Закон Ампера. Закон БиоСавараЛапласа. Магнитная индукция прямого и кругового тока

• Название: Закон Ампера. Закон БиоСавараЛапласа. Магнитная индукция прямого и кругового тока
• Анкор: shpora.doc
• Дата: 27.02.2017
• Размер: 2.54 Mb.
• Имя файла: shpora.doc
• Тип: Закон; #3177
• страница: 5 из 12

§ 132. Диа- и парамагнетизм

Всякое вещество является магнетиком, т. е. оно способно под действием магнитно­го поля приобретать магнитный момент (намагничиваться). Для понимания меха­низма этого явления необходимо рассмот­реть действие магнитного поля на движу­щиеся в атоме электроны.

Ради простоты предположим, что элек­трон в атоме движется по круговой орби­те. Если орбита электрона ориентирована относительно вектора В произвольным об­разом, составляя с ним угол а (рис. 188), то можно доказать, что она приходит в та­кое движение вокруг В, при котором век­тор магнитного момента р_m, сохраняя по­стоянным угол а, вращается вокруг направления В с некоторой угловой скоро­стью. Такое движение в механике на­зывается прецессией. Прецессию вокруг вертикальной оси, проходящей через точку опоры, совершает, например, диск волчка при замедлении движения.

Таким образом, электронные орбиты атома под действием внешнего магнитного поля совершают прецессионное движе­ние, которое эквивалентно круговому то­ку. Так как этот микроток индуцирован внешним магнитным полем, то, согласно правилу Ленца, у атома появляется со­ставляющая магнитного поля, направлен­ная противоположно внешнему полю. На­веденные составляющие магнитных полей атомов (молекул) складываются и обра­зуют собственное магнитное поле вещест­ва, ослабляющее внешнее магнитное по­ле. Этот эффект получил название диа­магнитного эффекта, а вещества, на­магничивающиеся во внешнем магнитном поле против направления поля, называют­ся диамагнетиками.В отсутствие внешнего магнитного по­ля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты элек­тронов взаимно компенсируются, и сум­марный магнитный момент атома (он ра­вен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) составляющих атом электронов) равен нулю. К диамагнетикам относятся многие металлы (на­пример, Bi, Ag, Au, Cu), большинство органических соединений, смолы, углерод и т. д.Так как диамагнитный эффект обус­ловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойствен всем веществам. Однако наряду с диамагнитными ве­ществами существуют и парамагнитные — вещества, намагничивающиеся во внеш­нем магнитном поле по направлению поля.У парамагнитных веществ при отсутст­вии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнети­ков всегда обладают магнитным момен­том. Однако вследствие теплового движе­ния молекул их магнитные моменты ори­ентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свой­ствами не обладают. При внесении пара­магнетика во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ори­ентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов). Таким обра­зом, парамагнетик намагничивается, со­здавая собственное магнитное поле, со­впадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослабле­нии внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследст­вие теплового движения нарушается и па­рамагнетик размагничивается. К парамаг­нетикам относятся редкоземельные эле­менты, Pt, Al и т. д. Диамагнитный эффект наблюдается и в парамагнетиках, но он значительно слабее парамагнитного и по­этому остается незаметным.Из рассмотрения явления парамагне­тизма следует, что его объяснение совпа­дает с объяснением ориентационной (дипольной) поляризации диэлектриков с по­лярными молекулами (см. §87), только электрический момент атомов в случае поляризации надо заменить магнитным моментом атомов в случае намагничения.Подводя итог качественному рассмот­рению диа- и парамагнетизма, еще раз отметим, что атомы всех веществ являют­ся носителями диамагнитных свойств. Ес­ли магнитный момент атомов велик, то парамагнитные свойства преобладают над диамагнитными и вещество является па­рамагнетиком; если магнитный момент атомов мал, то преобладают диамагнит­ные свойства и вещество является диамагнетиком.

