Магнитное поле электрического тока (стр. 3 из 4)

При внесении парамагнетика во внешнее магнитное поле

магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг век-r

тора B с ларморовской угловой скоростью w_L, устанавливается

преимущественная ориентация собственных магнитных моментов атомов P_mi по направлению внешнего поля (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. Парамагнетиками являются редкоземельные элементы, Pt, Al и т.д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и поэтому остается незаметным.

3.3 Диамагнетики и парамагнетики в однородном магнитном поле

Диамагнетиками называются такие вещества, у которых магнитные моменты атомов (или молекул) в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Это означает, что у диамагнетиков векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома равна нулю и только при включении магнитного поля возникают наведенные магнитные моменты. Диамагнетиками являются многие металлы (Bi, Ag, Au, Cu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т.д.

Парамагнетиками называются вещества, у которых атомы

(или молекулы) в отсутствии внешнего поля обладают некоторым

постоянным магнитным моментом P_m. Это означает, что векторная сумма орбитальных магнитных моментов всех электронов атома (молекулы) отлична от нуля.

Итак, в результате воздействия внешнего магнитного поля у каждого атома возникает наведенный орбитальный магнитный момент (15). Выделим малый объем DV вещества. Магнитный

момент выделенного объема будет

- магнитный

момент i - го атома (молекулы), N – общее число атомов (молекул) в малом объеме V . В пределах выделенного объема V магнитное поле можно считать однородным. Одновременно в этом объеме должно содержатся достаточно большое число частиц N , (N >>1), чтобы имело смысл усреднение физических величин, характеризующих систему частиц.

Отношение магнитного момента малого объема V вещества к величине этого объема является характеристикой намагничивания вещества. Эта величина называется вектором намагничено-

сти (интенсивность намагничивания) J :

Поместим изотропный диамагнетик в магнитное поле с индукцией B. В объеме V такого диамагнетика наведенные моменты P_m всех атомов (молекул) одинаковы и будут направлены противоположно вектору B.

Вектор намагниченности J равен:

χ - безразмерная величина, характеризующая магнитные свойства магнетиков. Для всех диамагнетиков χ < 0.

Обычно для характеристики магнитных свойств веществ используют величину, называемую относительной магнитной восприимчивостью χ , связанную с соотношением::

c_m c_mў

χ c_m Практически для диамагнетиков χ c_m = c_mў , ибо абсолютная величина χ c_m очень мала: χ c_m »10^-6.

При внесении парамагнитного вещества в однородное магнитное поле постоянные магнитные моменты атомов (молекул) прецессируют вокруг направления вектора B индукции магнитного поля с ларморовской угловой скоростью w_L (12).

Тепловое движение и взаимные столкновения атомов (молекул) парамагнетика приведут к постоянному затуханию прецессии магнитных моментов и уменьшению углов между направлениями векторов магнитных моментов и вектора B. Совместное
действие межатомных столкновений и магнитного поля приведут
к преимущественной ориентации магнитных моментов атомов по
направлению внешнего поля. Хотя постоянный магнитный мо-
мент P_m атома (молекулы) имеет величину порядка 10^-23 Дж/Тл.

магнитные моменты всех частиц в единице объема создают намагничение, значительно превосходящее диамагнитные явления. В парамагнитном веществе, находящемся во внешнем магнитном поле, существует собственное магнитное поле, направленное вдоль внешнего магнитного поля.

Модуль вектора намагниченности в классической теории па

обусловленная наличием теплового движения в парамагнетике.

Его влияние определено значением параметра: Здесь k

– постоянная Больцмана, T – абсолютная температура.

При комнатных температурах и при не очень сильных внешних полях a<<1 и функция L_(a) после разложения в ряд упрощается:

При этом вектор намагниченности равен:

Величина χ c_m связана с магнитной восприимчивостью c_m парамагнетика (22). Значения величин χ c_m для парамагнетиков

положительны и находятся в пределах от 10^-5 до 10^-3, поэтому χ c_m = χ c_m с высокой точностью.

Выражение (26) называется законом Кюри: парамагнитная восприимчивость вещества обратно пропорциональна абсолютной температуре.

В очень сильных магнитных полях наступает насыщение намагниченности: при a >>1 функция Ланжевена L_(a) . Это означает, что магнитные моменты всех атомов (молекул) ориентированны вдоль внешнего магнитного поля и J = n₀P_m.

4 Магнитное поле в магнетиках

а) В веществе различают два типа токов, создающих магнитное поле, - макротоки или токи проводимости и микротоки - молекулярные токи Макротоки возникают, благодаря наличию в веществе свободных зарядов и определяются как направленное движение этих зарядов. Микротоками называются токи, обусловленные движением связанных зарядов, например электронов в атомах и молекулах.

Магнитное поле в веществе является векторной суммой двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемого макротоками и внутреннего или собственного магнитного поля, которое создается микротоками. Вектор магнитной индукции B магнитного поля в веществе характеризует результирующее магнитное поле

Первичным источником магнитного поля в магнетиках являются макротоки. Их магнитные поля являются причиной намагничивания вещества, помещенного во внешнее магнитное поле. Закон полного тока для магнитного поля в веществе является обобщением закона о циркуляции магнитного поля в вакууме:

и равен геометрической сумме магнитных индукций внешнего B₀ и внутреннего B ^rвнутр магнитных полей:

где I_макрои I_микро- алгебраические суммы сил макро - и микротоков сквозь поверхность, натянутую на замкнутый контур L.

Алгебраическая сумма сил микротоков связана с вектором намагниченности:

где L Jdl - циркуляция вектора намагниченности J (16) вдоль

замкнутого контура L, схватывающего микротоки. Подставляя (28) в (27) получаем:

называется напряженностью магнитного поля, а из (29) следует, что циркуляция вектора напряженности магнитного поля вдоль произвольного замкнутого контура равна (или пропорциональна) алгебраической сумме макротоков сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

Для изотропной среды связь между векторами магнитной ин-

дукции B и намагниченности J (25) приводит для вектора H к выражению:

которая называется относительной магнитной проницаемостью

r вещества, для H получим:

5 Ферромагнетики

Ферромагнетиками называются такие вещества, в которых внутреннее магнитное поле в сотни и тысячи раз превышает вызвавшее его внешнее магнитное поле.

Ферромагнетизм наблюдается у кристаллов переходных металлов – железа, кобальта и никеля и у ряда сплавов, при условии