11 класс
§ 20. Магнитные свойства вещества
Магнитная проницаемость среды.
Благодаря тому что все вещества, находящиеся в магнитном поле, создают собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции 
в однородной среде отличается от вектора 0 в той же точке пространства в отсутствие среды, т. е. в вакууме.
Отношение / 0 = μ называют магнитной проницаемостью среды.
В однородной среде магнитная индукция равна
= μ0.
Эта формула справедлива только для однородной среды, заполняющей всё пространство, или для случаев особой симметрии тела, например для однородного стержня внутри длинной катушки с током — соленоида.
Если тело имеет произвольную форму, то зависимость между и 0 будет определяться формой тела и его ориентацией по отношению к вектору 0.
По своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относятся парамагнетики и диамагнетики, к сильномагнитным — ферромагнетики. Рассмотрим их свойства.
Парамагнетики.
Парамагнетики втягиваются в сильное магнитное поле. Линии индукции создаваемого ими собственного магнитного поля и намагничивающего ноля направлены одинаково, поэтому ноле усиливается. Таким образом, у парамагнетиков μ > 1. Но от единицы μ отличается крайне незначительно, всего на величину порядка 10 -5 - 10 -6. Магнитная проницаемость парамагнетиков, как показывает опыт, зависит от температуры и уменьшается при её увеличении. При не очень сильных магнитных полях μ не зависит от значения индукции намагничивающего поля.
К числу парамагнетиков относятся некоторые металлы (алюминий, натрий, калий, марганец, платина и др.), кислород и многие другие элементы, а также различные растворы электролитов. Без намагничивающего ноля парамагнетики не создают собственного магнитного ноля, т. е. постоянных парамагнетиков не бывает.
Диамагнетики.
Диамагнетики выталкиваются из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стержень возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Следовательно, линии индукции созданного им поля направлены противоположно линиям индукции намагничивающего поля, т. е. поле ослабляется. Соответственно у диамагнетиков μ < 1, причём отличается от единицы на величину порядка 10 -6. Магнитные свойства у диамагнетиков выражены слабее, чем у парамагнетиков.
К диамагнетикам относят висмут, медь, серу, ртуть, хлор, инертные газы и практически все органические соединения. Диамагнитным является, например, пламя свечи (главным образом за счёт углекислого газа).
Поэтому пламя выталкивается из магнитного поля (рис. 3.48).
Для всех диамагнитных веществ магнитная проницаемость практически не зависит от индукции намагничивающего поля. В отличие от парамагнетиков, она не зависит и от температуры. При вынесении диамагнетика из внешнего намагничивающего поля он полностью размагничивается и магнитного поля не создаёт.
Ферромагнетики.
Вещества, у которых, подобно железу, μ >> 1, называют ферромагнетиками. Кроме железа, ферромагнетиками являются кобальт и никель, а также ряд редкоземельных элементов и многие сплавы. Важнейшее свойство ферромагнетиков — существование у них остаточного магнетизма. Ферромагнитное вещество может находиться в намагниченном состоянии и без внешнего намагничивающего поля.
Все ферромагнетики при нагревании до определённой, характерной для каждого вещества температуры теряют свои ферромагнитные свойства и становятся парамагнетиками.
Температуру, при которой вещество теряет ферромагнитные свойства, называют температурой или точкой Кюри 1.
1 В 1894 г. французский физик Пьер Кюри (1859—1906) открыл это явление у железа.
При нагревании постоянного магнита выше этой температуры он перестаёт притягивать железные предметы. Температура Кюри для железа составляет 770 °C, для никеля — 365 °C, для кобальта — 1000 °C.
Кривая намагничивания.
Магнитное состояние ферромагнетика удобно характеризовать физической величиной, называемой намагниченностью J. Если длинный однородный стержень поместить внутрь соленоида, то магнитная индукция внутри его станет равной В = μB0. Разность между В и В0 может служить мерой намагничивания материала J:
J = B - B0
илиJ = (μ - 1)B0.
Если образец не был предварительно намагничен, то график зависимости J от B0 имеет вид, показанный на рисунке 3.49.
Зависимость не является линейной, поскольку для ферромагнетиков μ зависит от B0. Уже при сравнительно небольших значениях B0 наступает насыщение — намагниченность остаётся неизменной, несмотря на рост B0.
Намагниченность зависит не только от значения индукции в данный момент, но и от того, какой она была в предыдущие моменты времени. При уменьшении индукции намагничивающего поля после достижения насыщения намагниченность J уменьшается медленнее, чем происходил её рост. Это явление называют магнитным гистерезисом (от греч. hysteresis — отставание).
Общий характер зависимости J от B0 показан на рисунке 3.50.
