Магнитное поле: Часть 3

Часть III: Постоянные магниты. Гипотеза Ампера.

Обсудим строение постоянных магнитов. Ясно, что создание ими магнитных полей связано со строением магнитных материалов. Молекулы, входящие в состав материала, в целом нейтральны, но состоят из заряженных частиц (ядер и электронов), которые движутся относительно друг друга. Таким образом, в каждом материале существуют «элементарные токи», каждый из которых является источником магнитного поля. Но при обычных температурах в отсутствие внешних магнитных полей, в каждой точке пространства вектора магнитной индукции от разных элементарных токов направлены случайным образом, и в среднем компенсируют друг друга. Даже если между носителями этих токов есть взаимодействия, которые способствуют их упорядочению, оно разрушается тепловым движением. При помещении материала в достаточно сильное внешнее магнитное поле, благодаря действию этого поля возникает устойчивое упорядочивание элементарных токов, и сумма полей, созданных этими токами, становится ненулевой - материал создает свое собственное поле, изменяющее внешнее магнитное поле. Именно такую гипотезу о природе магнитных материалов предложил в свое время Анри Ампер, и на ее базе еще в XIX веке было построено правдоподобное описание свойств магнетиков. Сейчас мы знаем, что реальность несколько сложнее. Дело в том, что частицы микромира - электроны и ядра создают магнитные поля не только при движении. Они обладают «собственным» магнетизмом, связанным с наличием у этих частиц спина (о спине и спиновом магнетизме можно узнать из курса «Атомная и ядерная физика»). Но в остальном картина, предложенная в гипотезе Ампера, точна - магнитные поля от микроскопических источников дают ненулевые «макроскопические» поля, если эти источники упорядочиваются - за счет внешнего поля или за счет взаимодействий между микрочастицами. При этом есть вещества, у которых эти взаимодействия приводят к возникновению «спонтанной» намагниченности при любой температуре, ниже некоторой. Есть также материалы, у которых группы элементарных источников упорядочиваются сами и создают «домены» спонтанной намагниченности даже при достаточно высокой температуре. Поля этих доменов гораздо сильнее, чем создаваемые отдельными атомами, и если внешнее поле за счет дополнительного упорядочивания «объединит» многие домены, то создаваемое ими поле может оказаться намного сильнее, чем само внешнее поле! Отметим, что с точки зрения гипотезы Ампера источниками всех магнитных полей (в том числе и полей постоянных магнитов) можно считать электрические токи. Поэтому в дальнейшем мы будем в основном именно магнитные поля, созданные замкнутыми контурами с током.

Разнообразие магнитных материалов довольно велико. В «школьной» физике рассматривают однородные изотропные магнетики, характеризуя их величиной магнитной проницаемости \mu , которая показывает, во сколько раз присутствие материала изменяет величину индукции по сравнению с полем в вакууме - при тех же токах, создающих это магнитное поле. Тогда в наших формулах для описания поля в среде заменяют \mu_{0} на \mu_{0} \mu . Отметим, что магнитная проницаемость веществ может изменяться в очень широких пределах: она может быть меньше 1 (вещество ослабляет поле, то есть уменьшает магнитную индукцию - такие вещества называют диамагнетиками), она может быть больше 1, но по порядку величины оставаться близкой к 1 (парамагнетики - вещества, присутствие которых немного увеличивает магнитную индукцию), может быть и значительно больше 1 (самыми яркими представителями веществ, заметно усиливающих поле за счет собственной намагниченности, являются ферромагнетики, среди которых есть железо и его соединения). Именно эти типы магнетиков изучают в школьном курсе.

Вычислите индукцию магнитного поля внутри соленоида длиной 40 см, на поверхность которого равномерно намотано 2000 витков провода. Сердечник соленоида изготовлен из железа с магнитной проницаемостью \mu = 500 . Сила тока в проводе равна 10 А . Запишите ответ в Тл с точностью до десятых.