6.2. Магнитное поле в веществе

Если пространство, в котором существует магнитное поле, заполнить веществом (средой), то вещество намагнитится, т.е. оно само становится источником дополнительного магнитного поля. Результирующее магнитное поле в среде является суммой поля внешнего и поля созданного намагниченной средой. В отличие от электрического поля магнитное поле в среде может быть как слабее, так и сильнее внешнего поля.

Для характеристики магнитного поля, кроме вектора магнитной индукции , используют вектор напряжённости магнитного поля – силовую характеристику магнитного поля, не зависящую от магнитных свойств среды. В среде вектор напряженности определяет тот вклад в магнитную индукцию, который дают внешние источники поля.

Для однородной изотропной среды в случае постоянного или медленно изменяющегося внешнего магнитного поля существует следующая зависимость между индукцией магнитного поля внутри вещества и напряженностью внешнего магнитного поля (если пренебречь влиянием размеров и формы образца вещества):

, (6.2.1)

Здесь  – магнитная проницаемость вещества – величина, характеризующая изменение магнитной индукции среды под воздействием магнитного поля напряженностью .

Для характеристики намагничивания вещества вводится вектор намагниченности – это величина, равная векторной сумме магнитных моментов атомов или молекул, находящихся в единице объёма вещества:

, (6.2.2)

где – магнитная восприимчивость – величина характеризующая способность данного вещества намагничиваться в магнитном поле.

Магнитная проницаемость  и магнитная восприимчивость связаны соотношением:

. (6.2.3)

В

Рис. 6.2.1

зависимости от величины этих параметров вещества подразделяются на диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетики – вещества, атомы или молекулы которых не имеют собственных магнитных моментов. Если диамагнетик внести во внешнее поле, то его атомы или молекулы под действием внешнего поля приобретают индуцированные магнитные моменты, направленные противоположно напряженности внешнего магнитного поля . В результате магнитная индукция B суммарного поля в веществе меньше, чем индукция B₀ поля в вакууме, но это уменьшение невелико. Итак, в диамагнетиках:

• магнитные моменты молекул диамагнетика в отсутствии внешнего поля равны нулю;

• во внешнем поле возникающий магнитный момент направлен противоположно внешнему полю;

• магнитная восприимчивость отрицательна и мала;

• магнитная проницаемость чуть меньше единицы;

• величина намагниченности J линейно возрастает при увеличении напряженности внешнего магнитного поля Н (прямая 1 на рис. 6.2.1);

• в неоднородном магнитном поле на диамагнетик действует сила в направлении уменьшения поля.

Парамагнетики – вещества, атомы или молекулы которых имеют отличные от нуля собственные магнитные моменты. Во внешнем магнитном поле эти моменты стремятся ориентироваться в направлении приложенного внешнего магнитного поля. Поэтому индукция B суммарного магнитного поля внутри парамагнетика больше, чем индукция B₀ поля в вакууме.

В результате в парамагнетиках:

• магнитные моменты молекул парамагнетика в отсутствии внешнего поля не равны нулю; тепловое движение молекул не допускает упорядоченной ориентации магнитных моментов молекул парамагнетика, и в отсутствии внешнего магнитного поля намагниченность парамагнетика J = 0;

• во внешнем магнитном поле происходит ориентирование имевшихся молекулярных магнитных моментов; в результате ориентационный магнитный момент парамагнетика направлен по внешнему полю;

• магнитная восприимчивость положительна и мала;

• магнитная проницаемость чуть больше единицы;

• магнитная восприимчивость парамагнетика обратно пропорциональна абсолютной температуре парамагнетика: (закон Кюри);

• в сильных внешних полях и при низких температурах намагниченность парамагнетика J достигает насыщения (кривая 2 на рис. 6.2.1);

• в неоднородном магнитном поле на парамагнетик действует сила в направлении увеличения поля.

Ф

Рис. 6.2.2

ерромагнетики – вещества, атомы которых обладают постоянным магнитным моментом, и моменты соседних атомов сильно связаны между собой. В результате ферромагнитное тело разбито на области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности – домены. Ферромагнетизм существует только в определённой области температур. Для каждого материала ферромагнетика существует переходная температура T_K, называемая температурой Кюри. При T > T_K ферромагнетик становится парамагнетиком.

Свойства ферромагнетиков аналогичны свойствам сегнетоэлектриков:

• магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость положительны и велики;

• намагниченность J ферромагнетика нелинейно зависит от напряженности H внешнего поля (кривая 3 на рис. 6.2.1), поэтому магнитная проницаемость ферромагнетика существенно зависит от величины внешнего магнитного поля;

• по мере возрастания напряженности внешнего магнитного поля намагниченность ферромагнетика достигает насыщения.

При периодических изменениях внешнего магнитного поля зависимость индукции магнитного поля в ферромагнетике В от напряжённости внешнего магнитного поля H имеет вид изображенной на рис. 6.2.2 кривой, называемой петлей гистерезиса.

Петля гистерезиса позволяет определить две характеристики явления гистерезиса в данном ферромагнитном материале:

• при обращении H в нуль ферромагнетик сохраняет намагниченность; индукцию магнитного поля в ферромагнетике В₀ при Н = 0 называют остаточной индукцией;

• коэрцитивную силу H_K – напряженность размагничивающего поля, в котором ферромагнетик, первоначально намагниченный до насыщения, размагничивается; по величине коэрцитивной силы магнитные материалы разделяются на магнитомягкие и магнитотвердые.