§ 133. Намагниченность. Магнитное поле в веществеПодобно тому, как для количественного описания поляризации диэлектриков вво­дилась поляризованность (см. §88), для количественного описания намагничения магнетиков вводят векторную величину — намагниченность, определяемую магнит­ным моментом единицы объема магнетика:J=p_m/V=p_a/V,где p_m=р_а— магнитный момент маг-нетика, представляющий собой векторную сумму магнитных моментов отдельных мо­лекул (см. (131.6)).Рассматривая характеристики магнит­ного поля (см. §109), мы вводили вектор магнитной индукции В, характеризующий результирующее магнитное поле, создава­емое всеми макро- и микротоками, и век­тор напряженности Н, характеризующий магнитное поле макротоков. Следователь­но, магнитное поле в веществе складыва­ется их двух полей: внешнего поля, со­здаваемого током, и поля, создаваемого намагниченным веществом. Тогда вектор магнитной индукции результирующего магнитного поля в магнетике равен век­торной сумме магнитных индукций внеш­него поля В₀ (поля, создаваемого намаг­ничивающим током в вакууме) и поля микротоков В' (поля, создаваемого моле­кулярными токами):В = В₀+В', (133.1)

где В₀=₀Н (см. (109.3)).

Для описания поля, создаваемого мо­лекулярными токами, рассмотрим магнетик в виде кругового цилиндра сечения S и длины l, внесенного в однородное внешнее магнитное поле с индукцией Во. Возникающее в магнетике магнитное поле молекулярных токов будет направлено противоположно внешнему полю для диамагнетиков и совпадать с ним по направ­лению для парамагнетиков. Плоскости всех молекулярных токов расположатся перпендикулярно вектору Во, так как век­торы их магнитных моментов р_m антипараллельны вектору В₀ (для диамагнетиков) и параллельны Во (для парамагнети­ков). Если рассмотреть любое сечение цилиндра, перпендикулярное его оси, то во внутренних участках сечения магнетика молекулярные токи соседних атомов на­правлены навстречу друг другу и взаимно компенсируются (рис. 189). Нескомпенси­рованными будут лишь молекулярные то­ки, выходящие на боковую поверхность цилиндра.Ток, текущий по боковой поверхности цилиндра, подобен току в соленоиде и со­здает внутри него поле, магнитную индукцию В' которого можно вычислить, учиты­вая формулу (119.2) для N=1 (соленоид из одного витка):В' = ₀I'/l(133.2)где I' — сила молекулярного тока, l — длина рассматриваемого цилиндра, а маг­нитная проницаемость  принята равной единице.С другой стороны, I'/l — ток, приходя­щийся на единицу длины цилиндра, или его линейная плотность, поэтому магнит­ный момент этого тока p=I'lS/l=I'V/l, где V — объем магнетика. Если Р — маг­нитный момент магнетика объемом V, то P/V — намагниченность магнетика J. Та­ким образом,J= I'/l. (133.3)Сопоставляя (133.2) и (133.3), полу­чим, что B'=₀J, или в векторной форме B'=₀J. Подставив выражения для В₀ и В' в (133.1), получим В =₀Н+₀J, (133.4) или B/₀=H+J. (133.5) Как показывает опыт, в несильных по­лях намагниченность прямо пропорцио­нальна напряженности поля, вызывающе­го намагничение, т. е. J=H, (133.6)где  — безразмерная величина, называе­мая магнитной восприимчивостью вещества. Для диамагнетиков  отрицательна (поле молекулярных токов противополож­но внешнему), для парамагнетиков — по­ложительна (поле молекулярных токов со­впадает с внешним). Используя формулу (133.6), выраже­ние (133.4) можно записать в виде В = ₀(1+)Н, (133.7) откуда Н=B/₀(1+).Безразмерная величина =1+ (133.8) представляет собой магнитную проницае­мость вещества. Подставив (133.8) в (133.7), придем к соотношению (109.3) В=₀Н, которое ранее постулировалось.Так как абсолютное значение магнит­ной восприимчивости для диа- и парамаг­нетиков очень мало (порядка 10^-4— 10^-6), то для них  незначительно отлича­ется от единицы. Это просто понять, так как магнитное поле молекулярных токов значительно слабее намагничивающего поля. Таким образом, для диамагнетиков <0 и <1, для парамагнетиков >0 и >1.

