Магнитное поле в веществе

Поскольку движение электронов вокруг ядра эквивалентно контуру с током, это дает ключ к пониманию магнитных свойств вещества. Каждый электрон атома своим движением вокруг ядра создает контур с током, а векторная сумма их магнитных моментов р_//; определяет магнитный момент атома. Магнитные моменты атомов ведут себя аналогично дипольным моментам диэлектрика (см. параграф 5.6): в естественном состоянии вещества их направления хаотичны, а при появлении внешнего магнитного поля они ориентируются по вектору его индукции.

В отношении магнитных свойств вещества называют магнетиками, а их магнитное состояние характеризуют намагниченностью. На рис. 6.9 в одном из сечений магнетика показаны молекулярные токи, ориентированные магнитным полем. Как видим, в объеме материала они друг друга компенсируют, что аналогично компенсации зарядов диполей, и точно так же на поверхности магнетика компенсация отсутствует: молекулярные токи как бы продолжают друг друга, образуя кольцевой ток намагничивания (идея о таких токах принадлежит Амперу). Его отличие от тока проводимости в том, что он состоит из отдельных фрагментов, в которых носители тока связаны в молекулах. Ток намагничивания создает собственное магнитное поле с индукцией В', которое по принципу суперпозиции складывается с индукцией внешнего поля. Результирующую индукцию в магнетике можно представить в виде.

где р — магнитная проницаемость вещества.

Рис. 6.9.

Магнитная проницаемость показывает, во сколько раз возрастает индукция магнитного ноля при заполнении пространства магнетиком.

Поскольку циркуляция (6.6) вектора В при тех же токах проводимости I_k зависит и от магнитных свойств вещества, здесь поступают так же, как при анализе электростатического поля при наличии диэлектрика, — вводят еще одну силовую характеристику, которая исключает влияние вещества, — вектор напряженности Н магнитного поля:

Вектор Н позволяет представить циркуляцию (6.6) в виде, зависящим уже только от токов проводимости:

Как следует из формулы (6.15), единицей измерения II является ампер на метр (А/м). Аналогом вектора Н в электростатическом поле является вектор электростатической индукции (смещения) D, поток которого также не зависит от свойств среды, а определяется только свободными зарядами.

Магнетики, атомы которых имеют собственный магнитный момент, называются парамагнетиками (кислород, оксид азота, водные растворы некоторых солей, алюминий, марганец и т. д.). Вообще говоря, магнитный момент атома определяется не только орбитальным движением электронов, но и их собственным магнитным моментом, который называется спином (см. параграф 9.9). Парамагнетики аналогичны полярным диэлектрикам.

В отличие от парамагнетика, у атомов диамагнетика сумма орбитальных и спиновых магнитных моментов равна нулю (инертные газы, ряд органических соединений, золото, медь, цинк и т. д.). Под действием внешнего магнитного ноля этот баланс нарушается, а возникшие магнитные моменты атомов ориентируются противоположно вектору В₍₎. В этом отношении диамагнетики аналогичны неполярным диэлектрикам, которые поляризуются иод действием внешнего электрического ноля, и их дипольные моменты противоположны вектору его напряженности (см. параграф 5.6). Теорию диамагнетизма разработали советские теоретики Л. Д. Ландау (1908—1968, Нобелевская премия 1962 г.) и Е. М. Лифшиц (1915—1985). В неоднородном поле диамагнетики выталкиваются из области более сильного поля, что используют, например, при решении проблем управляемого термоядерного синтеза (см. параграфы 2.5, 5.9).

На установках типа «Токамак» термоядерную плазму создают в тороиде, находящемся в сильном неоднородном магнитном поле. Оно создает вокруг тороида магнитную пробку: плазма удерживается в той области поля, где его индукция меньше. Инициаторами таких идей и конструкций были советские физики И. Е. Тамм (1895—1971), А. Д. Сахаров (1921—1989), а также американский астрофизик Л. Спитцер (1914—1997). После ряда положительных результатов, полученных в СССР, США и других странах, в настоящее время во Франции строится огромный международный термоядерный экспериментальный реактор (ИТЭР). Основные проблемы управляемого термоядерного синтеза — это неустойчивости плазмы и разрушение тороидальной оболочки.

