Намагниченность вещества

Магнитное поле, создаваемое токами проводимости (макротоками) в среде, отличается от магнитного поля в вакууме. Это изменение связано с взаимодействием магнитного поля с веществом, в результате которого вещество намагничивается и приобретает магнитный момент. Причиной намагничивания является существование молекулярных токов. Еще в 1820 г. 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 радиусом r, с частотой n, эквивалентен круговому току I 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

Векторы и направлены противоположно, и их отношение

называется гиромагнитным отношением.

В 1915 г. Эйнштейн¹ и де Гааз² 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 . Именно 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 объема магнетика:

где V – физически малый объем.

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

Поле в магнетике. Всякое вещество является магнетиком, т.е. способно намагничиваться -приобретать магнитный момент. Если внести магнетик в магнитное поле с индукцией , то результирующее поле будет векторной суммой вектора и собственного поля магнетика :

= + . (83)

Вектор не имеет специальных источников, поэтому для поля в магнетике справедлива

теорема Гаусса: Поток вектора сквозь любую замкнутую поверхность равен нулю:

. (84)

Это значит, что линии вектора и при наличии вещества остаются непрерывными. Природа магнитных свойств вещества может быть полностью обоснована методами квантовой механики, а в электродинамике можно ограничиться следующими модельными представлениями. Молекулы многих веществ обладают магнитными моментами, обусловленными движением заряженных частиц внутри молекул. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты молекул ориентированы беспорядочно, поэтому результирующее поле внутри магнетика равно нулю. Если при отсутствии внешнего поля молекулы не обладают магнитными моментами, то внесении поле в молекулах возникают индуцированные круговые токи, в результате чего сами молекулы и вместе с ними и все вещество приобретает магнитный момент и соответствующее собственное поле магнетика . Большинство магнетиков намагничиваются слабо. Сильными магнитными свойствами обладают только железо, никель, кобальт и многие их сплавы.

Установим связь между основной () и вспомогательной () характеристиками магнитного поля.

Как показывает опыт, в неслишком сильных магнитных полях для однородного изотропного магнетика вектор намагниченности пропорционален напряженности поля, т.е.

(13.11)

где («хи») – магнитная восприимчивость магнетика (безразмерная величина, характеризующая способность вещества к намагничиванию). Для однородных изотропных магнетоков не зависит от .