"Физика (базовый и углублённый уровни) (в 2 частях)", Генденштейн Л.Э., Дик Ю.И.; под ред. Орлова В.А. (ч.1); Генденштейн Л.Э., Кошкина А.В., Левиев Г.И. (ч. 2)
Магнитные свойства вещества определяют, как оно изменяет внешнее магнитное поле. Они связаны с магнитными моментами электронов и особенно заметны у диа-, пара- и ферромагнетиков. Для описания используют намагниченность M, магнитную восприимчивость χ и относительную магнитную проницаемость μr. Главное различие между веществами — направление и степень упорядочения магнитных моментов, а у ферромагнетиков также наличие доменов, остаточной намагниченности и гистерезиса.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Намагниченность — векторная величина, равная магнитному моменту единицы объёма вещества; её обозначают M. Она показывает, насколько сильно внутри тела упорядочились магнитные моменты. Чем больше M, тем заметнее вклад вещества в создаваемое магнитное поле.
Магнитная восприимчивость показывает способность вещества намагничиваться во внешнем поле. В линейном случае χ = M/H, где H — напряжённость магнитного поля. По знаку χ можно понять, усиливает вещество поле или немного ослабляет его.
Магнитная проницаемость характеризует влияние вещества на магнитное поле: B = μ₀μrH. Здесь B — магнитная индукция, μ₀ — магнитная постоянная, а μr — относительная проницаемость; для линейной среды μr = 1 + χ. Поэтому μr сравнивает поле в веществе с полем в вакууме.
Магнитный домен — область ферромагнетика, внутри которой магнитные моменты атомов ориентированы согласованно. Отдельные домены могут иметь разные направления. Такое строение объясняет, почему ненамагниченный кусок ферромагнетика не всегда является сильным магнитом.
Магнитные свойства вещества связаны с магнитными моментами электронов. Орбитальное движение электрона можно уподобить малому току, а собственный магнитный момент связан с его спином. Суммарное поведение этих моментов зависит от строения атомов и взаимодействия между ними.
В диамагнетике внешнее поле изменяет движение электронов и создаёт наведённые магнитные моменты. По правилу Ленца они направлены против внешнего поля, потому что возникающее изменение стремится ему противодействовать. Поэтому χ < 0, а μr немного меньше единицы; эффект обычно слаб и почти не зависит от температуры.
В парамагнетике атомы или молекулы уже имеют постоянные магнитные моменты. Внешнее поле стремится повернуть их по своему направлению, однако тепловое движение непрерывно сбивает эту ориентацию. В результате намагниченность положительна, но невелика и уменьшается при нагревании.
В ферромагнетике обменное взаимодействие между соседними атомами энергетически выгодно при согласованной ориентации их моментов. Так возникают домены, внутри которых намагниченность велика. Внешнее поле перемещает границы доменов и поворачивает их направления, поэтому ферромагнетик намагничивается сильно и нелинейно.
После снятия поля часть доменов сохраняет новое расположение, поэтому возникает остаточная намагниченность. Чтобы размагнитить образец, требуется поле противоположного направления; это проявляется в магнитном гистерезисе, то есть зависимости состояния вещества не только от текущего поля, но и от его предыстории. Нагревание ослабляет упорядочение, а выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком.
| Свойство | Диамагнетики | Парамагнетики | Ферромагнетики |
|---|---|---|---|
| Ориентация магнитных моментов во внешнем поле | Направлены преимущественно против поля | Частично направлены по полю | Согласованы внутри доменов |
| Знак магнитной восприимчивости χ | Отрицательная, малая по модулю | Положительная, малая | Положительная, большая и зависящая от поля |
| Относительная магнитная проницаемость μr | Немного меньше единицы | Немного больше единицы | Значительно больше единицы, нелинейна |
| Зависимость от температуры | Слабо зависит от температуры | Намагниченность уменьшается при нагревании | Выше точки Кюри ферромагнетик становится парамагнетиком |
| Примеры | Медь, серебро, вода | Алюминий, кислород, платина | Железо, кобальт, никель |
Сначала определите знак и примерный размер χ, затем сравните относительную проницаемость и температурное поведение. Для ферромагнетиков учитывайте, что свойства зависят от напряжённости поля и предыстории намагничивания. Таблица помогает быстро отличить слабые эффекты диа- и парамагнетизма от доменного упорядочения.