У некоторых веществ взаимодействие соседних атомов приводит к суммированию спинов электронов в областях размером до 10 ² мм с большим собственным магнитным моментом. Эти области называют доменами. По своим свойствам ферромагнетик аналогичен сегнетоэлектрику, который также имеет домены, только не намагниченные, а поляризованные (см. параграф 5.6). Поскольку типичным представителем подобных магнетиков является железо, все они называются ферромагнетиками. Теорию ферромагнетизма разработали советские теоретики Я. И. Френкель (1894—1952), Л. Д. Ландау и Е. М. Лифшиц.

В отсутствие внешнего магнитного поля домены ферромагнетика ориентированы произвольно и намагниченность отсутствует. Во внешнем магнитном поле возрастает объем тех доменов, момент которых случайно совпал по направлению с индукцией внешнего ноля, а остальные переориентируются, подобно молекулам парамагнетика.

Ферромагнетик намагничивается весьма сильно: если у парамагнетиков р ~ 1, то у ферромагнетиков р ~ 10^,()-М0^п. В результате смещения границ между доменами и их поворота возникает сопутствующее явление — размеры ферромагнетика изменяются (сравните с пьезоэффектом). Такая деформация называется магнитострикцией. Обратный эффект состоит в том, что при деформации ферромагнетика он намагничивается (а сегнетоэлектрик поляризуется). При критической температуре Г₍., которую называют точкой Кюри, спиновые связи соседних атомов разрушаются, домены распадаются и ферромагнетик превращается в парамагнетик (фазовый переход). Для железа Т_с = 768 °C.

Зависимость намагниченности ферромагнетика от напряженности внешнего поля показана на рис. 6.10. Как видим, она нелинейна. При некоторых значениях Я намагниченность М достигает насыщения, так как несориентированных доменов не остается.

Рис. 6.10.

Если уменьшать напряженность внешнего магнитного поля, то у ферромагнетика наблюдается гистерезис: кривая размагничивания выше кривой намагничивания, и потому при Я = 0 сохраняется некоторая остаточная намагниченность М_г (см. параграф 5.6). Для ее ликвидации нужно изменить направление напряженности внешнего поля на обратное и достичь значения Н_с. Его называют коэрцитивной силой (еще одно неудачное название, так как это не сила). Петля гистерезиса такова, что при одном и том же значении Я нельзя однозначно определить намагниченность, а значит, и магнитную проницаемость ферромагнетика. Площадь петли гистерезиса пропорциональна энергии полного цикла перемагничивания, и у разных ферромагнетиков эти площади различны. Такой же гистерезис наблюдается у сегнетоэлектриков.

Вследствие больших значений р ферромагнетики многократно увеличивают магнитную индукцию, поэтому в электромагнитах применяют ферромагнитные сердечники (что предлагал еще Ампер). В неоднородном магнитном поле ферромагнетик втягивается в область более сильного поля, что используют в электромагнитных подъемных кранах, муфтах сцепления, стартерах, магнитном инструменте, зуммерах и т. д. Втягивание ферромагнитного сердечника в соленоид с током используют для измерения переменного тока и напряжения в приборах электромагнитной системы.

Электромагнит применяют, например, в реле, схема которого показана на рис. 6.11. Когда управляющий сигнал замыкает цепь питания катушки (условно — ключ К), электромагнит притягивает якорь 1, и он замыкает или размыкает один или несколько контактов 2 — в комбинациях, которые.

Рис. 6.11.

позволяют получить тот или иной суммарный эффект в коммутируемых цепях. После отключения управляющего напряжения пружина 3 возвращает якорь в исходное положение.

