Намагниченность вещества

Отдельные магнитные моменты атомов и молекул в той или иной мере связаны с круговыми элементарными токами. Магнитное действие замкнутых токов определяется их магнитным моментом:

, (8.1)

где - вектор нормали к плоскости S.

Магнетик в целом при намагничивании приобретает магнитный момент, равный векторной сумме моментов всех молекулярных токов. По аналогии с электрическим полем магнитные свойства материала можно охарактеризовать путем введения магнитного момента на единицу объема следующим образом:

. (8.2)

В случае неоднородной намагниченности выражение (8.2) приобретает вид . (8.3)

Эта величина называется намагниченностью материала. В электрическом поле аналогичное выражение определялось вектором электрической поляризации.

Направление вектора намагниченности совпадает с направлением магнитной индукции в случае парамагнитных веществ и противоположно в случае диамагнитных веществ. В парамагнетиках магнитное поле несколько усиливается, а в диамагнетиках наоборот – ослабляется. Классическая теория диа- и парамагнетизма была разработана Полем Ланжевеном в 1908 г. Некоторые магнетики ведут себя в магнитном поле аналогично как сегнето- и пьезоэлектрики в электрическом поле. Это большой класс ферромагнетиков и антиферромагнетиков.

8.2. Связь между магнитной проницаемостью
и магнитной восприимчивостью

Пусть имеется намагниченный цилиндр. Внутри цилиндра круговые элементарные токи компенсируют друг друга, а вне - создают участки тока одинакового направления (рис. 78). Поверхностные токи создают дополнительное магнитное поле индукцией . Обозначим через сумму поверхностных токов, приходящихся на единицу длины. Общий магнитный момент поверхностных токов цилиндра длиной l равен

,

а намагниченность -

. (8.4)

Магнитную индукцию такого соленоида определим по формуле

. (8.5)

Все это справедливо для однородного намагничивания.

Вырежем в намагниченном цилиндре узкую щель (канал) (рис. 79), ось которой параллельна индукции поля. Из рисунка видно, что на внешней поверхности обтекающий ток внутреннего цилиндра будет направлен в сторону, противоположную обтекающему току. Поэтому внутри вырезанного цилиндра магнитная индукция определится так: . Если это выражение поделим на магнитную проницаемость вакуума μ₀, то получим значение магнитной индукции, которая не зависит от свойств вещества, так как эти свойства учтены в величине намагниченности вещества. В электрическом поле аналогичной характеристикой является электрическое смещение. В соответствии с этой аналогией для магнитного поля внутри полого пустотелого цилиндра получаем:

или , (8.6)

а в более общем виде

где μ_r – относительная магнитная проницаемость среды, а Н – напряженность магнитного поля.

Таким образом, роль вектора электрического смещения в магнитном поле выполняет напряженность магнитного поля (), а вектору напряженности электрического поля в магнитном поле соответствует магнитная индукция ().

В изотропных магнетиках намагниченность пропорциональна напряженности внешнего магнитного поля. Тогда намагниченность, определяемую выражением (8.4), представляется равенством

,

где - скалярная величина, зависящая от рода магнетика и его состояния, и называется магнитной восприимчивостью. В электрическом поле выражение такого же вида определяется как вектор электрической поляризации, а коэффициент пропорциональности между вектором электрической поляризации и напряженностью электрического поля назван диэлектрической восприимчивостью. Получается полная аналогия в описании поведения различных веществ, как в электрических, так и в магнитном полях. Поэтому нет необходимости воспроизводить все выкладки, рассмотренные в 3.3 и 3.4 применительно к электрическому полю. Применительно к магнитному полю можно воспользоваться аналогией и окончательно записать

(8.7)

или . (8.8)

Отсюда . (8.9)

Таким образом, связь между магнитной проницаемостью и магнитной восприимчивостью осуществляется такая же, как в веществах, помещенных в электрическое поле, где .

По восприятию воздействия магнитного поля все вещества разделяются на два класса: слабомагнитные и сильномагнитные.

К слабомагнитным относятся вещества, у которых модуль магнитной восприимчивости и не зависит от напряженности магнитного поля в широком интервале значений. Вещества, у которых называют диамагнетиками, а вещества, у которых , - парамагнетиками.

Сильномагнитными называются вещества, у которых при обычных температурах зависит от и значительно больше единицы. К таким веществам относятся: ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты.

Намагниченность вещества определяется наличием элементарных круговых токов внутри вещества, которые с точки зрения классической физики нельзя последовательно описать. Магнитные эффекты являются чисто квантово-механическими явлениями. Квантово-механическое описание поведения веществ при наложении на них магнитных полей в настоящее время принято рассматривать на атомно-молекулярном уровне с переходом на макроуровень. Такой подход дает в основном качественное описание различных явлений, наблюдаемых в магнетиках. При рассмотрении механических свойств материалов от такой последовательности давно отказались и стали рассматривать цепочку в следующей последовательности микро-мезо-макро уровни. Мезоуровень – это кластерный подход, который автором1) подробно рассмотрен применительно к механическим, тепловым, эмиссионным, электрическим и магнитным свойствам различных материалов. На микроуровне рассматриваются магнитные свойства отдельных атомов и молекул; на мезоуровне – магнитные свойства нанокластерных частиц, а на макроуровне – магнитные свойства нанокластерных систем.

Поиск по сайту: