"Физика (базовый уровень)", Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. / Под ред. Парфентьевой Н.А.
Вещество в магнитном поле может ослаблять его, немного усиливать или усиливать очень сильно. Это зависит от магнитных моментов электронов и атомов и от того, как они ориентируются. Диамагнетики создают поле против внешнего, парамагнетики — по направлению внешнего, а ферромагнетики способны сохранять намагниченность. Сравнение этих свойств помогает понять работу электромагнитов и трансформаторов, а относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз индукция в веществе отличается от индукции в вакууме.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Диамагнетик — вещество, в котором под действием внешнего магнитного поля возникает намагниченность, создающая поле против внешнего. Поэтому результирующее поле внутри такого вещества становится немного слабее. Это понятие помогает определить, как вещество изменит поле, например, внутри катушки.
Парамагнетик — вещество, магнитные моменты атомов которого во внешнем поле ориентируются преимущественно по его направлению. Их вклад усиливает внешнее поле, но обычно слабо. Понятие нужно, чтобы отличать такое усиление от поведения веществ, которые сильно намагничиваются.
Ферромагнетик — вещество, способное сильно намагничиваться и сохранять часть намагниченности после снятия внешнего поля. Такое поведение связано с согласованной ориентацией магнитных моментов в областях вещества. Ферромагнетики используют там, где нужно получить сильное поле или сохранить его без постоянного тока.
Относительная магнитная проницаемость — величина, показывающая, во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от индукции в вакууме при тех же условиях. Её обозначают греческой буквой μ и используют в соотношении B = μB₀. По значению μ можно судить, ослабляет вещество поле или усиливает его.
Магнитное действие вещества связано с магнитными моментами электронов и атомов. Магнитный момент можно представить как характеристику маленького источника магнитного поля: у него есть величина и направление. В разных веществах моменты либо взаимно компенсируются, либо могут ориентироваться согласованно. Поэтому ответ вещества на внешнее поле зависит не только от наличия этих моментов, но и от их расположения и поведения.
Когда диамагнетик попадает во внешнее поле, оно изменяет движение электронов в атомах. Возникающее вследствие этого магнитное действие направлено так, чтобы противодействовать изменению, вызванному внешним полем. Поэтому собственное поле диамагнетика направлено против внешнего и немного уменьшает результирующую магнитную индукцию. Эффект слабый: он не означает, что внешнее поле исчезает, а лишь немного меняет его внутри вещества.
В парамагнетике у атомов есть магнитные моменты, которые без поля ориентированы беспорядочно из-за теплового движения. Внешнее поле немного чаще поворачивает их по своему направлению, чем против него. Суммарный вклад моментов оказывается направленным вдоль поля и добавляется к нему. Поскольку тепловое движение мешает полной ориентации, усиление обычно небольшое, а после снятия поля порядок быстро исчезает.
В ферромагнетиках соседние магнитные моменты взаимодействуют так, что в небольших областях вещества оказываются согласованно направленными. Эти области называют доменами. В ненамагниченном образце их направления могут быть разными, и общий эффект почти компенсируется. Внешнее поле увеличивает долю доменов, направленных благоприятно, и поворачивает их, поэтому намагниченность может стать очень большой.
После снятия поля часть доменов остаётся ориентированной, поэтому ферромагнетик сохраняет остаточную намагниченность. Насколько она велика, зависит от вещества и предшествующего воздействия поля. При нагревании тепловое движение усиливается и всё сильнее нарушает согласованную ориентацию моментов. Выше определённой температуры — температуры Кюри — ферромагнетик теряет ферромагнитные свойства.
| Характеристика | Диамагнетик | Парамагнетик | Ферромагнетик |
|---|---|---|---|
| Направление возникающего магнитного поля относительно внешнего | Против внешнего | По внешнему | Преимущественно по внешнему |
| Изменение результирующего магнитного поля | Слабо ослабляет | Слабо усиливает | Сильно усиливает |
| Относительная магнитная проницаемость | Немного меньше 1 | Немного больше 1 | Значительно больше 1 |
| Поведение после снятия внешнего поля | Намагниченность исчезает | Обычно не сохраняет намагниченность | Может сохранять остаточную намагниченность |
| Примеры веществ | Медь, висмут | Алюминий, платина | Железо, никель, кобальт |
Сначала сравните направление собственного поля вещества с внешним: это показывает, ослабится или усилится результирующее поле. Затем посмотрите на относительную проницаемость и поведение после снятия поля. Именно способность сохранять намагниченность отличает ферромагнетик от парамагнетика особенно наглядно.
Задача 1. Магнитная индукция в вакууме равна 0,20 Тл, а относительная магнитная проницаемость вещества — 1,5. Найдите индукцию в веществе. Чтобы найти неизвестную индукцию, используем связь B = μB₀. Здесь B₀ = 0,20 Тл, а μ = 1,5.
Задача 2. Вещество с относительной магнитной проницаемостью, немного меньшей единицы, поместили во внешнее магнитное поле. Определите тип вещества и направление его намагниченности. Здесь численное значение не требуется: нужно сопоставить μ с характерными свойствами веществ. Значение чуть меньше единицы соответствует диамагнетику.
Задача 3. Железный стержень намагнитили катушкой, затем отключили ток, но стержень сохранил часть магнитных свойств. Объясните наблюдение и предскажите, что произойдёт при сильном нагревании. Железо относится к ферромагнетикам, в которых магнитные моменты образуют согласованно направленные области. Поэтому действие тока может изменить состояние этих областей.
Считать, что все вещества усиливают внешнее поле, — значит забыть о диамагнетиках. Ошибку провоцирует общее представление, будто намагничивание всегда добавляет поле в том же направлении. Проверьте себя: у диамагнетика собственное поле направлено против внешнего, значит, результирующее поле немного ослабляется.
Путать парамагнетизм и ферромагнетизм легко, потому что оба типа веществ усиливают поле. Однако парамагнетик делает это слабо и обычно не сохраняет намагниченность после снятия поля, а ферромагнетик может усилить поле очень сильно. Для проверки спросите себя, остаётся ли у вещества остаточная намагниченность и насколько велико усиление.
Предполагать, что μ всегда больше единицы, — неверно: у диамагнетиков относительная магнитная проницаемость немного меньше единицы. Такое заблуждение возникает, если помнить только вещества, усиливающие поле. Перед выводом о типе вещества сравните μ с единицей: меньше — диамагнетизм, немного больше — парамагнетизм.
Считать, что ферромагнитные свойства сохраняются при любой температуре, тоже ошибочно. Нагревание усиливает тепловое движение и мешает согласованной ориентации магнитных моментов. Проверьте ответ по температуре Кюри: выше неё вещество теряет ферромагнитные свойства.
Для понимания темы нужно знать, что движущиеся электрические заряды создают магнитное поле, а его характеризует магнитная индукция. Также пригодятся представления о магнитном действии электрического тока и взаимодействии магнитных полей: именно с ними связано действие катушки на вещество. Магнитные свойства материалов важны при изучении электромагнитов и трансформаторов, где сердечник из ферромагнетика помогает получить сильное поле. Поэтому свойства вещества помогают объяснить, как устроены многие электротехнические устройства.
Почему одни вещества усиливают магнитное поле, а другие ослабляют?
Внешнее поле по-разному воздействует на магнитные моменты частиц вещества. У диамагнетиков возникает намагниченность против внешнего поля, поэтому результирующее поле немного ослабевает. У парамагнетиков и ферромагнетиков моменты ориентируются преимущественно по полю, и оно усиливается.
Чем парамагнетик отличается от ферромагнетика?
Парамагнетик слабо усиливает внешнее поле, а после его снятия обычно теряет намагниченность. В ферромагнетике есть области с согласованными магнитными моментами, поэтому он может намагничиваться намного сильнее и сохранять остаточную намагниченность.
Почему железо может оставаться намагниченным после выключения тока?
В железе внешнее поле перестраивает области, в которых магнитные моменты направлены согласованно. После выключения тока часть этой перестройки сохраняется, поэтому остаётся остаточная намагниченность.
Что показывает относительная магнитная проницаемость?
Она показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от индукции в вакууме при тех же условиях. Связь записывают как B = μB₀, где B — индукция в веществе, B₀ — в вакууме, μ — относительная магнитная проницаемость.
Что происходит с ферромагнетиком при нагревании выше температуры Кюри?
Тепловое движение частиц нарушает согласованное расположение магнитных моментов. Выше температуры Кюри вещество теряет ферромагнитные свойства и больше не намагничивается так сильно, как ферромагнетик.
§ 7. Магнитные свойства вещества
