§ 20. Магнитные свойства вещества

Определения и обозначения

Магнитный момент — характеристика замкнутого микроскопического тока, определяющая его способность взаимодействовать с магнитным полем. Проще говоря, он показывает, насколько сильно и в каком направлении такой ток ведёт себя как маленький магнит. Это понятие помогает описывать магнитные свойства атомов и электронов.

Намагничивание — приобретение веществом суммарного магнитного момента под действием внешнего магнитного поля. Отдельные микроскопические моменты могут существовать и без поля, но быть направлены беспорядочно. Намагничивание показывает, насколько согласованно они ориентировались и как вещество в результате взаимодействует с полем.

Магнитная проницаемость характеризует, как магнитное поле связано с веществом; относительная магнитная проницаемость μᵣ показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от индукции в вакууме при тех же условиях. μᵣ — безразмерная величина, тогда как магнитная проницаемость μ имеет размерность. Эти величины позволяют рассчитывать магнитную индукцию внутри материала.

Диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики — группы веществ, различающиеся реакцией на внешнее поле и степенью намагничивания. Первые слабо намагничиваются против поля, вторые — слабо по полю, а третьи могут намагничиваться значительно сильнее. Такое деление помогает предсказывать поведение материала в магнитных устройствах.

Как это устроено

Источниками магнитных свойств служат магнитные моменты электронов, связанные с их движением и собственным магнитным моментом. Атом содержит множество таких микроскопических «магнитов», и их суммарное действие зависит от взаимной ориентации. Если моменты компенсируют друг друга или направлены беспорядочно, магнитный эффект всего тела может быть небольшим. Внешнее поле меняет это распределение, поэтому один и тот же материал способен заметно иначе вести себя в поле и вне его.

В диамагнетике внешнее поле изменяет движение электронов так, что возникают наведённые магнитные моменты, направленные против поля. Это проявление правила, по которому наведённое изменение препятствует воздействию, вызвавшему его. Поэтому диамагнетик слабо выталкивается из области более сильного поля. Эффект обычно мал, так как наведённые моменты невелики по сравнению с другими магнитными взаимодействиями.

У парамагнетика атомы обладают постоянными магнитными моментами, но без внешнего поля они ориентированы в основном беспорядочно. Поле стремится повернуть их вдоль себя, однако тепловое движение постоянно нарушает эту ориентацию. В результате моменты выстраиваются лишь частично, и вещество слабо намагничивается по полю. После его снятия тепловое движение снова делает направления преимущественно беспорядочными.

В ферромагнетике взаимодействие между атомами заставляет их магнитные моменты выстраиваться согласованно на небольших участках — в доменах. В ненамагниченном теле направления разных доменов могут компенсировать друг друга, поэтому суммарный момент оказывается малым. Внешнее поле способствует повороту доменов по своему направлению и росту тех из них, которые уже ориентированы подходящим образом. Так возникает сильное намагничивание, а часть упорядочения может сохраниться после удаления поля.

Для магнитной индукции в веществе используют соотношение B = μ₀μᵣH, где H — напряжённость поля, μ₀ — магнитная постоянная, а μᵣ — относительная магнитная проницаемость. У ферромагнетиков μᵣ нельзя считать постоянной для всех условий: поведение материала зависит от приложенного поля и его предыдущего намагничивания. Поэтому при изменении H индукция B проходит разные пути, образуя петлю гистерезиса. При H = 0 на ней может оставаться ненулевая индукция — признак остаточной намагниченности.

Сравнение магнитных свойств веществ

Сравнивая вещества, сначала проверьте направление их реакции на внешнее поле, а затем — насколько сильна намагниченность и сохраняется ли она после снятия поля. Таблица показывает типичные свойства; поведение ферромагнетика дополнительно зависит от температуры и предшествующего намагничивания. Например, алюминий относят к парамагнетикам, хотя его притяжение обычным магнитом очень слабое.

Разбор задач

Распределите медь, алюминий и железо по группам: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Чтобы определить группу, нужно сопоставить реакцию вещества с характерными признаками трёх типов. Сила заметного притяжения сама по себе не всегда очевидна для слабых диа- и парамагнетиков, поэтому полезно опираться на известные магнитные свойства материалов. Железо выделяется наличием доменной структуры и возможностью сильного намагничивания.

1. Медь слабо намагничивается против внешнего поля, поэтому это диамагнетик.
2. Алюминий слабо намагничивается по направлению поля, поэтому это парамагнетик.
3. Железо имеет домены, которые перестраиваются под действием поля; это ферромагнетик.

Ответ: медь — диамагнетик, алюминий — парамагнетик, железо — ферромагнетик. Проверка: диамагнетик реагирует против поля, парамагнетик — слабо по полю, а ферромагнетик отличается сильным намагничиванием.

