Магнитное поле в веществе. Циркуляция магнитного поля (закон полного тока) в веществе

При рассмотрении магнитного поля в веществе различают два типа токов – макротоки и микротоки. Макротоками называются токи проводимостииконвекционные токи. Микротоками (молекулярными токами ) называются токи, обусловленные движением электронов в атомах, молекулах и ионах.

Магнитное поле в веществе является суперпозицией двух полей: внешнего магнитного поля, создаваемого макротоками, и внутреннего, или собственного, магнитного поля, создаваемого микротоками (магнитными моментами атомов и молекул).

,

где - индукция магнитного поля макротоков, - индукция магнитного поля микротоков. Соответственно теорема о циркуляции магнитного поля в веществе может быть записана в следующем виде

 

,

где - соответственно алгебраические суммы макро- и микротоков, охватываемых контуром интегрирования.

Алгебраическая сумма сил микротоков связана с циркуляцией намагниченности.

.

Используя это выражение, циркуляцию магнитного поля в веществе можно записать в виде

 

; ,

где - напряжённость магнитного поля.

Теорема о циркуляции для магнитного поля в веществе (закон полного тока)

 

Циркуляция вектора напряжённости магнитного поля по произвольному контуру равна алгебраической сумме макротоков (токов проводимости) сквозь поверхность, натянутую на этот контур.

В случае изотропной среды намагниченность пропорциональна индукции магнитного поля . Поэтому связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля имеет вид

,

где m - относительная магнитная проницаемость вещества, связанная с его магнитной восприимчивостью и показывающая, во сколько раз магнитное поле в веществе больше, чем в отсутствие вещества:

m = 1 + c, ,

где В - индукция поля в веществе, В_о - индукция поля в отсутствие вещества.

Условия для магнитного поля на границе раздела изотропных сред

 

На границе раздела магнетиков наблюдается преломление силовых линий, при этом

B_2n=B_1n и m₂H_2n = m₁H_1n,

где В_n и H_n – проекции векторов и на единичный вектор , направленный по нормали к границе раздела сред, m₁ и m₂ - относительные магнитные проницаемости сред.

В случае отсутствия макротоков, идущих по поверхности раздела сред, из закона полного тока для магнитного поля в среде следует, что

и ,

где B_t и H_t - проекции векторов и на единичный вектор t, направленный по касательной к поверхности раздела сред.

Виды магнетиков

По степени намагниченности выделяют следующие основные виды магнетиков: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, магнитные моменты атомов (молекул), которые в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю, так как магнитные моменты всех электронов атома (молекулы) взаимно скомпенсированы. При помещении диамагнетика в магнитное поле (при включении магнитного поля) атомы приобретают наведенные (индуцированные) магнитные моменты, ориентированные против направления внешнего магнитного поля. Величина индуцированного магнитного момента пропорциональна индукции магнитного поля. Магнитная восприимчивость диамагнетиков отрицательна и много меньше 1 (c < 0, c = 10 ^-5¼10 ^-6).

Парамагнетиками называются вещества, атомы (молекулы) которых в отсутствие внешнего магнитного поля имеют отличный от нуля магнитный момент . При помещении парамагнетика в магнитное поле, последнее оказывает ориентирующее действие на магнитные моменты атомов и молекул и вещество намагничивается. В слабых магнитных полях намагниченность пропорциональна индукции, а в сильных полях наблюдается явление насыщения: J ® J_МАКС. Тепловое движение атомов нарушает упорядоченную ориентацию магнитных моментов, поэтому с ростом температуры парамагнетика его намагниченность уменьшается. Магнитная восприимчивость парамагнетиков положительна (c >0, c =10 ^-3¼10 ^-5).

Ферромагнетиками называются твёрдые вещества (как правило, находящиеся в кристаллическом состоянии), обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью. Весь ферромагнетик разбит на пространственные области (домены), в пределах которых магнитные моменты всех атомов домена в результате особого (обменного) взаимодействия устанавливаются параллельно, т.е. в пределах каждого домена ферромагнетик намагничен до насыщения.

Основные магнитные свойства ферромагнетиков

1.

Нелинейная зависимость намагниченности J от напряжённости H магнитного поля. При Н > H_S наблюдается магнитное насыщение (рис. 2.14).

 

2. При H < H_S зависимость магнитной индукции В от напряжённости Н нелинейная, а при H > H _S она становится линейной (рис. 2.15).

3. Зависимость относительной магнитной проницаемости m от напряжённости Н имеет сложный характер (рис. 2.16), причём максимальные значения m очень велики, m _макс ~ (10³ -10⁶).

4. Существование магнитного гистерезиса – различия в значениях намагниченности J ферромагнетика при одном и том же значении Н напряжённости намагничивающего поля в зависимости от значения предварительной намагниченности ферромагнетика (рис. 2.17).

 

5. У каждого ферромагнитного вещества есть критическая температура Т_К, называемая точкой Кюри, выше которой это вещество теряет свои особые магнитные свойства и ведёт себя как обычный парамагнетик.