Магнитные свойства вещества это движение электронов по орбите в атоме может рассматриваться как некоторый микроток. Можно считать, что спин электрона, равно как и поворот плоскости орбиты электрона по отношению к ядру, также эквивалентен некоторому микротоку. Все эти микротоки создают свои магнитные микрополя, которые, суммируясь, образуют собственное элементарное магнитное поле атома.
Что такое магнитные свойства вещества
В некоторых случаях (при определенных числах электронов в атоме и соответствующих ориентировках их движения) отдельные микрополя в атоме могут взаимно компенсироваться и тогда атом собственного элементарного магнитного поля не образует.
Вещества, атомы которых имеют собственное элементарное магнитное поле (рис. 247, а), называются парамагнитными (или парамагнетиками).
Вещества, атомы которых собственного элементарного магнитного поля не имеют (рис. 247, б), называются диамагнитными (или диамагнетиками).
Тела состоящие как из диа-, так и парамагнитных веществ, немагнитны. Они собственного магнитного поля не образуют, так как в первом случае у атомов элементарные магнитные поля вообще отсутствуют, а во втором случае элементарные поля атомов имеют в массе вещества беспорядочную пространственную ориентировку, которая в процессе теплового движения все время меняется и поэтому они взаимно компенсируются.
Диамагнитные вещества
Диамагнетизм это универсальное явление, оно свойственно и парамагнетикам. Однако в последних внешнее магнитное поле вызывает одновременно также и другой эффект, называемый парамагнетизмом.
При этом ориентировка микротоков, в результате которой в атомах парамагнетиков создается собственное элементарное магнитное поле, изменяется так, что эти поля принимают направление, согласное с внешним полем.
Суммируясь, они образуют собственное магнитное поле вещества, которое направлено согласно с внешним полем и его усиливает (рис. 274, в). Этот эффект называется парамагнетизмом, причем у парамагнитных веществ он значительно сильнее диамагнитного эффекта, в связи с чем внешне только он и проявляется.
Если диамагнитное вещество поместить во внешнее магнитное поле, то на микротоки в его атомах со стороны поля будут действовать силы Лоренца, которые вызовут изменение пространственной ориентировки орбит электронов. В связи с этим (подробно этот вопрос здесь рассматривать не будем) у атомов появятся наведенные элементарные магнитные поля, направление которых обратно внешнему полю (правило Ленца).
В результате сложения этих элементарных полей образуется собственное магнитное поле вещества, направленное навстречу внешнего поля и его ослабляющее (рис. 247, г). На рисунке силовые линии обозначены: для внешнего поля — сплошным и для собственного поля вещества — пунктиром. Этот эффект называется диамагнетизмом и у диамагнетиков является единственным результатом действия внешнего поля.
Диамагнитные вещества
Если диамагнитное тело поднести к полюсам магнита, оно отталкивается (рис. 248, а), а будучи свободно подвешено, устанавливается перпендикулярно силовым линиям поля магнита. К диамагнитным телам относятся: вода, большая часть органических соединений (например, углеводы и белки), а также некоторые металлы (висмут, серебро, цинк и др.).
Если парамагнитное тело поднести к полюсам магнита, оно притягивается (рис. 248,б), а будучи свободно подвешено, устанавливается вдоль силовых линий поля магнита. К парамагнитным телам относятся газы, щелочные и щелочноземельные металлы и др.
Образование под действием внешнего поля собственного поля в веществе называется его намагничиванием. При намагничивании у большей части веществ собственное поле прямо пропорционально напряженности намагничивающего поля, а при прекращении его действия вещество возвращается в исходное немагнитное состояние (см. рис. 247, а и б). Способность к намагничиванию у различных веществ отличается, однако у большинства как диамагнитных, так и парамагнитных тел она настолько мала, что практического значения не имеет.
Ферромагнетики
Особую группу составляют ферромагнетики (рис. 249, а). Они намагничиваются в сотни и тысячи раз сильнее парамагнетиков (рис. 249,б) и сохраняют собственное магнитное поле и после прекращения действия намагничивающего поля (рис. 249, в). Это явление называется остаточным намагничиванием и лежит в основе образования естественных или искусственных магнитов (в частности, и магнитных стрелок).
Кроме того, для них характерно явление магнитного насыщения, которое заключается в том, что при их намагничивании и постепенном увеличении напряженности внешнего поля собственное поле вещества сначала нарастает пропорционально внешнему, затем эта пропорциональность нарушается и, наконец, нарастание собственного поля прекращается: вещество находится в состоянии магнитного насыщения.
Свойства ферромагнетиков связаны с наличием в их природной структуре групп атомов, называемых доменами, которые уже имеют согласную ориентировку элементарных магнитных полей. Происходящая при намагничивании ориентировка полей самих доменов создает собственное поле вещества значительно более сильное, чем у прочих парамагнетиков, в которых происходит только частичная ориентировка элементарных полей атомов вещества. Ориентировка полей доменов в значительной мере сохраняется и после прекращения действия внешнего поля.
Такова природа остаточного намагничивания. Однако интенсивное тепловое движение может разрушить эту ориентировку, поэтому при высокой температуре ферромагнитные вещества теряют свои магнитные свойства. Состояние магнитного насыщения соответствует, по-видимому, наиболее полной возможной ориентировке полей доменов. К ферромагнетикам относятся железо, сталь, никель, кобальт и различные специальные сплавы.
Расчеты магнитных свойств веществ
Таким образом, магнитное поле, образующееся в веществе, представляет собой результат сложения двух полей: внешнего поля, создаваемого намагничивающим током (такое же поле образуется этим током и в вакууме), и собственного поля вещества, возникающего в результате намагничивания. Тогда магнитную индукцию В поля в веществе можно выразить как алгебраическую сумму индукции Вн намагничивающего поля (или индукции Вс поля, образуемого намагничивающим током в вакууме) и индукции Вс собственного поля вещества:
В = Вн + Вс = В0 + Вс = μ В0,
где μ = В/В0, есть величина, показывающая, в каком соотношении находится индукция поля, образованного в данном веществе с индукцией поля, возникающего в аналогичных условиях в вакууме. Эта величина называется относительной магнитной проницаемостью вещества и характеризует его способность к намагничиванию.
Принимая во внимание приведенное выше соотношение между магнитной индукцией В0 и напряженность поля Н0 в вакууме, можно указать аналогичное соотношение между магнитной индукцией В поля в веществе и напряженностью Н0 намагничивающего поля.
В системе СГС:
В = μН0
и в системе СИ :
В = μ0μН 0.
Относительная магнитная проницаемость μ, как это следует из вышеизложенного, у диамагнетиков меньше единицы, хотя и близка к ней μд ≤1, у парамагнетиков — больше единицы μп ≥ 1 и у ферромагнетиков значительно больше единицы(может доходить до десятков тысяч, причем в связи с явлением магнитного насыщения величина ее зависит от напряженности поля, вызывающего намагничивание)
Относительная магнитная проницаемость для некоторых веществ (для ферромагнитных — в области, далекой от насыщения) приведена в таблице.
| Диамагнитные | Парамагнитные | Ферромагнитные |
| Вода 0,999991 | Воздух 1,000004 | Никель 40—50 |
| Стекло 0,999987 | Эбонит 1,000014 | Кобальт 80—100 |
| Висмут 0,999824 | Платина 1,000360 | Железо 5000—10 000 |
| Сталь и сплавы
10 000—20 000 |
Статья на тему Магнитные свойства вещества