Определите магнитную индукцию в веществе, если μᵣ = 5, H = 2·10⁴ А/м, а μ₀ = 4π·10⁻⁷ Н/А².

Искомая индукция B связана с напряжённостью H формулой B = μ₀μᵣH. Подставлять следует величины в согласованных единицах СИ: относительная проницаемость безразмерна, H задана в амперах на метр. Размерностная проверка важна: результат для индукции должен быть выражен в теслах.

1. Запишем формулу: B = μ₀μᵣH.
2. Подставим данные: B = 4π·10⁻⁷ · 5 · 2·10⁴ Тл.
3. Сначала перемножим числа: 5 · 2·10⁴ = 10⁵, поэтому B = 4π·10⁻² Тл.
4. Вычислим приближённо: B ≈ 0,126 Тл.

Ответ: B ≈ 0,13 Тл. Значение положительно и имеет единицу измерения магнитной индукции. При проверке можно оценить порядок: множители 10⁻⁷ и 10⁴ дают результат порядка 10⁻³, а дополнительный множитель 10⁵ после объединения коэффициентов даёт около 10⁻² Тл.

Объясните, почему постоянный магнит сохраняет притяжение железного предмета после отключения внешнего электромагнита.

Рассмотрим железный сердечник или тело, которое было намагничено полем электромагнита. В нём поле вызвало изменение направлений доменов: многие из них стали ориентированы согласованно. После отключения тока внешнее поле исчезает, но домены не обязательно возвращаются в исходное беспорядочное состояние, поскольку взаимодействие внутри ферромагнетика препятствует этому.

1. Поле электромагнита переориентирует домены железа и намагничивает его.
2. При отключении тока внешнее поле исчезает, но часть доменов сохраняет упорядоченное направление.
3. Оставшееся намагничивание создаёт собственное поле, которое продолжает притягивать железный предмет.
4. Сохранение зависимости состояния от прежнего воздействия называют магнитным гистерезисом; остаточная намагниченность может быть ослаблена размагничиванием.

Ответ: железо сохраняет остаточную намагниченность из-за того, что после отключения электромагнита домены не сразу теряют ориентацию. Поэтому сохраняется и магнитное притяжение. Оно не обязательно останется навсегда: нагрев, удар или специальное переменное поле способны изменить намагниченность.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что любой материал притягивается магнитом. Так думают, потому что привычные опыты часто проводят с железными предметами, а слабые эффекты трудно заметить. Диамагнетики, напротив, слабо выталкиваются из сильного поля; проверьте себя, вспомнив направление их намагничивания — оно противоположно полю.

Ошибка: отождествлять парамагнетики и ферромагнетики. Оба типа намагничиваются по полю, но парамагнетик делает это слабо, а ферромагнетик — сильно и иногда с сохранением результата после удаления поля. Проверьте ответ по двум признакам: есть ли домены и остаётся ли остаточная намагниченность.

Ошибка: путать магнитную проницаемость μ с относительной проницаемостью μᵣ. Путаница возникает из-за похожих обозначений, хотя μᵣ — отношение проницаемости материала к проницаемости вакуума и потому безразмерна. Проверьте формулу и единицы: если дана μ₀ и отдельно μᵣ, в B = μ₀μᵣH нужно использовать обе величины.

Ошибка: считать, что ферромагнетик сохраняет свои свойства при любой температуре. При нагревании тепловое движение мешает упорядочению магнитных моментов, и выше температуры Кюри ферромагнитные свойства исчезают. Проверяя рассуждение, учитывайте температуру материала: его магнитные свойства не всегда остаются прежними.

Связь с другими темами

Для изучения магнитных свойств вещества нужны понятия магнитного поля, индукции B, напряжённости H и магнитного момента тока. Тема связана с действием магнитного поля на токи и движущиеся заряженные частицы, а также с электромагнитной индукцией. Понимание проницаемости материалов помогает разбираться в электромагнитах, трансформаторах, двигателях и генераторах. Доменная структура объясняет устройство и работу постоянных магнитов.

Что запомнить

• Магнитные свойства вещества определяются магнитными моментами его атомов и электронов.
• Диамагнетики намагничиваются против внешнего магнитного поля.
• Парамагнетики намагничиваются по направлению внешнего поля, но слабо.
• Ферромагнетики способны на сильное и остаточное намагничивание.
• Ферромагнетики состоят из магнитных доменов.
• Магнитная индукция в веществе зависит от магнитной проницаемости: B = μ₀μᵣH.
• При нагревании выше температуры Кюри ферромагнитные свойства исчезают.