Намагниченность материалов. Виды и свойства магнетиков.

Часть I: Магнитная проницаемость и классификация магнетиков. Каждая молекула и каждый атом вещества обладает магнитными свойствами – и из-за движения внутренних зарядов (главным образом электронов), и из-за того что электроны и ядра сами являются «элементарными магнитами». В обоих случаях это можно описать, считая, что каждая частица вещества является элементарным магнитным диполем. Наличие магнитных моментов у атомов, молекул и микроскопических «кусочков» вещества приводит к эффекту намагничивания вещества во внешнем магнитном поле. В отсутствие внешнего поля ориентация «элементарных» магнитных моментов случайна и хаотически изменяется со временем из-за теплового движения. Поэтому их суммарное поле в веществе оказывается очень слабым, и почти не влияет на свойства вещества. Когда внешнее поле включено, оно ориентирует магнитны моменты элементарных диполей, и в результате их суммарное поле отличается от нуля, и изменяет само внешнее поле, вызвавшее намагничивание. Если это изменение пренебрежимо мало, то такое вещество называют немагнитным. При существенном влиянии намагничивания на индукцию наблюдаемого магнитного поля в веществе, это вещество называют магнетиком (магнитным материалом) . Количественное описание намагниченности вещества обычно связывают с появлением у «малого», но все же макроскопического (то есть содержащего очень много атомов) кусочка вещества с объемом $\Delta V$ ненулевого магнитного момента (являющегося, разумеется, суммой магнитных моментов отдельных атомов) $\Delta \vec{M} = \sum_i \vec{m}_i$. Плотность магнитного момента $\frac{\Delta \vec{M}}{\Delta V}$ и является естественной мерой намагниченности вещества. Если магнетик является изотропным (то есть он сам не создает каких-либо «выделенных» направлений в пространстве), то в отсутствие внешнего поля намагниченность в среднем отсутствует, а когда внешнее поле включено – направлена вдоль него: $\frac{\Delta \vec{M}}{\Delta V} \sim \vec{B}_{ex}$. Довольно часто (особенно если внешние магнитные поля намного слабее внутриатомных) связь намагниченности и магнитной индукцией внешнего поля оказывается линейной (тогда магнетик тоже называют «линейным»), и, с учетом того, что индукция создаваемого за счет намагниченности «дополнительного» поля пропорциональна намагниченности, мы понимаем, что в этом случае (изотропного линейного магнетика) индукция полного поля тоже пропорциональна индукции внешнего поля (то есть того, которое мы бы наблюдали без магнетика): $\vec{B} = \vec{B}_{ex} + \vec{B}_{магн} = \mu \cdot \vec{B}_{ex}$. Тогда появившийся здесь коэффициент является характеристикой магнетика. Мы с ним познакомились в лекции 1, когда для описания способности магнетика изменять внешнее поле за счет внутренней намагниченности ввелит специальную характеристику магнитных материалов – относительную магнитную проницаемость $\mu$. По сути, она указывает нам, во сколько магнитная индукция поля в магнетике отличается от индукции поля без магнетика при тех же «внешних источниках» поля. При этом в формулах, описывающих создание магнитного поля (например, в законе Био-Савара-Лапласа) для учета влияния намагниченности заменяют магнитную постоянную $\mu_0$ на $\mu_0 \cdot \mu$.