Магнитное поле в веществе. Напряжённость магнитного поля

Лекция 9. Магнитные свойства

Вещества

План лекции

9.1. Магнитный момент атома. Намагниченность вещества.

9.2. Магнитное поле в веществе. Напряжённость магнитного поля.

9.3. Виды магнетиков: диамагнетики, парамагнетики, ферромагнетики.

9.4. Свойства ферромагнетиков. Элементы теории ферромагнетизма. Применение ферромагнетиков.

Магнитный момент атома. Намагниченность вещества

Магнитное поле, создаваемое токами проводимости (макротоками) в среде, отличается от магнитного поля в вакууме. Это изменение связано со взаимодействием магнитного поля с веществом, в результате которого вещество намагничивается и приобретает магнитный момент. Причиной намагничивания является существование молекулярных токов. Ещё в 1820 году Ампер высказал гипотезу о существовании элементарных круговых токов в веществе. Природа элементарных токов стала понятна и гипотеза подтвердилась, когда было установлено, что атом состоит из ядра и движущихся вокруг электронов по модели атома Резерфорда.[1]

В классической физике электрон (е), обращающийся вокруг ядра по орбите в радиуса r, с частотой ν, эквивалентен круговому току J и обладает орбитальным магнитным моментом

где - сила тока, - площадь орбиты, - единичная нормаль к плоскости орбиты.

Также движущийся по орбите электрон обладает механическим моментом импульса , называемым орбитальным, величина которого равна

Вектора и направлены противоположно и их отношение, равное

называется гиромагнитным отношением.

В 1915 году Эйнштейн[2] и де Гааз[3] установили, что экспериментальное значение гиромагнитного отношения в два раза больше и равно

Для объяснения полученного результата они предположили, что помимо орбитальных моментов, электрон обладает собственным механическим моментом импульса , названным спином, и собственным, спиновым магнитным моментом . Их отношение и равно . Это предположение впоследствии подтвердилось.

Таким образом, электрон в атоме обладает орбитальным магнитным моментом и спиновым магнитным моментом . Зная число электронов в атоме, их расположение и взаимодействие, можно определить магнитный момент атома.

В простейшем случае вычисляют в виде векторной суммы орбитальных и спиновых магнитных моментов электронов атома:

(Магнитным моментом ядра атома пренебрегают, ввиду его малости).

Благодаря магнитным моментам атомов любое вещество обладает магнитными свойствами и является магнетиком. Под действием магнитного поля магнетик намагничивается. Намагничивание вещества характеризует вектор , называемый намагниченностью вещества, и равный магнитному моменту единицы объёма магнетика:

где V – физически малый объём.

Намагниченность характеризует магнитное состояние вещества. В системе СИ намагниченность измеряется в [I]=1 А/м.

Магнитное поле в веществе. Напряжённость магнитного поля

Магнитное поле в веществе складывается из внешнего магнитного поля , созданного макротоками проводимости (магнитного поля, созданного макротоками в вакууме) и магнитного поля , возникающего благодаря намагничиванию вещества (за счет магнитных моментов атомов) и равно

Введем вспомогательную характеристику магнитного поля, которая определяется только макротоками и не зависит от микротоков вещества. Эту величину называют напряженностью магнитного поля и можно показать, что она равна

Преобразовав эту формулу, получим выражение полной магнитной индукции в веществе:

. (9.1)

В изотропных средах и слабых полях намагниченность пропорциональна напряженности , , где коэффициентом пропорциональности является безразмерная величина - магнитная восприимчивость вещества.

После подстановки в (9.1), получим:

, (9.2)

где - магнитная проницаемость вещества.

В изотропных, однородных средах, где вектора и параллельны, магнитная проницаемость показывает, во сколько раз изменяется магнитная индукция в магнетике по сравнению с магнитной индукцией в вакууме.