15.3. Магнитное поле в веществе

До сих пор мы рассматривали магнитное поле в вакууме. Если рассматривать поле в веществе, то уравнения (15.3) – (15.8) надо умножить на μ – магнитную проницаемость вещества. Для вакуума μ = 1, для воздуха μ ≈ 1.

Так как электроны в атомах постоянно движутся (орбитальное и спиновое движение), то неизбежно возникает магнитное поле1. В отсутствии внешнего магнитного поля в некоторых веществах магнитные поля атомов ориентированы хаотично (немагнитные материалы) и собственное магнитное поле равно нулю. В других веществах существует упорядоченная ориентация магнитных полей атомов, – такие вещества намагничены и в отсутствии внешнего поля (магнитные материалы или ферромагнетики).

В отличие от диэлектриков, которые всегда ослабляют внешнее электрическое поле, здесь вещества могут как ослаблять, так и усиливать магнитное поле.

Если μ > 1, вещество усиливает внешнее магнитное поле, – это парамагнетики (O2, воздух, Al, Pt, W, щелочные и щелочноземельные металлы). Эти вещества намагничиваются вдоль внешнего поля B0: магнитные моменты (а, значит, и магнитные поля) атомов ориентированы по направлению внешнего поля и создают внутреннее поле B1. Поэтому суммарное магнитное поле внутри парамагнетика увеличивается:

B = B0 + B1.

Для ферромагнетиков (Fe, Ni, Co) μ >> 1, кроме того, они обладают самопроизвольной намагниченностью. Побывав во внешнем поле, они как бы «запоминают» его направление и величину, то есть остаются намагниченные участки (домены). Это свойство лежит в основе записи информации на магнитофонную ленту или жесткий диск компьютера2. Поэтому поверхности ленты и жесткого диска покрыты тончайшим слоем ферромагнетика. Из ферромагнитных материалов также изготавливают постоянные магниты. Кроме того, для увеличения магнитного поля в катушке в нее вставляют сердечник из ферромагнитного материала с очень большой магнитной проницаемостью μ ~ 10002000.

Если μ < 1, вещество ослабляет внешнее магнитное поле, – это диамаг-

нетики (H2, N2, CO2, H2O, P, S, C, Cu, Ag, Au, Bi, стекло, углеводы, белки и многие другие органические соединения). Эти вещества намагничиваются против внешнего поля B0: под влиянием внешнего поля у атомов возникает (индуцируется) магнитный момент (а, значит, и магнитное поле), направленный против внешнего поля. Атомы создают внутреннее поле B1, так, что суммарное магнитное поле внутри диамагнетика уменьшается:

1Атом можно условно считать микроскопическим витком с током с магнитным моментом pm, а его магнитное поле определить по формуле (15.7)″.

2Не только записи, но и считывания. Одна головка в режиме записи создает намагниченные участки, а в режиме считывания снимает сигналы с намагниченных участков. Другая головка (стирающая) размагничивает те или иные области поверхности ленты или жесткого диска, создавая «чистые» ненамагниченные участки.

102

B = B0 – B1.

На рис. 15.10, а) изображен парамагнетик или ферромагнетик в магнитном поле, на рис. 15.10, б) – диамагнетик.

	pm
Br0	B0
B1	B1
	pm
а)	б)
	Рис. 15.10

Парамагнетики и ферромагнетики всегда втягиваются в область неоднородного внешнего магнитного поля, а диамагнетики выталкиваются из нее (аналогично тому, как притягиваются разноименные полюса постоянных магнитов и отталкиваются одноименные).

Объемная плотность энергии магнитного поля в веществе

	w =	B2		.	(15.11)
		8πk	μ
		1

В п. 13.3 мы встречались с похожей формулой для объемной плотности энергии электрического поля. Как и в случае электрического поля, чем больше величина магнитного поля, тем больше плотность энергии в пространстве.

Вопросы к лекции 15

1.Как возникает магнитное поле? Приведите примеры магнитных полей различных объек-

тов.

2.Как называется силовая характеристика магнитного поля, и в каких единицах она измеряется?

3.В каком направлении отклоняется магнитная стрелка компаса?

4.По каким траекториям могут двигаться заряженные частицы в магнитном поле?

5.Напишите закон Ампера и проиллюстрируйте примером.

6.Как возникают полярные сияния? Почему их нет в низких и средних широтах?

7.Почему ученые обеспокоены постепенным ослаблением магнитного поля Земли?

8.Сформулируйте закон Био – Савара и приведите примеры его применения.

9.Что такое магнитный момент витка с током? В каком направлении он выбирается? Приведите рисунок.

10.По одной из гипотез магнитное поле Земли создается электрическими токами в жидкой части ядра. Изобразите схематично эти токи.

11.Дайте краткую характеристику пара-, ферро- и диамагнетиков.

12.Какой физический смысл имеет объемная плотность энергии магнитного поля? От чего она зависит?

103