Закон полного тока для магнитного поля в веществе (теорема о циркуляции вектора В) является обобщением закона (118.1): где I и I' — соответственно алгебраиче­ские суммы макротоков (токов прово­димости) и микротоков (молекулярных токов), охватываемых произвольным за­мкнутым контуром L. Таким образом, цир­куляция вектора магнитной индукции В по произвольному замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов проводимости и молекулярных токов, охватываемых этим контуром, умноженной на магнитную постоянную. Вектор В, таким образом, характеризует результирующее поле, созданное как макроскопическими токами в проводниках (токами проводимости), так и микроскопическими токами в магнетиках, поэтому линии вектора магнитной индукции В не имеют источников и явля­ются замкнутыми.Можно доказать, что циркуляция на­магниченности J по произвольному зам­кнутому контуру L равна алгебраической сумме молекулярных токов, охватываемых этим контуром: Тогда закон полного тка для магнитного поля в веществе можно записать также в вид где I, подчеркнем это еще раз, есть алгеб­раическая сумма токов проводимости. Выражение, стоящее в скобках в (133.9), согласно (133.5), есть не что иное, как введенный ранее вектор Н на­пряженности магнитного ноля. Итак, цир­куляция вектора Н по произвольному за­мкнутому контуру Lравна алгебраической сумме токов проводимости, охватывае­мых этим контуром:

Выражение (133.10) представляет собой теорему о циркуляции вектора Н.

§ 134. Условия на границе раздела двух магнетиков

Рассмотрим условия для векторов В и Н на границе раздела двух однород­ных магнетиков (магнитные проницаемо­сти ₁ и ₂) при отсутствии на границе тока проводимости.Построим вблизи границы раздела магнетиков 1 и 2 прямой цилиндр ничтож­но малой высоты, одно основание которого находится в первом магнетике, другое — во втором (рис. 190). Основания S на­столько малы, что в пределах каждого из них вектор В одинаков. Согласно теореме Гаусса (120.3),B_2nS-B_1nS=0(нормали n и n' к основаниям цилиндра направлены противоположно). ПоэтомуВ_1n=В_2n. (134.1) Заменив, согласно В=(₀Н, проекции вектора В проекциями вектора Н, умно­женными на ₀ получим H_n1/H_n2=₂/₁. (134.2) Вблизи границы раздела двух магне­тиков 1 и 2 построим небольшой замкну­тый прямоугольный контур ABCDAдли­ной l, ориентировав его так, как показано на рис.191. Согласно теореме (133.10) о циркуляции вектора Н, (токов проводимости на границе раздела нет), откуда

H_2l-H_1l=0 (знаки интегралов по ABи CDразные, так как пути интегрирования противополож­ны, а интегралы по участкам ВС и DAничтожно малы). Поэтому H_1=H_2. (134.3)Заменив, согласно B=₀H, проекции вектора Н проекциями вектора В, делен­ными на ₀, получим B_1/B_2=₁/₂. (134.4) Таким образом, при переходе через границу раздела двух магнетиков нор­мальная составляющая вектора В (В_n) и тангенциальная составляющая вектора Н (H_) изменяются непрерывно (не пре­терпевают скачка), а тангенциальная со­ставляющая вектора В (В_)и нормальная составляющая вектора Н (H_n) претерпева­ют скачок. Из полученных условий (134.1) — (134.4) для составляющих векторов В и Н следует, что линии этих векторов испытывают излом (преломляются). Как и в случае диэлектриков (см. §90), можно найти закон преломления линий В (а зна­чит, и линий Н): tg₂/tg₁=₂/₁. (предоставим это сделать по аналогии (см. §90) читателю). Из этой формулы следует, что, входя в магнетик с большей магнитной проницаемостью, линии В и Н удаляются от нормали.

