Магнитная восприимчивость

Магнитные свойства вещества

Введение

Магнитные свойства вещества описываются связью между индукцией результирующего магнитного поля в веществе и напряженностью магнитного поля, создаваемого только внешними источниками . В вакууме . Вещество классифицируется по своим магнитным свойствам на магнетики, в которых магнитное поле изменяется по сравнению с внешним, и немагнитные вещества. Важнейшие классы магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики различаются видом функции , где – температура. Согласно современным представлениям, магнетики, в отличие от немагнитных веществ, состоят из микроскопических магнитных диполей, или приобретают такой состав под действием внешних магнитных полей. Микроскопическим магнитным диполям отвечают круговые токи, создаваемые в атомах электронами, вращающимися вокруг ядер и вокруг собственной оси.

Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость – безразмерная физическая величина, характеристика магнитных свойств среды, показывает изменение магнитной индукции при воздействии на среду внешнего магнитного поля. Индукция результирующего магнитного поля в изотропных средах .

Намагничивание и намагниченность

Намагничивание – процесс приобретения веществом макроскопического магнитного дипольного момента, происходящий при воздействии внешнего магнитного поля. При намагничивании меняется магнитное состояние вещества. Намагниченность – векторная физическая величина, характеристика магнитного состояния макроскопического тела, плотность микроскопических магнитных диполей в веществе, численно определяемая как магнитный дипольный момент единичного объема тела:

, (1)

где – магнитный момент -того микроскопического магнитного диполя; – объем тела. Намагниченность зависит от температуры, так как температура влияет на ориентацию отдельных микроскопических магнитных диполей. Основная единица измерения намагниченности в СИ – 1 А/м.

Согласно определению в вакууме .

Магнитная восприимчивость

Магнитная восприимчивость – безразмерная физическая величина, характеристика магнитных свойств среды, показывает связь намагниченности вещества с магнитным полем в этом веществе. Для изотропных сред , где – напряженность намагничивающего поля.

35.5. Связь , и ; и .

Индукция результирующего магнитного поля в веществе, созданного как внешними источниками ( ), так и микроскопическими диполями в результате намагничивания ( ), определяется по принципу суперпозиции уравнением:

. (1)

Подставив в формулу (1) соотношение , получим равенство: , сравнивая которое с уравнением , получим связь между и : .

Диамагнетики

Диамагнетики – вещества, не содержащие постоянных атомных или молекулярных магнитных диполей. Поэтому диамагнетики не могут быть постоянными магнитами. Их намагничивание происходит следующим образом. При внесении диамагнетика в магнитное поле напряженностью по закону электромагнитной индукции Фарадея поле индуцирует в электронных облаках атомов или молекул диамагнетиков круговые токи. По правилу Ленца эти токи порождают противоположно направленное магнитное поле, характеризуемое намагниченностью: (рис. 1). Поэтому, по формуле , магнитная восприимчивость диамагнетиков , магнитная проницаемость , а индукция результирующего магнитного поля меньше, чем в вакууме: . При выключении внешнего магнитного поля индуцированный магнитный дипольный момент в диамагнетике исчезает, и индукция магнитного поля обращается в ноль. Поэтому диамагнетики не могут служить постоянными магнитами.

Примеры диамагнетиков: водород, вода, благородные газы, некоторые металлы, бензол и другие органические вещества. Абсолютное значение мало: .

Парамагнетики

Парамагнетики – вещества, содержащие постоянные атомные или молекулярные магнитные диполи, которые расположены хаотически, слабо связаны между собой (рис. 2). Магнитные поля диполей взаимно компенсируются, поэтому парамагнетики не могут быть постоянными магнитами. Намагничивание парамагнетиков происходит следующим образом. При внесении парамагнетиков в магнитное поле напряженностью магнитные диполи стремятся развернуться вдоль поля (рис. 3). Такое упорядочение происходит не полностью, так как ему препятствует тепловое движение. Таким образом, намагниченность пропорциональна и сонаправлена напряженности: и сильно зависит от температуры. Поэтому, по формуле , зависящая от температуры магнитная восприимчивость (рис. 4), , а индукция результирующего магнитного поля внутри парамагнетика больше, чем в вакууме: .

В больших магнитных полях и при низких температурах все диполи упорядочиваются и наступает насыщение, то есть при дальнейшем увеличении или уменьшении и практически не растут (рис. 5). При выключении внешнего магнитного поля в результате теплового движения диполей через некоторое время происходит полное разупорядочивание, объемный дипольный момент парамагнетика исчезает, и магнитное поле обращается в ноль.

Примеры парамагнетиков: кислород; большинство металлов; вещества, у атомов которых частично заполнены внутренние электронные оболочки. Абсолютное значение мало.

Ферромагнетики

Ферромагнетики – вещества, обладающие постоянными магнитными атомными диполями, которые сильно связаны между собой. Области, в которых диполи расположены так, что их дипольные моменты сонаправлены, называются доменами (рис. 6). Домены обладают собственным магнитным дипольным моментом, то есть, намагничены, следовательно, в ферромагнетиках магнитное поле может иметься и в отсутствии внешнего магнитного поля, поэтому они служат постоянными магнитами. Домены в ненамагниченном образце расположены хаотично (рис. 6, а), в намагниченном – упорядочены (имеют преобладающую ориентацию) (рис. 6, б). Примеры ферромагнетиков: железо, кобальт, никель, различные сплавы и оксиды.

Рис. 6, а Рис. 6, б

Каждому ферромагнитному веществу отвечает характеристическая температура Кюри , величина . При ферромагнетики находятся в ферромагнитной фазе. Направления векторов намагниченности доменов различны (рис. 6). Величина и структура доменов различны и зависят от температуры и напряженности приложенного магнитного поля . При этом величина может достигать значений , . Ферромагнитная фаза характеризуется явлением гистерезиса (см. § 36).

При тепловое движение разрушает обусловленное связью параллельное расположение магнитных диполей. Поэтому магнитные свойства ферромагнетика подобны магнитным свойствам парамагнетика: ферромагнетик находится в парамагнитной фазе: ; ; .