§28. Магнитное поле в веществе

Определения и обозначения

Намагниченность — характеристика магнитного состояния вещества, связанная с суммарным упорядочением магнитных моментов его частиц. Чем больше таких моментов ориентировано согласованно, тем заметнее магнитный отклик вещества. Это понятие помогает описать, насколько вещество само создаёт магнитное поле.

Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз магнитная индукция в веществе отличается от индукции поля в вакууме при сопоставимых условиях. Для относительной проницаемости используют отношение μᵣ = B / B₀, где B — индукция в веществе, B₀ — в вакууме. Эта величина позволяет сравнивать магнитное действие разных материалов.

Диамагнетик ослабляет внешнее магнитное поле, а парамагнетик слабо его усиливает. Причина различия — направление отклика: в первом случае наведённое намагничивание направлено против поля, во втором магнитные моменты преимущественно ориентируются по нему. Эти термины помогают предсказать изменение поля при помещении образца в магнит.

Ферромагнетик — вещество, способное сильно намагничиваться и сохранять часть намагниченности после удаления внешнего поля. Его реакция намного сильнее, чем у диа- и парамагнетиков. Понятие нужно, чтобы объяснить действие железных сердечников и поведение постоянных магнитов.

Как это устроено

Магнитные свойства атома связаны с движением электронов и их собственными магнитными моментами. Эти микроскопические моменты подобны маленьким источникам магнитного поля, но в веществе они не обязательно направлены одинаково. Без внешнего воздействия их действия могут взаимно компенсироваться, поэтому суммарное поле образца бывает слабым. Внешнее поле меняет состояние частиц, и тогда их общий отклик становится заметным.

Когда вещество помещают в поле, его магнитные моменты перестраиваются, то есть вещество намагничивается. Намагниченное вещество само создаёт поле, поэтому поле внутри образца — результат сложения внешнего поля и поля вещества. В зависимости от того, направлен ли отклик по полю или против него, результирующая индукция увеличивается или уменьшается. Именно поэтому один и тот же внешний источник создаёт разные условия в вакууме и внутри материала.

В диамагнетике внешнее поле вызывает такой отклик, который противодействует изменению магнитного состояния. Поэтому наведённое намагничивание направлено против внешнего поля, а индукция внутри образца немного меньше, чем в вакууме. В парамагнетике у частиц есть магнитные моменты, которые внешнее поле стремится развернуть вдоль себя. Их частичная ориентация создаёт поле в том же направлении, поэтому индукция немного возрастает.

В ферромагнетиках магнитные моменты внутри небольших областей вещества уже согласованы. Такие области называют магнитными доменами; без внешнего поля направления разных доменов могут быть неодинаковыми, и их действия частично компенсируются. Поле разворачивает домены и увеличивает долю тех, чьи моменты направлены по нему. Поэтому суммарная намагниченность становится большой даже при сравнительно небольшом усилении внешнего воздействия.

Ферромагнетик способен удерживать часть упорядочения и после выключения поля: это остаточная намагниченность. При дальнейшем усилении поля всё большая часть доменов оказывается ориентированной в одном направлении, но этот процесс не может продолжаться безгранично. Когда дальнейшее усиление намагниченности становится малым, говорят о насыщении. Такое сложное поведение означает, что проницаемость ферромагнетика зависит от состояния образца и условий намагничивания.

Сравнение магнитных свойств веществ

Сначала сравните направление намагничивания с внешним полем: противоположное указывает на диамагнетик, совпадающее — на парамагнетик или ферромагнетик. Затем оцените силу эффекта и способность сохранять намагниченность: сильное усиление и остаточное намагничивание характерны для ферромагнетика. Приведённые примеры типичны для школьной классификации.

Разбор задач

Задача 1. Определите, будет ли усиливаться или ослабляться магнитное поле внутри вещества с относительной магнитной проницаемостью меньше единицы. Нужно понять, как соотносятся индукции в веществе и вакууме. Используем определение μᵣ = B / B₀ и сравним значение отношения с единицей.

1. Так как μᵣ < 1, отношение B / B₀ меньше единицы.
2. Следовательно, B < B₀: при сопоставимых условиях индукция в веществе меньше, чем в вакууме.
3. Такое поведение соответствует диамагнетику, который ослабляет внешнее поле.

