РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Магнитное поле в веществе

Экспериментальные исследования показали, что все вещества в большей или меньшей степени обладают магнитными свойствами. Если два витка с токами поместить в какую-либо среду, то сила магнитного взаимодействия между токами изменяется. Этот опыт показывает, что индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в вакууме. Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в однородной среде B_sub отличается по модулю от индукции магнитного поля в вакууме B₀, называется относительной магнитной проницаемостью:

где B_sub = μμ₀H - индукция магнитного поля в веществе;
B₀ = μ₀H - индукция магнитного поля в сободном от вещества пространстве (эфире, вакууме);
μ₀ - магнитная проницаемость эфира, магнитная постоянная;
μ - магнитная проницаемость эфира, магнитная постоянная;
H - напряженность магнитного поля в данной точке [a/m]

Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов. В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов. Одним из важнейших свойств электрона является наличие у него не только электрического, но и собственного магнитного поля. Собственное магнитное поле электрона называют спиновым (spin – вращение). Электрон также создает магнитное поле за счет внутреннего микротока, зависящего от его положения (конфигурации) в атоме вещества.

Конфигурации электронов в молекулах по Д.Н. Кожевникову

Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их конфигурационными микротоками, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ. Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам. У большинства веществ эти свойства выражены слабо. Слабо-магнитные вещества делятся на две большие группы – парамагнетики и диамагнетики. Они отличаются тем, что при внесении во внешнее магнитное поле парамагнитные образцы намагничиваются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным согласно вектору напряженности H внешнего поля, а диамагнитные образцы намагничиваются против вектора напряженности H внешнего поля.

Поэтому у парамагнетиков μ > 1, а у диамагнетиков μ < 1. Отличие μ от единицы у пара- и диамагнетиков чрезвычайно мало. Например, у алюминия, который относится к парамагнетикам, μ – 1 ≈ 2,1·10^–5, у хлористого железа (FeCl₃) μ – 1 ≈ 2,5·10^-3. К парамагнетикам относятся также платина, воздух и многие другие вещества. К диамагнетикам относятся медь (μ – 1 ≈ –3·10^-6), вода (μ – 1 ≈ –9·10^-6), висмут (μ – 1 ≈ –1,7·10^-3) и другие вещества. Образцы из пара- и диамагнетика, помещенные в неоднородное магнитное поле между полюсами электромагнита, ведут себя по-разному – парамагнетики втягиваются в область сильного поля, диамагнетики – выталкиваются (рис. 1).

Пара- и диамагнетизм объясняется конфигурацией электронных оболочек атомов и молекул во внешнем магнитном поле. У атомов диамагнитных веществ в отсутствие внешнего поля собственные магнитные поля электронов и поля, создаваемые их конфигурационными микротоками, полностью скомпенсированы. Возникновение диамагнетизма связано с действием силы Лоренца на электронные микротоки. Под действием этой силы изменяется характер микротоков электронов и нарушается компенсация магнитных полей. Возникающее при этом собственное магнитное поле атома оказывается направленным против напряженности H внешнего поля. В атомах парамагнитных веществ магнитные поля электронов скомпенсированы не полностью, и электронные оболочкиматома оказываются подобными маленьким круговым токам. В отсутствие внешнего поля эти круговые микротоки ориентированы произвольно, так что суммарная магнитная индукция равна нулю. Внешнее магнитное поле оказывает ориентирующее действие – микротоки стремятся сориентироваться так, чтобы их собственные магнитные поля оказались направленными по направлению вектора напряженности внешнего поля. Из-за теплового движения атомов ориентация микротоков никогда не бывает полной.

При усилении внешнего поля ориентационный эффект возрастает, так что индукция собственного магнитного поля парамагнитного образца растет прямо пропорционально напряженности внешнего магнитного поля (с некоторым запаздыванием, иногда накоплением, запоминанием в магнитотвёрдых веществах). Индукция магнитного поля в образце определяется произведением напряженности внешнего магнитного поля H[a/m] и абсолютной магнитной проницаемости образца μ_a. Механизм намагничивания парамагнетиков очень похож на механизм поляризации полярных диэлектриков. Диамагнетизм не имеет аналога среди электрических свойств вещества. Следует отметить, что диамагнитными свойствами обладают атомы любых веществ. Однако, во многих случаях диамагнетизм атомов маскируется более сильным парамагнитным эффектом. Явление диамагнетизма было открыто М. Фарадеем (1845 г.).

Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 10²–10⁵. Например, у стали μ ≈ 8000, у сплава железа с никелем магнитная проницаемость достигает значений 250000. К группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний. Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков. Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определенная температура (так называемая температура Кюри или точка Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C. Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – на магнитомягкие и магнитотвёрдые материалы. Магнитомягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнитомягким материалам относится, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы.

Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, то есть изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.). Магнитотвёрдые материалы сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнитотвёрдых материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнитотвёрдые метериалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов. Магнитная проницаемость μ ферромагнетиков не является постоянной величиной; она сильно зависит от напряженности H внешнего поля, а также от его частоты f[Hz], если это переменное магнитное поле.

Типичная зависимость μ (H) приведена на рис. 2. В таблицах обычно приводятся значения максимальной магнитной проницаемости.

Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции B магнитного поля в ферромагнетике от напряженности H внешнего магнитного поля. Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называетмый гистерезис, то есть зависимость намагничивания от предыстории образца. Кривая намагничивания B (H) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлей гистерезиса (рис. 3.).

Из рис. 3 видно, что при Магнитное поле в веществе

наступает магнитное насыщение – намагниченность образца достигает максимального значения. Если теперь уменьшать магнитную индукцию B₀ внешнего поля и довести ее вновь до нулевого значения, то ферромагнетик сохранит остаточную намагниченность – поле внутри образца будет равно Br. Остаточная намагниченность образцов позволяет создавать постоянные магниты. Для того, чтобы полностью размагнитить образец, необходимо, изменив знак внешнего поля, довести напряженность до значения –H_c, которое принято называть коэрцитивной силой.

Далее процесс перемагничивания может быть продолжен, как это указано стрелками на рис. 3. У магнитомягких материалов значения коэрцитивной силы H_c невелико – петля гистерезиса таких материалов достаточно «узкая». Материалы с большим значением коэрцитивной силы, то есть имеющие «широкую» петлю гистерезиса, относятся к магнитотвёрдым. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов. В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, при которых, вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов, энергетически выгодной становится их параллельная ориентация.

В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика возникают самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10^-2 – 10^-4 см. Эти области называются доменами. Каждый домен представляет из себя небольшой постоянный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным. При наложении внешнего магнитного поля Магнитное поле в веществе

происходит смещение границ доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение. Рис. 4 может служить качественной иллюстрацией процесса намагничивания ферромагнитного образца.

Знаете ли Вы, как разрешается парадокс Ольберса?
(Фотометрический парадокс, парадокс Ольберса - это один из парадоксов космологии, заключающийся в том, что во Вселенной, равномерно заполненной звёздами, яркость неба (в том числе ночного) должна быть примерно равна яркости солнечного диска. Это должно иметь место потому, что по любому направлению неба луч зрения рано или поздно упрется в поверхность звезды.
Иными словами парадос Ольберса заключается в том, что если Вселенная бесконечна, то черного неба мы не увидим, так как излучение дальних звезд будет суммироваться с излучением ближних, и небо должно иметь среднюю температуру фотосфер звезд. При поглощении света межзвездным веществом, оно будет разогреваться до температуры звездных фотосфер и излучать также ярко, как звезды. Однако в дело вступает явление "усталости света", открытое Эдвином Хабблом, который показал, что чем дальше от нас расположена галактика, тем больше становится красным свет ее излучения, то есть фотоны как бы "устают", отдают свою энергию межзвездной среде. На очень больших расстояниях галактики видны только в радиодиапазоне, так как их свет вовсе потерял энергию идя через бескрайние просторы Вселенной. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.


1.Модель метилового радикала (-CH₃).	2.Гидроксильная группа (–OH).	3.Модель молекулы метанола (CH₃OH).

4.Оболочка из шести электронов – колец.	5.Молекула кислорода (O₂) – двойная связь.	6.Молекула (CO₂), соединение с двойной ковалентной связью

7. Замыкание электрических токов в пределах оболочки	8. Вид 4 электронов атома углерода в структуре алмаза.	9.Молекула циклогексана (C₆H₁₂).в кресельной конформации.

10. Молекула адамантана (C₁₀H₁₆).	11.Оболочка из двух волновых колец.	12.Оболочка из восьми волновых колец.