Одна из задач реле — преобразовать слаботочный сигнал датчика в сильноточные сигналы, управляющие исполнительными механизмами (термин «реле» возник от англ, relay, означающего смену уставших почтовых лошадей или передачу эстафеты спортсменом). Нагрузками реле служат нагреватели, электродвигатели, лампы накаливания и т. д. (раньше их широко применяли и в цифровых вычислительных машинах). К электромагнитным реле относится и герметичный магнитоуправляемый контакт (геркон) — пара упругих ферромагнитных пластин, запаянных в герметичную стеклянную колбу. Оказавшись в магнитном поле, они замыкаются.

Примеры практики Некоторые взрыватели также можно рассматривать как вариант электромагнитного реле. Магнитное поле Земли весьма слабо (II ~ 40 А/м), но играет важную роль (его изучают в лабораторном практикуме). Его достаточно, чтобы, например, ориентировать стрелку компаса по магнитному меридиану. Поскольку ферромагнетик его концентрирует и усиливает, стрелка компаса вблизи него отклоняется, что мешает навигации. Точно так же реагирует поворотный механизм магнитной мины на массивный корабль. Такая мина, в отличие от якорной, незаметно лежит на дне, не поддаваясь обычному тралению. Это обнаружилось летом 1941 г.: с промежутком в два часа в устье Финского залива подорвался эсминец «Гневный», а затем и крейсер «Максим Горький». Советские физики под руководством А. II. Александрова (1903—1994) и Б. А. Гаева (1905—1974) нашли способ размагничивания корпуса корабля с помощью специальных обмоток, через которые пропускали постоянный ток. Такая система компенсировала магнитное поля корабля и хорошо себя зарекомендовала на практике. Масса танка много меньше, чем корабля, но и его магнитное поле способно дистанционно подорвать мину.

Поскольку ферромагнетик концентрирует в себе магнитное поле, его используют как магиитопровод в трасформаторах, якорях генераторов и других индукционных приборах, где он работает в режиме частого перемагничивания. Поскольку оно является не целью, а средством передачи магнитного потока, потери энергии на само псремагничиванис должны быть минимальны, т. е. петля гистерезиса должна быть как можно уже. Такие ферромагнетики называются магнитно-мягкими. К ним относится, например, трасформаторное железо (сплав железа с кремнием), аморфные ферромагнетики (металлические стекла) и т. д.

Наличие у ферромагнетиков «памяти» пребывания в магнитном поле в виде остаточного намагничивания М, используют для изготовления постоянных магнитов, которые должны иметь большие значения М_г и Н_с. Такие магнитно-жесткие материалы делают из сплавов на основе Fe, Со, Ni, А1. Их широко применяют в электротехнике, радиотехнике и автоматике — для создания магнитного поля в воздушных зазорах измерительных приборов, электрогенераторов, электродвигателей и т. д. На транспорте, например, на их основе создают магнитную подвеску. Отсутствие контакта с рельсами обеспечивает таким поездам меньшие затраты энергии, высокую скорость (> 500 км/ч) и отсутствие шума.

• 1. Если пленку с ферромагнитным порошком протягивать сквозь область переменного магнитного поля, то зерна порошка «запоминают», в поле какой индукции они побывали. Если затем протягивать ту же пленку через устройство, реагирующее на намагничение зерен, то можно восстановить исходные сигналы. Это используют в магнитофонах, видеомагнитофонах, устройствах памяти ЭВМ и т. д. Поскольку для таких устройств весьма важны быстродействие и разрешающая способность в отношении сигнала, частицы ферромагнитных порошков на пленке имеют размеры порядка одного домена (0,1 — 1 мкм). С помощью спекания или прессовки из таких порошков изготавливают также ферриты, в которых устранены потери энергии, возникающие из-за индукционных токов.
• 2. Получила применение и магнитострикция. Магнитострикционный излучатель преобразует переменный ток обмотки в механические колебания сердечника. Они служат источниками ультразвука, применяемого в технологиях, гидроакустике и т. д. Магнитострикционный приемник действует наоборот: полученные из окружающей среды ультразвуковые колебания сердечника приводят к его переменному намагничиванию и, следовательно, к переменному индукционному току в обмотке. Такие устройства применяют в качестве датчиков давлений, деформаций деталей машин и т. д.