7.1. Магнетики

В присутствии магнетика вектор магнитной индукции  равен сумме векторов магнитной индукции внешнего магнитного поля , создаваемого независимыми от магнетика токами, и магнитной индукции собственного поля магнетика  

Поле , создаваемое намагниченным магнетиком, разумеется, зависит от того, как намагничен магнетик, а намагничивается он суммарным полем , поэтому  само является функцией : . Исключением в этом смысле может быть постоянный магнит, намагниченность которого не зависит, или практически не зависит от наличия или отсутствия внешнего магнитного поля, в частности, такое вещество, которое может оставаться намагниченным и в отсутствие внешнего — намагничивающего — поля.  

Далее будет показано, что если магнитное поле вне магнетика параллельно его поверхности, то поле  связано с магнитной индукцией  в вакууме (то есть в отсутствие магнетика) соотношением

Безразмерная величина m называется магнитной проницаемостью. Все магнетики, в зависимости от характера влияния их собственного поля на суммарное магнитное поле, можно разделить на три группы:

• парамагнетики, у которых m > 1, то есть вектор магнитной индукции собственного магнитного поля  направлен в ту же сторону, что и вектор внешнего магнитного поля ;
• диамагнетики, у которых m < 1, то есть векторы  и    направлены в противоположные стороны;
• ферромагнетики, это парамагнетики, у которых m >> 1.

 В парамагнитных телах собственное поле  увеличивает магнитный поток и, следовательно, парамагнитные тела притягиваются к магниту. В отличие от парамагнитных тел диамагнитные тела уменьшают магнитный поток. Это означает, как уже было сказано, что в диамагнитном теле под действием внешнего поля возникает собственное магнитное поле противоположное направлению внешнего магнитного поля. Следовательно, диамагнитные тела своим собственным магнитным полем отталкиваются от магнита. 

Видео 7.1. Поведение пара- и диамагнетиков в неоднородном магнитном поле.

Как показывает опыт, вектор магнитной индукции собственного поля пара- и диамагнетика пропорционален вектору магнитной индукции внешнего поля B₀

Безразмерный коэффициент пропорциональности c_m называется магнитной восприимчивостью вещества и является безразмерной величиной. У диамагнитных веществ магнитная восприимчивость является отрицательной величиной (c_m < 0), у парамагнитных положительной (c_m > 0). У ферромагнетиков магнитная восприимчивость c_m зависит от величины магнитной индукции внешнего поля B₀, поэтому в общем случае зависимость собственного поля ферромагнетика от внешнего нельзя считать линейной.  

Результирующее магнитное поле в присутствии магнетика равно:

Сравнивая (7.3) с (7.1), получим

Отсюда находим связь собственного поля с внешним

аналогичную соответствующим выражениям для диэлектриков. 

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в атомах и молекулах вещества циркулируют особые круговые токи — молекулярные токи. Каждый такой ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В силу хаотической ориентации магнитных моментов отдельных молекулярных токов суммарный магнитный момент тела равен нулю. Под действием внешнего магнитного поля магнитные моменты молекулярных токов приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении, вследствие чего вещество намагничивается — его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля, возникает дополнительное поле  (рис. 7.1).

Рис. 7.1. Молекулярные токи в магнетике

Не вдаваясь пока в обсуждение природы молекулярных токов, получим соотношения, аналогичные тем, что были выведены для диэлектриков. Каждый молекулярный ток имеет магнитный момент . Намагничение (Степень намагниченности) магнетика естественно охарактеризовать магнитным моментом единицы объема, называемого вектором намагничивания (или намагниченностъю).

Здесь  — элементарный (физически бесконечно малый) объем магнетика, взятый в окрестности некоторой точки,  — магнитные моменты отдельных молекулярных токов. В формуле (7.6) суммируются магнитные моменты всех молекулярных токов, находящихся внутри объема .

Поляризуемость диэлектрика (плотность электрического дипольного момента) связывалась с возникновением поверхностных зарядов, которые изменяли электрическое поле в среде. Аналогично этому, намагниченность магнетика приводит к возникновению поверхностных токов, что меняет магнитное поле. На рис. 7.2 показан образец магнетика, помещенный во внешнее магнитное поле .

Рис. 7.2. Молекулярные токи в магнетике, помещенном в магнитном поле,
создают собственное поле, подобное полю соленоида с током I 

Молекулярные токи, показанные на торце образца, ориентированы так, что их магнитные моменты выстроились параллельно вектору . Видно, что токи в толще магнетика компенсируют друг друга. Нескомпенсированными оказываются только токи вблизи поверхности образца. Складываясь, они приводят к поверхностным токам (показаны красными стрелками на рис. 7.2 и черными стрелками на рис. 7.3).

Рис. 7.3. Образование молекулярных токов на поверхностях магнетика 

Такая система эквивалентна соленоиду. В формуле для магнитной индукции поля соленоида