3. Магнитные свойства вещества

Определения и обозначения

Магнитная проницаемость μ показывает, как вещество изменяет магнитную индукцию по сравнению с вакуумом. Для вещества μ = μ₀μᵣ, где μ₀ — магнитная постоянная, а μᵣ — относительная магнитная проницаемость; связь поля записывают как B = μ₀μᵣH. По μᵣ можно судить, насколько заметно материал влияет на поле.

Магнитная восприимчивость χ характеризует способность вещества намагничиваться во внешнем поле. Для линейных и изотропных материалов μᵣ = 1 + χ. Знак χ помогает определить направление намагничивания, а величина — насколько выражен отклик вещества.

Намагниченность M — магнитный момент единицы объёма вещества. Её направление задаётся суммарной ориентацией магнитных моментов частиц, а величина зависит от того, сколько этих моментов и насколько согласованно они ориентированы. Поэтому M описывает собственный магнитный вклад материала.

Магнитный домен — область ферромагнетика, в которой магнитные моменты многих частиц ориентированы согласованно. В ненамагниченном образце направления разных доменов могут компенсироваться. При намагничивании домены переориентируются или растут, создавая сильный общий магнитный эффект.

Как это устроено

Электроны обладают магнитными моментами, связанными с их движением и собственным квантовым свойством — спином. В атоме и веществе эти моменты могут складываться или частично компенсироваться. Когда во внешнем поле их ориентация меняется, к полю источника добавляется магнитное поле самого вещества. Поэтому магнитная индукция внутри материала отличается от индукции в вакууме.

В диамагнетике внешнее поле немного меняет движение электронов так, что возникающий дополнительный магнитный момент направлен против приложенного поля. Это соответствует отрицательной восприимчивости и слабому уменьшению поля внутри вещества. Эффект возникает в разных веществах, но обычно мал, поскольку наведённый момент невелик. Поэтому диамагнетики слабо выталкиваются из области более сильного магнитного поля.

У парамагнетиков атомы или ионы имеют собственные магнитные моменты, которые без поля ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Внешнее поле стремится развернуть их вдоль себя, поэтому появляется небольшая намагниченность по направлению поля. Тепловое движение мешает полной ориентации, и эффект остаётся слабым. Когда поле выключают, беспорядочная тепловая ориентация восстанавливается, а намагниченность почти исчезает.

В ферромагнетиках взаимодействие между магнитными моментами соседних частиц делает энергетически выгодной их согласованную ориентацию. Так возникают домены — области с сильной внутренней намагниченностью. В ненамагниченном образце домены направлены по-разному и в целом могут компенсировать друг друга. Внешнее поле смещает границы доменов и поворачивает их намагниченность, поэтому суммарная намагниченность может стать большой.

После снятия поля часть доменов ферромагнетика остаётся ориентированной, и возникает остаточная намагниченность. Зависимость намагниченности от поля при его усилении и последующем ослаблении не совпадает: это магнитный гистерезис, связанный с перестройкой доменов и препятствиями этой перестройке. Нагрев усиливает тепловое разрушение порядка. Выше температуры Кюри согласованная ориентация исчезает, поэтому ферромагнетик становится парамагнетиком.

Сравнение магнитных свойств веществ

Сначала сравни знак восприимчивости и направление намагничивания: это позволяет различить диа- и парамагнетики. Затем оцени относительную проницаемость: у этих двух типов она близка к единице, тогда как у ферромагнетиков может быть намного больше. Остаточная намагниченность и домены — характерные признаки ферромагнетиков.

Разбор задач

Задача 1. Для трёх веществ относительные магнитные проницаемости равны 0,9998; 1,0003; 500. Определим тип каждого материала по тому, как его значение соотносится с единицей. Для обычных диа- и парамагнетиков отличие от единицы мало, а у ферромагнетиков проницаемость может быть очень большой.

1. Значение 0,9998 немного меньше единицы, следовательно, вещество — диамагнетик.
2. Значение 1,0003 немного больше единицы, значит, это парамагнетик.
3. Значение 500 намного больше единицы, поэтому вещество относится к ферромагнетикам.

Ответ: 0,9998 — диамагнетик; 1,0003 — парамагнетик; 500 — ферромагнетик. Не следует считать, что диа- и парамагнетики совсем не влияют на поле: их проницаемость лишь близка к единице.

