Закон полного тока для магнитного поля в веществе

Циркуляция вектора магнитной индукции В по произвольному замкнутому

контуру равна алгебраической сумме токов проводимости и молекулярных токов, охватываемых этим контуром, умноженной на магнитную постоянную:

где I и I' — соответственно алгебраические суммы макротоков (токов проводимости) и микротоков (молекулярных токов), охватываемых произвольным замкнутым контуром L.

Вектор В, таким образом, характеризует результирующее доле, созданное как макроскопическими токами в проводниках, (токами проводимости), так и микроскопическими токами в магнетиках, поэтому линии вектора магнитной индукции В не имеют источников и являются замкнутыми.

Из теории известно, что циркуляция намагниченности J по произвольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме молекулярных токов, охватываемых этим контуром:

Теорема о циркуляции вектора В (в веществе), записанная выше, примет вид

где I — алгебраическая сумма токов проводимости.

и, поэтому,

циркуляция вектора Н по произ­вольному замкнутому контуру L равна алгебраической сумме токов проводимости, охватываемых этим контуром. — теорема о циркуляции вектора Н( закон полного тока).

Ферромагнетики

Помимо слабомагнитных веществ — диа- и парамагнетиков, существуют сильномагнитные вещества — ферромагнетики — вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничиваются при отсутствии внешнего магнитного поля. К ним относятся железо, кобальт, никель, их сплавы и т. д. В отличие от слабомагнитных веществ (см. рисунок), для которых J от H зависит линейно, для ферромагнетиков эта зависимость сложная: вначале с возрастанием Н намагниченность J растет сначала быстро, затем медленнее, достигая магнитного насыщения J _нас.

Существенная особенность ферромагнетиков— не только большие значения μ (например, для железа 5000, для сплава супермаллоя 800000!), но и зависимость μ от Н. Характерная особенность фер­ромагнетиков состоит также в том, что для них зависимость J от Н (следовательно, и В от Н) определяется предысторией намагничения ферромагнетика. Это явление получило название магнитного гистерезиса. Для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик.

Согласно современным представлениям, ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых микроскопических областей — доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю и ферромагнетик не намагничен. Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как это имеет место в случае парамагнетиков, а целых областей спонтанной намагниченности, причем домены поворачиваются по полю скачком.

В настоящее время установлено, что магнитные свойства ферромагнетиков определяются спиновыми магнитными моментами электронов. Установлено также, что ферромагнитными свойствами могут обладать только кристаллические вещества, в атомах которых имеются недо­строенные внутренние оболочки с нескомпенсированными спинами. В данном случае могут возникать силы, которые вынуждают спиновые магнитные моменты электронов ориентироваться параллельно друг другу, что и приводит к возникновению областей спонтанного намагничивания.

Если магнитные атомы находятся в таком тесном контакте друг с другом, что соседние атомы могут обмениваться магнит­ными электронами, можно наблюдать кооперативное взаимодейст­вие, при котором спины всех магнитных электронов в решетке принимают одинаковое направление и магнитные моменты элек­тронов оказываются очень сильно связанными. Эта самопроизволь­ная намагниченность характерна для ферромагнитных материа­лов. Спины соседних магнитных атомов «выстраиваются» под дей­ствием обменных сил, которые эквивалентны магнитным полям порядка 1—10 млн. эрстед(1э 80А/м). Однако это взаимодействие спинов не является по природе магнитным, а есть следствие квантово-механического взаимодействия между электронами соседних ато­мов.

Обменное взаимодействие между магнитными атомами часто может быть непрямым и осуществляется через промежуточный немагнитный атом, например кислорода или серы. При некоторых условиях взаимодействие между магнитными атомами в веществе может привести к антипараллельному расположению спинов сосед­них атомов. Это явление называется антиферромагнетизмом. Таким образом, мы имеем вещество с взаимно проникающими решетками одинаковых магнитных ионов или атомов с намагниченностью в прямо противоположных направлениях; действие их взаим­но компенсируется, так что результирующего магнитного момента нет. Две взаимно проникающие решетки могут иметь антипараллельную намагниченность разной величины, так что остается результирующий магнитный момент в направлении более сильной магнитной подрешетки. Этот нескомпенсированный антиферромагнетизм называется ферримагнетизмом.

Различные виды расположения спинов, описанные выше, схематически пока­заны на рисунке

.

Намагниченность насыщения ферромагнитных материалов зависит от числа нескомпенсированных спинов в магнитных ато­мах.