14. Магнитные свойства веществ
Магнитное поле кругового тока. Установленный Ж. Био и Ф. Саваром закон Био-Савара определяет величину и направление вектора магнитной индукции, создаваемой заданным током:
(14.1).
Постоянная m 0 определяется выбором единиц измерения электрических и магнитных величин и называется магнитной постоянной. Так же, как и в случае электрической постоянной e 0 , магнитная постоянная не имеет физического смысла. В СИ численно
(строгое равенство).
При вычислении магнитного поля на оси кругового тока следует учесть, что в силу симметрии все компоненты вектора dB , перпендикулярные оси x , взаимно компенсируются, так что отлична от нуля только компонента B x поля вдоль оси кругового тока.
Магнитным дипольным моментом (или просто магнитным моментом) кругового тока называется вектор
(14.2)
Направление этого вектора совпадает с направлением нормали к плоскости кругового тока, поэтому магнитная индукция кругового тока
(14.3)
Магнитные свойства вещества. В однородной среде магнитная индукция
где m - относительная магнитная проницаемость данной среды, а В 0 - магнитная индукция в вакууме. По определению для пустого пространства m=1
.Все вещества в природе делятся на группы по значению m , что существенно влияет на их свойства.
а) Диамагнитные материалы (например, стекло, сера, висмут)
У этих веществ m<1 , хотя отличие от единицы очень незначительно. Необычным свойством диамагнетиков является то, что они выталкиваются из области более сильного магнитного поля в область более слабого поля так, чтобы минимизировать поток магнитного поля через поверхность диамагнетика. Если сделать иглообразный образец из диамагнетика, то он стремится расположиться перпендикулярно силовым линиям магнитного поля.
б) Парамагнитные материалы (большинство обычных веществ, например алюминий)
У парамагнетиков m>1 , хотя отличие от единицы также незначительно. Парамагнетики втягиваются в область более сильного поля. Тонкий образец парамагнетика стремится расположиться вдоль силовых линий внешнего магнитного поля.
в) Ферромагнитные материалы (железо, кобальт, никель и их сплавы)
обладают очень большими значениями магнитной проницаемости m>>1 , достигающими 10 5 . Необычным свойством ферромагнетиков является то, что их магнитная проницаемость зависит от внешнего магнитного поля. Кроме того, ферромагнитные свойства исчезают при нагревании ферромагнетика выше некоторой температуры, характерной для данного вещества и называемой температурой Кюри Т С .
Гипотеза молекулярных токов Ампера. Ампер высказал гипотезу о том, что магнитные свойства веществ обусловлены существованием микроскопических замкнутых токов, порождаемых движением заряженных частиц, входящих в состав вещества. Для своего времени гипотеза Ампера была революционной, так как до окончательного выяснения структуры атомов оставалось почти сто лет.
Согласно гипотезе Ампера, в веществе существует большое количество замкнутых токов, каждый из которых обладает определенным значением магнитного момента. Очевидно, что при отсутствии внешних воздействий все эти моменты направлены хаотично, так что средний магнитный момент единицы объема вещества равен нулю. Если поместить вещество во внешнее магнитное поле, то магнитные моменты ориентируются по полю, создавая в веществе отличную от нуля намагниченность единицы объема. В результате магнитное поле в веществе несколько увеличивается, так как к внешнему полю добавляется внутреннее поле. Эта картина объясняет на качественном уровне поведение парамагнетиков , у которых m>1 .
Диамагнетики
устроены несколько иначе. У этих веществ по ряду причин отсутствует собственный магнитный момент атомов или молекул. Однако при помещении во внешнее магнитное поле у таких атомов индуцируется магнитный момент, пропорциональный среднему квадрату величины смещения электронов в атоме относительно их положений равновесия. Примечательно, что возникающий магнитный момент направлен против внешнего поля. В результате поле внутри диамагнетика ослабляется, т.е. m<1 .Ферромагнетизм. Гипотеза Ампера бессильна объяснить поведение ферромагнетиков, в которых происходит усиление магнитного поля в тысячи и десятки тысяч раз. Понимание природы ферромагнетизма пришло только после создания квантовой механики. Выяснилось, что ферромагнетизм обусловлен не магнитными моментами атомов и молекул, которые порождаются движением электронов по орбитам вокруг ядер, а собственными магнитными моментами электронов (так называемыми спиновыми магнитными моментами). Взаимодействие электронов в ферромагнетиках приводит к образованию в этих веществах областей ( доменов ), в которых магнитные моменты всех электронов направлены в одну сторону, и поэтому полный магнитный момент домена очень велик. У природных магнитов, несмотря на тепловое движение, существует достаточно большой собственный магнитный момент единицы объема, обусловленный выстроенностью доменов . У ферромагнитных материалов и сплавов, не являющихся естественными магнитами, домены расположены так, что в среднем создаваемое ими магнитное поле равно нулю. При наложении внешнего магнитного поля домены ферромагнетика либо растут преимущественно в направлении приложенного поля, либо ориентируются в этом направлении. И тот и другой эффект приводят к появлению очень сильного внутреннего поля.
При нагревании ферромагнетика хаотическое тепловое движение стремится разрушить доменную структуру. При определенной температуре Т С (точка Кюри) происходит спонтанный (внезапный) переход от ферромагнитного состояния вещества к парамагнитному (фазовый переход второго рода).