Задача 1. Для вещества магнитная восприимчивость χ = −2·10−5. Нужно определить тип вещества и его относительную магнитную проницаемость. Отрицательный знак сразу указывает на диамагнитное поведение.
Ответ: вещество — диамагнетик, μr = 0,99998, то есть проницаемость немного меньше единицы.
Задача 2. В сердечнике электромагнита H = 2,0·103 А/м, μr = 500. Найдём магнитную индукцию в сердечнике. Здесь нужно учитывать не только внешнее поле, но и усиление, создаваемое материалом.
Ответ: магнитная индукция в сердечнике примерно равна 1,26 Тл. Единицы СИ здесь согласованы: H задана в А/м.
Задача 3. После намагничивания ферромагнитного кольца при H = 0 индукция равна 0,8 Тл, а для B = 0 потребовалось поле H = −2,0·104 А/м. Эти точки описывают петлю гистерезиса.
Ответ: материал имеет остаточную индукцию 0,8 Тл и коэрцитивную силу 2,0·104 А/м; отрицательное направление поля показывает размагничивание.
Считать, что любой материал усиливает поле. Так ошибаются, потому что в задачах часто рассматривают сердечники электромагнитов. Проверьте знак χ: у диамагнетика он отрицателен, а μr немного меньше единицы.
Путать B и H. Обе величины описывают магнитное поле, но H связана с источниками поля, а B учитывает свойства среды. Проверяйте единицы: H измеряется в А/м, B — в теслах.
Безоговорочно применять μr = 1 + χ к ферромагнетику. Эта формула относится к линейной среде, тогда как у ферромагнетика χ зависит от поля и предыстории. Если есть насыщение или гистерезис, сначала выясните режим намагничивания.
Считать, что все домены всегда направлены одинаково. В ненамагниченном образце домены обычно ориентированы по-разному, и их эффекты частично компенсируются. Проверка проста: различие направлений доменов объясняет слабый общий момент до воздействия поля.
Перед изучением темы нужны знания о магнитном поле, индукции, действии электрического тока и правиле определения направления поля. Эти понятия применяются при изучении электромагнитов, трансформаторов, постоянных магнитов, сердечников и магнитной записи информации. Остаточная намагниченность и гистерезис помогают объяснить потери энергии и работу магнитных устройств.
Почему диамагнетики ослабляют внешнее магнитное поле?
Внешнее поле вызывает в атомах диамагнетика наведённые магнитные моменты. По правилу Ленца они направлены против изменения, создавшего их, поэтому результирующее поле внутри вещества немного уменьшается.
Чем магнитная индукция отличается от напряжённости магнитного поля?
Напряжённость H характеризует создаваемое токами магнитное поле и измеряется в А/м. Индукция B показывает действие поля с учётом среды и измеряется в теслах; в линейной среде B = μ₀μrH.
Почему парамагнетик не намагничивается полностью?
Его постоянные магнитные моменты стремятся повернуться по внешнему полю, но тепловое движение постоянно нарушает их ориентацию. Поэтому упорядочение остаётся частичным и уменьшается при нагревании.
Что такое магнитные домены?
Магнитные домены — области ферромагнетика, внутри которых магнитные моменты атомов ориентированы согласованно. В ненамагниченном образце направления разных доменов обычно различаются, поэтому общий магнитный момент может быть мал.
Почему ферромагнетик сохраняет намагниченность после выключения поля?
Обменное взаимодействие удерживает согласованную ориентацию магнитных моментов, а границы доменов после снятия поля не полностью возвращаются в исходное положение. Поэтому сохраняется остаточная намагниченность.
3. Магнитные свойства вещества
