вещества.

Магнитна проницаемость позволяет уточнить классификацию веществ: у диамагнетиков ; у парамагнетиков ; у ферромагнетиков .

Рисунок петли