Ответ: поле внутри вещества ослабляется. Проверка проста: проницаемость меньше единицы означает, что индукция в веществе меньше индукции в вакууме.

Задача 2. В однородное внешнее поле поочерёдно помещают образцы меди, алюминия и железа. Сравните направление и относительную силу их намагничивания. Сначала распознаем тип каждого материала, затем применяем правило для этого типа. Сравнивать нужно магнитный отклик веществ, а не исходное направление внешнего поля, которое для всех образцов одинаково.

1. Медь — диамагнетик: её наведённое намагничивание направлено против поля и слабо его ослабляет.
2. Алюминий — парамагнетик: его намагничивание направлено преимущественно по полю и слабо его усиливает.
3. Железо — ферромагнетик: намагничивается по полю значительно сильнее первых двух веществ.

Ответ: медь намагничивается против поля, алюминий — по полю слабо, железо — по полю сильно. По силе отклика железо заметно превосходит медь и алюминий.

Задача 3. В катушке с током магнитная индукция в вакууме равна 2 мТл. В сердечнике при данных условиях она в 500 раз больше. Найдите магнитную проницаемость сердечника и объясните, почему для ферромагнетика это отношение не обязательно постоянно. Используем отношение индукций, не переводя значения в теслы, поскольку единицы сокращаются.

1. По определению относительная магнитная проницаемость μᵣ = B / B₀.
2. Индукция в сердечнике в 500 раз больше, значит B / B₀ = 500.
3. Следовательно, μᵣ = 500 для указанных условий намагничивания.

Ответ: относительная магнитная проницаемость сердечника равна 500. У ферромагнетика намагниченность зависит от напряжённости поля и может достигать насыщения, поэтому отношение B / B₀ меняется при изменении условий.

Типичные ошибки

Ошибка 1 — считать, что всякое вещество усиливает поле. Так рассуждают, перенося свойства железного сердечника на любые материалы. Но диамагнетик создаёт отклик против внешнего поля и ослабляет его. Проверьте себя: если μᵣ < 1, индукция в веществе меньше, а не больше, чем в вакууме.

Ошибка 2 — путать парамагнетик с ферромагнетиком. Оба могут намагничиваться по внешнему полю, поэтому их легко объединить в одну группу. Однако парамагнитный эффект слабый, а ферромагнетик намагничивается намного сильнее и может сохранить намагниченность. Спросите себя, остаётся ли заметный эффект после снятия поля и насколько велико усиление.

Ошибка 3 — считать, что после выключения поля намагниченность исчезает у всех веществ одинаково. У диа- и парамагнетиков обычный отклик связан с действующим внешним полем, а ферромагнетик может сохранить остаточную намагниченность. Ошибка возникает, если не учитывать внутреннее упорядочение его доменов. Для проверки выясните, способен ли образец после намагничивания стать постоянным магнитом.

Ошибка 4 — применять одно постоянное значение проницаемости ферромагнетика при любых условиях. Это упрощение удобно для расчёта, но ферромагнитный отклик нелинеен и меняется с намагничиванием. При сильном поле наступает насыщение, поэтому простое пропорциональное увеличение индукции перестаёт работать. Проверяйте, для каких условий задана проницаемость и не изменилось ли состояние сердечника.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны представления о магнитном поле, магнитной индукции и поле, создаваемом электрическим током. Свойства ферромагнетиков объясняют, почему сердечник усиливает действие электромагнита, и помогают понять устройство трансформаторов и других электротехнических приборов. Намагниченность также важна при изучении постоянных магнитов. Её используют и при объяснении принципов магнитной записи информации.

Что запомнить

• Вещество изменяет магнитное поле внутри себя благодаря намагничиванию.
• Диамагнетик ослабляет внешнее поле, парамагнетик слабо усиливает его.
• Ферромагнетик намагничивается значительно сильнее диа- и парамагнетиков.
• Ферромагнетик способен сохранять намагниченность после удаления внешнего поля.
• При сильном поле намагниченность ферромагнетика может достигать насыщения.
• Магнитные свойства вещества определяются поведением магнитных моментов его частиц.