Задача 2. В веществе μᵣ = 4, напряжённость поля H = 2,0·10³ А/м. Найдём магнитную индукцию. Используем формулу B = μ₀μᵣH, где μ₀ = 4π·10⁻⁷ Тл·м/А, а H задана в амперах на метр.

1. Запишем подстановку: B = 4π·10⁻⁷ · 4 · 2,0·10³ Тл.
2. Перемножим числа: B = 32π·10⁻⁴ Тл ≈ 1,0·10⁻² Тл.
3. Проверим единицы: (Тл·м/А)·(А/м) даёт теслы, как и должно быть для индукции.

Ответ: B ≈ 0,010 Тл. Здесь использована относительная проницаемость вещества, а не магнитная восприимчивость: эти величины связаны, но не одинаковы.

Задача 3. Ферромагнитный сердечник намагнитили, а затем внешнее поле уменьшили до нуля. Сердечник сохранил намагниченность, и нужно объяснить причину и предложить способ размагничивания. Для ответа проследим, что происходит с доменами при снятии поля.

1. Во внешнем поле домены перестраиваются: часть границ смещается, а их магнитные моменты ориентируются согласованнее.
2. После уменьшения поля до нуля теплового движения недостаточно, чтобы полностью вернуть домены к исходному распределению. Поэтому остаётся остаточная намагниченность — участок петли гистерезиса.
3. Чтобы размагнитить сердечник, можно воздействовать переменным магнитным полем и постепенно уменьшать его амплитуду. Также ферромагнитные свойства исчезают при нагревании выше температуры Кюри.

Ответ: остаточная намагниченность сохраняется из-за неполного обратного перемещения и поворота доменов. Размагнитить сердечник можно переменным полем с постепенно уменьшающейся амплитудой либо нагреванием выше температуры Кюри.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что относительная магнитная проницаемость любого вещества намного больше единицы. Так могут рассуждать, путая заметный эффект ферромагнетиков со свойствами всех материалов. У диа- и парамагнетиков μᵣ лишь немного отличается от 1; проверяй порядок величины и знак отклонения.

Не смешивай магнитную индукцию B, напряжённость H и намагниченность M: это разные характеристики, и формулы для них не взаимозаменяемы. Путаница возникает потому, что все три величины описывают магнитные явления. Перед расчётом уточни, что дано и что требуется найти, а затем выбери соответствующую связь, например B = μ₀μᵣH.

Неверно утверждать, что любой материал сохраняет намагниченность после выключения поля. Обычно это приписывают веществу лишь потому, что его однажды намагнитили, но диа- и парамагнетики почти сразу теряют наведённую намагниченность. Проверь тип материала: заметная остаточная намагниченность прежде всего характерна для ферромагнетиков.

Ферромагнетик не сохраняет свои особые свойства при любой температуре: выше температуры Кюри он становится парамагнетиком. Ошибку допускают, перенося свойства материала при обычной температуре на любое состояние. Проверяй, не превышена ли температура Кюри: после её превышения доменный порядок разрушается.

Связь с другими темами

До этой темы нужно знать магнитное поле тока, магнитную индукцию B, напряжённость H и магнитный момент, а также соотношение B = μ₀H в вакууме. Различие между вакуумом и веществом позволяет понять смысл относительной проницаемости. Дальше эти сведения пригодятся при изучении электромагнитов, трансформаторов, электрических машин и постоянных магнитов. Свойства материалов объясняют работу сердечников и потери энергии в магнитопроводах при переменном поле.

Что запомнить

• Вещество изменяет магнитное поле из-за магнитных моментов электронов и атомов.
• Диамагнетики намагничиваются против внешнего поля и слабо выталкиваются из области сильного поля.
• Парамагнетики намагничиваются по внешнему полю, но почти не сохраняют намагниченность после его выключения.
• Ферромагнетики имеют доменную структуру и способны сильно намагничиваться.
• Ферромагнетики могут сохранять остаточную намагниченность.
• Выше температуры Кюри ферромагнитные свойства исчезают.
• Магнитная проницаемость связывает магнитную индукцию с напряжённостью поля в веществе.