1.2.2. Намагничивание магнетиков

Рис.1.3. Переориентация диполей магнетика под действием внешнего поля

Магнетиками называют вещества, магнитные свойства которых отличаются от свойств вакуума.

Согласно гипотезе Ампера молекулы магнетиков несут в себе замкнутые токи, то есть являются магнитными диполями. В свободном состоянии молекулярные магнитные диполи ориентированы хаотически, и их суммарным полем можно пренебречь (рис. 1.3, а). Под действием внешнего магнитного поля молекулы магнетика переориентируются, располагаясь вдоль силовых линий магнитного поля (рис. 1.3, б). Этот процесс аналогичен поляризации полярных диэлектриков.

Определение магнитного момента молекулярного диполя иллюстрирует рис. 1.4. Молекулярный ток I - это электрон, вращающийся вокруг ядра. То есть движущийся заряд, ток проводимости. Можно представить это так, что по проводнику, имеющему форму орбиты электрона, протекает ток. Орбита электрона охватывает площадьΔS.

Магнитный диполь характеризуется магнитным моментом. Он обозначается буквой m и описывается следующим соотношением:

(1.12)

где	m	- вектор магнитного момента, А*м^2,
	I	- молекулярный ток, А,
	dS	- векторный дифференциал площади орбиты электрона: dS=dSn0, м^2,
	n0	- орт векторного дифференциала.

Рис. 1.4. К определению магнитного момента

Орт векторного дифференциала площади орбиты электрона направлен так, чтобы с его конца движение тока представлялось происходящим против часовой стрелки.

В единице объема магнетика находится много молекулярных токов, поэтому вводится вектор намагниченности. Он описывается формулой:

(1.13)

где

N

- количество молекулярных диполей в единице объема вещества.

Следовательно, можно провести аналогию в поведении полярных диэлектриков в электрическом поле и магнетиков в магнитном поле. В частности, у большинства магнетиков в не слишком сильных магнитных полях связь между векторами магнитного момента и напряженности магнитного поля линейная:

(1.14)

где k_м -магнитная восприимчивость вещества.

Значит, можно записать формулу, связывающую векторы магнитной индукции и напряженности магнитного поля с учетом процесса намагничивания:

(1.15)

где μ_a - абсолютная магнитная проницаемость вещества.

Абсолютная магнитная проницаемость вещества является коэффициентом пропорциональности между векторами магнитной индукции и напряженности магнитного поля.

В вакууме векторы магнитной индукции и напряженности магнитного поля связаны следующим соотношением:

(1.16)

где

μ0

- магнитная постоянная, Г/м

Магнитная постоянная определена экспериментально и равна 4π*10^-7Гн/м.

Магнитная постоянная является коэффициентом пропорциональности между векторами магнитной индукции и напряженности магнитного поля в вакууме.

По аналогии с диэлектриком можно ввести относительную магнитную проницаемость, определив ее следующим соотношением:

(1.17)

В отличие от относительной диэлектрической проницаемости, которая в обычных условиях больше единицы, относительная магнитная проницаемость может быть и меньше единицы. Такие вещества называют диамагнетиками.

Если относительная магнитная проницаемость равна единице, это вакуум или иной немагнитный материал.

Если же относительная магнитная проницаемость вещества больше единицы, то оно относится к парамагнетикам. В особый класс выделяютферромагнетики, у которых относительная магнитная проницаемость значительно больше единицы.

Соотношения (1.10) и (1.15) относятся к материальным уравнениям электромагнитного поля. Материальные уравнения описывают макроскопические свойства вещества, существенные при воздействии на него электромагнитного поля.

Записанные материальные уравнения являются линейными. Линейными являются многие среды, в которых решаются прикладные радиотехнические задачи. Однако существуют и нелинейные среды. К ним относится трансформаторное железо в сравнительно сильном магнитном поле. Из диэлектриков нелинейные свойства при обычных условиях наблюдаются у сегнетоэлектриков, к которым относится, в частности, конденсаторная керамика титанат бария.

Рис. 1.5. К определению вектора плотности тока проводимости

Существуют также среды, в которых векторы индукции и напряженности поля не коллинеарны. При этом любая составляющая вектора индукции записывается в виде линейной комбинации всех трех составляющих вектора напряженности поля. Такие средыназываютанизотропными. Их проницаемости описываются тензорами.