3.13 Енергія магнітного поля

Розглянемо коло, в якому батарея перемикається з положення 1 в 2. Робота, що виконується при цьому за рахунок магнітного поля:

,

де _Si – електрорушійна сила самоіндукції,

. Значить, енергія, що запасається:

- магнітне поле котушки,

- густина енергії магнітного поля котушки.

Довести, що можна, підставивши значення L для соленоїда в формулу для w_M

3.14 Магнітні властивості речовини

3.14.1 Магнетики. Магнітна проникність, магнітна сприйнятливість, намагніченість магнетиків

Речовини під дією магнітного поля намагнічуються. При цьому, змінюється магнітна індукція поля внаслідок взаємодії зовнішнього поля і поля внутрішнього, зумовленого наявністю речовини. Результуюче поле може бути більшим або меншим за початкове.

Всі речовини, поміщені в магнітне поле називаються магнетиками.

В залежності від їх реакції на це поле, вони поділяються на діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики; відрізняються магнітною проникністю, магнітною сприйнятливістю, намагнічуванням.

Магнітна проникність показує, в скільки разів поле в однорідному середовищі відрізняється від поля у вакуумі при заданих струмах:

діамагнетик 1

парамагнетик 1

феромагнетик >>1

,

де В - внутрішнє поле.

Намагніченість – мікроскопічна характеристика, що пов’язана з магнітною сприйнятністю _m і напруженістю поля.

,

де – напруженість магнітного поля, _m – магнітна сприйнятливість. – намагніченість

,

де - магнітний момент, V – одиниця об’єму.

Для діамагнетиків, що намагнічуються проти поля _m<0. Пара- і діамагнетики намагнічуються по полю (_m>0).

3.14.2 Гіромагнітне відношення. Природа діа-, пара-, феромагнетизму

Розглянемо рух електрона по орбіті радіусом R ( ,  - частота обертання). Тоді, його магнітний момент:

,

де  - лінійна швидкість електрона, L=mR – механічний момент імпульсу електрона.

- гіромагнітне відношення.

Під дією зовнішнього магнітного поля на орбіту діє обертовий момент і індукується магнітний момент атома, направлений проти поля.

Магнітний момент електрона в зовнішньому полі зменшується. Зменшується в результаті сумарне магнітне поле і змінюється орієнтація орбіти електрона.

Явище зміни орієнтації орбіти електрона в зовнішньому магнітному полі розглядають як прецесією. Появляється додатковий рух електрона. Це нагадує зміну орієнтації осі гіроскопа при прикладанні до нього механічного моменту.

Зменшення загального магнітного поля відбувається в усіх речовинах і зумовлене воно саме взаємодією магнітних моментів електронів атома з зовнішнім магнітним полем. Але проявляється цей процес помітно лише в діамагнетиках.

В парамагнетиках на даний ефект (індукції магнітного момента) накладається ефект орієнтації “молекулярних струмів” вздовж поля. Це буває, коли магнітний момент р_m атомів (або молекул) відмінний від нуля. Цей ефект більш сильний, тому результуюче магнітне поле в парамагнетиках є більше чим В₀. Ще більше це поле є в феромагнетиках, які мають значне по величині внутрішнє магнітне поле. Внутрішнє магнітне поле феромагнетиків зумовлене існуванням особливих областей – доменів – це області спонтанного намагнічення (самовільного намагнічення). В них електрони орієнтовані в одному напрямку, і області мають високу намагніченість (див. рис 3.18).

Золото, срібло мідь – діамагнетики.

Алюміній, платина, натрій, водень – парамагнетики.

Залізо, кобальт, нікель, сплави їх – феромагнетики.

Особливий вид феромагнетиків – напівпровідники (діелектрики) з великим значенням питомого опору, їх називають феритами. Для них є характерним малі вихрові струми, що вигідно при створенні трансформаторів малих розмірів з великим коефіцієнтом трансформації. Вигідно це і при використанні явища ферромагнетизму в елементах ЕОМ.

З квантової точки зору наявність феромагнетизму пояснюється тим, що існує обмінна енергія, яка приводить до того, що більш вигідним для речовини стає об’єднання електронів в області самовільного намагнічування (домени).