135. Ферромагнетики и их свойства

Помимо рассмотренных двух классов ве­ществ — диа- и парамагнетиков, называе­мых слабомагнитными веществами, су­ществуют еще сильномагнитные вещест­ва — ферромагнетики — вещества, обла­дающие спонтанной намагниченностью, т. е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля. К ферромагне­тикам кроме основного их представите­ля — железа (от него и идет название «ферромагнетизм») — относятся, напри­мер, кобальт, никель, гадолиний, их спла­вы и соединения. Ферромагнетики помимо способности сильно намагничиваться обладают еще и другими свойствами, существенно отли­чающими их от диа- и парамагнетиков. Если для слабомагнитных веществ зависи­мость J от Н линейна (см. (133.6) и рис. 192), то для ферромагнетиков эта зависимость, впервые изученная в 1878 г. методом баллистического галь­ванометра для железа русским физиком А. Г. Столетовым (1839—1896), является довольно сложной. По мере возрастания Н намагниченность J сначала растет быст­ро, затем медленнее и, наконец, достигает­ся так называемое магнитное насыщение J_нас, уже не зависящее от напряженности поля. Подобный характер зависимости J от H можно объяснить тем, что по мере увеличения намагничивающего поля уве­личивается степень ориентации молеку­лярных магнитных моментов по полю, од­нако этот процесс начнет замедляться, когда остается все меньше и меньше нео­риентированных моментов, и, наконец, когда все моменты будут ориентированы по полю, дальнейшее увеличение J пре­кращается и наступает магнитное насы­щение. Магнитная индукция В=₀(H+J) (см. (133.4)) в слабых полях растет быст­ро с ростом Н вследствие увеличения J, а в сильных полях, поскольку второе сла­гаемое постоянно (J=J_нас), В растет с увеличением Н по линейному закону (рис. 193). Существенная особенность ферромаг­нетиков — не только большие значения  (например, для железа — 5000, для спла­ва супермаллоя — 800 000!), но и зависи­мость  от Н (рис. 194). Вначале  растет с увеличением Н, затем, достигая макси­мума, начинает уменьшаться, стремясь в случае сильных полей к 1 (=В/(₀Н)=1+J/Н, поэтому при J=J_нас=const с ростом Н отношение J/H->0, а .->1). Характерная особенность ферромагне­тиков состоит также в том, что для них зависимость J от H (а следовательно, и В от Н) определяется предысторией на­магничения ферромагнетика. Это явле­ние получило название магнитного гисте­резиса. Если намагнитить ферромагнетик до насыщения (точка 1, рис. 195), а за­тем начать уменьшать напряженность Н намагничивающего поля, то, как по­казывает опыт, уменьшение J описывает­ся кривой 1—2, лежащей выше кривой 1—0. При H=0 Jотличается от нуля, т. е. в ферромагнетике наблюдается оста­точное намагничение J_oc. С наличием оста­точного намагничения связано существо­вание постоянных магнитов. Намагничение обращается в нуль под действием поля Н_C, имеющего направление, противо­положное полю, вызвавшему намагниче­ние.

Напряженность H_C называется ко­эрцитивной силой.

При дальнейшем увеличении проти­воположного поля ферромагнетик перемагничивается (кривая 3—4), и при H=-H_нас достигается насыщение (точ­ка 4). Затем ферромагнетик можно опять размагнитить (кривая 4—5—6) и вновь перемагнитить до насыщения (кривая 6-1). Таким образом, при действии на фер­ромагнетик переменного магнитного поля намагниченность J изменяется в соответ­ствии с кривой 1—2—3—4—5—6—1, кото­рая называется петлей гистерезиса (от греч. «запаздывание»). Гистерезис приво­дит к тому, что намагничение ферромагне­тика не является однозначной функцией H, т. е. одному и тому же значению H со­ответствует несколько значений J. Различные ферромагнетики дают раз­ные гистерезисные петли. Ферромагнетики с малой (в пределах от нескольких тысяч­ных до 1—2 А/см) коэрцитивной силой H_C (с узкой петлей гистерезиса) называ­ются мягкими, с большой (от нескольких десятков до нескольких тысяч ампер на сантиметр) коэрцитивной силой (с широ­кой петлей гистерезиса) — жесткими. Ве­личины H_C, J_ос и _max определяют применимость ферромагнетиков для тех или иных практических целей. Так, жесткие ферромагнетики (например, углеродистые и вольфрамовые стали) применяются для изготовления постоянных магнитов, а мяг­кие (например, мягкое железо, сплав же­леза с никелем) —для изготовления сер­дечников трансформаторов. Ферромагнетики обладают еще одной существенной особенностью: для каждого ферромагнетика имеется определенная температура, называемая точкой Кюри, при которой он теряет свои магнитные свойства. При нагревании образца выше точки Кюри ферромагнетик превращается в обычный парамагнетик. Переход вещест­ва из ферромагнитного состояния в пара­магнитное, происходящий в точке Кюри, не сопровождается поглощением или выделением теплоты, т. е. в точке Кюри про­исходит фазовый переход II рода (см. §75).

Наконец, процесс намагничения фер­ромагнетиков сопровождается изменени­ем его линейных размеров и объема. Это явление получило название магнитострик­ции. Величина и знак эффекта зависят от напряженности Я намагничивающего по­ля, от природы ферромагнетика и ориента­ции кристаллографических осей по отно­шению к полю.

№ 8. Модель атома Томсона. Опыты Резерфорда по рассеянию альфа-частиц. Ядерная модель атома. Постулаты Бора. Атом водорода по Бору. Сериальная формула.