Участок Oa представляет собой кривую намагничивания, подобную представленной на рисунке 3.49. В точке а достигается насыщение. При уменьшении значения B0 до нуля намагниченность уменьшается в соответствии с участком кривой ab. При B0 = 0 намагниченность отлична от нуля. Её значение J = Ob представляет собой остаточную намагниченность. Образец создаёт магнитное поле без внешнего намагничивающего поля. Он является, следовательно, постоянным магнитом. При увеличении магнитной индукции B0, направленной уже в противоположную сторону, намагниченность уменьшается и лишь при B0c = Oc становится равной нулю. В точке а' образец опять намагничен до насыщения, но в обратном направлении. Уменьшая индукцию магнитного поля до нуля и опять увеличивая её до достижения состояния насыщения (точка а), получают замкнутую симметричную относительно точки О кривую, называемую петлёй гистерезиса.
Отметим, что первые детальные исследования намагничивания ферромагнитных материалов были выполнены выдающимся русским учёным Александром Григорьевичем Столетовым (1839—1896). В 1872 г. им была получена и исследована кривая намагничивания железа.
Форма петли является важнейшей магнитной характеристикой материала. В этой связи различают магнитно-мягкие и магнитно-жёсткие материалы. У магнитно-мягких материалов площадь петли мала, а у магнитно-жёстких — велика. К магнитно-мягким материалам относятся некоторые сорта стали, например сплав железа с никелем (70% Ni и 30% Fe), называемый пермаллоем, и др. Их используют в качестве сердечников электромагнитов, трансформаторов и др.
К магнитно-жёстким материалам с широкой петлёй гистерезиса относятся некоторые сорта стали и многие сплавы. Они применяются для изготовления постоянных магнитов.
Строение ферромагнитных веществ.
Любой кажущийся ненамагниченным кусок ферромагнитного вещества в действительности состоит из небольших областей, намагниченных до насыщения. Эти области называют доменами. Их размеры зависят от многих причин: от химического состава вещества, его размеров и формы, дефектов кристаллической структуры, температуры и т. д. Объём домена имеет порядок 10 6 см3, а его длина может достигать 2—3 мм.
Домены — это макроскопические образования, содержащие огромное число атомов. Причина образования доменов — стремление системы к состоянию с наименьшей потенциальной энергией. При отсутствии внешнего магнитного поля векторы индукции собственных магнитных полей доменов имеют различные направления (рис. 3.51, а). В результате ферромагнетик оказывается макроскопически ненамагниченным, магнитные поля доменов компенсируют друг друга.
При внесении ферромагнетика во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов (рис. 3.51, б). Как следствие, объём доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается. В слабых магнитных полях такой рост имеет обратимый характер. В очень сильном внешнем магнитном поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает насыщение. Поэтому с увеличением индукции B0 внешнего магнитного поля магнитная индукция ферромагнетика возрастает (рис. 3.51, в).
Вопросы:
1. Какой физический смысл имеет магнитная проницаемость среды?
2. Какие вещества относят:
а) к сильномагнитным;
б) к слабомагнитным?
3. Приведите примеры:
а) парамагнетиков;
б) диамагнетиков;
в) ферромагнетиков.
4. Охарактеризуйте и сравните магнитные свойства парамагнетиков и диамагнетиков.
5. Что называют точкой Кюри?
6. Какое строение имеют ферромагнитные вещества?
Вопросы для обсуждения:
1. Существует ли остаточная намагниченность:
а) у парамагнетиков;
б) у диамагнетиков?
2. Если взять никелевую фольгу, свёрнутую в трубочку, и подвесить её вблизи сильного постоянного магнита, то фольга притянется к магниту. При поднесении к фольге зажжённой газовой горелки фольга нагреется выше температуры 360 °C, перестанет притягиваться, отойдёт от магнита и выйдет из пламени горелки. Через некоторое время фольга остынет и снова притянется к магниту.
а) В чём состоит причина колебаний никелевой фольги?
б) Будут ли продолжаться колебания фольги, если выключить горелку?
Это любопытно...
Интересные факты
Долгое время считалось, что сверхпроводник — это идеальный металл с сопротивлением, равным нулю. Однако в 1933 г. немецкие физики Вальтер Мейсснер (1882—1974) и Роберт Оксенфельд (1901 — 1993) показали, что сверхпроводник является идеальным диамагнетиком, т. е. он полностью вытесняет из своего объёма магнитное поле (рис. 3.52), независимо от пути перехода к условию T < Tc.
Эффект Мейсснера—Оксенфельда заключается в «выталкивании» сверхпроводником магнитного поля из занимаемой им части пространства. Это вызвано существованием незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное приложенному внешнему магнитному полю и компенсирующее его. При охлаждении сверхпроводника, находящегося во внешнем постоянном магнитном поле, в момент перехода в сверхпроводящее состояние магнитное поле полностью вытесняется из его объёма.
В настоящее время для демонстрации эффекта Мейсснера—Оксенфельда (рис. 3.53) можно использовать высокотемпературную сверхпроводящую керамику и магнит. Для того чтобы керамика перешла в сверхпроводящее состояние, её охлаждают с помощью жидкого азота. После этого к ней подводится ток и сверху размещают магнит. В магнитных полях с индукцией 0,001 Тл магнит смещается вверх и парит над сверхпроводником.
