§ 24. Магнитные свойства вещества

Определения и обозначения

Намагниченность — векторная величина, характеризующая магнитное состояние вещества. Она равна магнитному моменту единицы объёма: M = Δp/ΔV. Намагниченность показывает, насколько согласованно ориентированы магнитные моменты частиц и в каком направлении действует их суммарный эффект.

Магнитная восприимчивость χ — безразмерная величина, показывающая, насколько вещество намагничивается во внешнем поле. В простом линейном случае M = χH, где H — напряжённость поля. Знак χ определяет направление намагниченности: отрицательный знак означает противоположное, положительный — совпадающее с полем.

Магнитная проницаемость μ характеризует влияние вещества на магнитное поле внутри него. Относительная проницаемость μᵣ = μ/μ₀ сравнивает проницаемость вещества с магнитной постоянной μ₀. Для линейного вещества выполняется связь μᵣ = 1 + χ, поэтому по μᵣ можно определить магнитный тип вещества.

Диамагнетик, парамагнетик и ферромагнетик — три типа веществ по их реакции на внешнее магнитное поле. Диамагнетики намагничиваются против поля, парамагнетики и ферромагнетики — по полю. Ферромагнетики отличаются сильным взаимодействием моментов и способностью сохранять намагниченность.

Как это устроено

Магнитные свойства вещества связаны с магнитными моментами электронов и атомов. Движение электрона по орбите можно уподобить малому току, а ток создаёт магнитное поле и магнитный момент. Дополнительный вклад даёт спин электрона — его собственный квантовый момент, не сводимый к обычному вращению шарика. Суммарный момент атома определяется всеми этими вкладами.

Внешнее магнитное поле действует на магнитные моменты и стремится повернуть их в выгодное энергетическое положение. Иногда поле немного изменяет движение электронов, а иногда упорядочивает уже существующие моменты. Поэтому внутри вещества появляется суммарный магнитный момент на единицу объёма — намагниченность. Её направление и величина зависят от строения вещества и температуры.

В диамагнетике внешнее поле изменяет движение электронов так, что возникает индуцированный магнитный момент, направленный против поля. Такое изменение появляется потому, что электронные токи противодействуют причине, которая их вызвала. Эффект слабый, но диамагнитный вклад существует у всех веществ. Если другие магнитные эффекты не сильнее, вещество относят к диамагнетикам.

В парамагнетике атомы или частицы имеют собственные магнитные моменты, которые поле стремится повернуть вдоль себя. Однако тепловое движение постоянно нарушает этот порядок, поэтому полной ориентации не возникает. При усилении поля намагниченность растёт, а при нагревании обычно уменьшается. В отсутствие поля направленности моментов в среднем не остаётся.

В ферромагнетике соседние магнитные моменты сильно взаимодействуют и самопроизвольно выстраиваются согласованно в отдельных областях — доменах. В ненамагниченном образце домены ориентированы по-разному, поэтому общий момент мал. Поле увеличивает области, направленные выгодным образом, и переориентирует домены. После снятия поля часть такой структуры может сохраниться, создавая остаточную намагниченность.

Сравнение магнитных свойств веществ

Сначала по знаку χ определяют направление намагниченности, затем по величине χ или μᵣ оценивают силу магнитного отклика. Последняя строка помогает учесть влияние нагревания, особенно для парамагнетиков и ферромагнетиков.

Разбор задач

Задача 1

Условие: магнитная восприимчивость вещества отрицательна и мала по модулю. Определить тип вещества и направление его намагниченности.

1. Сопоставим знак восприимчивости с формулой M = χH.
2. При χ < 0 вектор M направлен противоположно вектору H.
3. Малая величина |χ| означает слабую реакцию вещества на поле, характерную для диамагнетика.

Ответ: вещество является диамагнетиком, а его намагниченность направлена против внешнего поля.

Задача 2

Условие: относительная магнитная проницаемость вещества μᵣ = 1,004. Найти χ и определить тип вещества.

1. Используем связь μᵣ = 1 + χ.
2. Выразим восприимчивость: χ = μᵣ − 1 = 1,004 − 1 = 0,004.
3. Полученное значение положительно и мало, значит намагниченность направлена по полю, а отклик слабый.

Ответ: χ = 0,004; вещество является парамагнетиком.

Задача 3

Условие: ферромагнитный образец намагнитили, а затем внешнее поле сняли. Объяснить сохранение магнитного состояния и влияние нагревания.

1. До намагничивания домены ориентированы по-разному, поэтому их моменты почти компенсируются.
2. Внешнее поле переориентирует часть доменов и увеличивает долю областей с одинаковым направлением.
3. После снятия поля взаимодействие между моментами удерживает часть доменов в новом положении, создавая остаточную намагниченность.
4. При нагревании тепловое движение усиливается и нарушает упорядочение; выше температуры Кюри ферромагнитные свойства исчезают.

Ответ: образец может остаться магнитом из-за устойчивой доменной структуры, а нагревание ослабляет остаточную намагниченность и при превышении температуры Кюри уничтожает ферромагнетизм.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что диамагнетик совсем не взаимодействует с полем. Так думают из-за малой величины эффекта, но слабое взаимодействие всё же есть и направлено против поля. Проверка: при χ < 0 намагниченность должна быть противоположной H.

Ошибка 2. Путать направления поля и намагниченности. У диамагнетика они противоположны, а у парамагнетика и ферромагнетика совпадают. Проверяйте направление по знаку χ в формуле M = χH.

Ошибка 3. Считать, что моменты парамагнетика полностью выстраиваются вдоль поля. Тепловое движение постоянно сбивает их ориентацию, поэтому упорядочение лишь частичное. При нагревании намагниченность должна уменьшаться.

Ошибка 4. Приписывать остаточную намагниченность любому материалу. Заметное сохранение магнитного состояния характерно прежде всего для ферромагнетиков, где моменты связаны доменными взаимодействиями. Если поле сняли, у обычного диа- или парамагнетика эффект обычно исчезает.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о магнитном поле, магнитной индукции и напряжённости поля. Объяснение магнитных свойств опирается на строение атома, движение электронов и их спин. Эти знания используются при изучении электромагнитов, постоянных магнитов, магнитных цепей и ферромагнитных материалов.

Что запомнить

• Магнитные свойства вещества обусловлены магнитными моментами частиц.
• Намагниченность характеризует магнитное состояние вещества.
• Диамагнетик намагничивается против внешнего поля.
• Парамагнетик намагничивается по внешнему полю, но эффект ослабляется тепловым движением.
• Ферромагнетик имеет доменную структуру и может сохранять остаточную намагниченность.
• При нагревании ферромагнетика выше температуры Кюри ферромагнитные свойства исчезают.