Величины, характеризующие магнитное поле в вакууме и веществе

Частицы с электрическими зарядами (положительными и отрицательными) постоянно наблюдаются в природе, они создают в окружающем пространстве кулоновское электрическое поле. Магнитные же заряды (ни положительные, ни отрицательные) никогда не наблюдались по отдельности. Магнит всегда имеет два равных по величине полюса на двух своих концах - серный и южный, и магнитное поле вокруг него является результирующим полем обоих полюсов. Гипотезы о существовании магнитных зарядов (магнитных монополей) не имеют экспериментальных подтверждений, хотя ими можно воспользоваться для установления законов в магнитостатике. Для исследования магнитных полей, т.е. для измерения механических воздействий магнитных полей на движущиеся в них электрические заряды, выбирают так называемый пробный ток, существующий в плоском замкнутом контуре малых размеров (круговой ток). Положение этого контура в пространстве определяется с помощью положительной нормали n, связанной с током в контуре правилом правого винта (рисунок 1).

При внесении такого контура с током в магнитное поле на него действует вращающий момент, стремящийся повернуть его так, чтобы направление положительной нормали n совпало с направлением магнитного поля в данном месте пространства. Величина этого вращающего момента стремится к максимуму при a®p/2 и к минимуму при a®0. Угол a - угол между направлением положительной нормали n и направлением магнитного поля. Кроме того, величина этого момента зависит как от свойств контура, так и от свойств среды, в которой существует магнитное поле.

Свойства контура в основном определяются векторной физической величиной магнитным моментом p _m, численное значение которого равно

, (1)

где I - величина тока в контуре, S – площадь, охватываемая контуром.

Направление магнитного момента контура связано с направлением тока в нем правилом правого винта.

Численное значение вращающего момента, действующего на пробный контур в магнитном поле, пропорционально магнитному моменту контура и синусу угла a:

M_вр~p_m× sina. (2)

Следовательно, на пробные контуры с различными значениями p _m со стороны поля действуют различные по величине вращающие моменты M _вр.

Однако оказывается, что отношение максимального вращающего момента M _max, действующего на пробный контур со стороны магнитного поля, к магнитному моменту контура p _m для любых контуров, помещенных в данную точку поля, остается величиной постоянной. Следовательно, оно может служить характеристикой магнитного поля.

Эту величину называют индукцией магнитного поля B. Индукция магнитного поля B связана с вращающим моментом M _вр соотношением

, (3)

где k - коэффициент пропорциональности, зависящий от выбора системы единиц измерения физических величин.

При k = 1

. (4)

Формула (4) – это модуль векторного произведения:

. (5)

Из соотношения (4)

. (6)

При p_m = 1 и sina = 1 имеем | B | = | M _вр|, т.е. индукция магнитного поля численно равна вращающему моменту, действующему на пробный контур, помещенный перпендикулярно к направлению магнитного поля в данную точку, магнитный момент которого равен единице. Таким образом, индукция магнитного поля характеризует силовое воздействие магнитного поля на ток (движущиеся электрические заряды).

Помимо макротоков, представляющих собой упорядоченное движение электрических зарядов в объеме проводника, в любом веществе существуют микротоки, возникновение которых можно объяснить наличием в атомах вещества электронов, вращающихся вокруг ядер с большой скоростью (~10¹⁵ с^-1). Поэтому можно считать, что заряд и масса равномерно распределены по орбите электронов, т.е. движение каждого электрона эквивалентно замкнутому контуру с током. Тогда любой атом, любую молекулу вещества можно рассматривать как совокупность микротоков. Микротоки вещества создают свое собственное магнитное поле и взаимодействуют с внешним магнитным полем.

На основании принципа суперпозиции магнитных полей (по аналогии с принципом суперпозиции электрических полей) в пространстве может существовать результирующее магнитное поле макро- и микротоков.

Индукция магнитного поля B (магнитная индукция) является характеристикой этого результирующего поля. Поэтому при прочих равных условиях и одном и том же макротоке в проводнике величина B в различных средах различна.

Для характеристики магнитных полей, порождаемых только макротоками, вводится физическая величина, называемая напряженностью магнитного поля H. Единица измерения напряженности магнитного поля [H] = А/м. Магнитное поле в веществе описывается вектором магнитной индукции В, [B] = Тл (Тесла).

Напряженность магнитного поля H для неферромагнитных материалов связана с магнитной индукцией B соотношением

B = mm₀ H, (7)

где m₀ = 4p∙ 10^-7 Гн/м - магнитная постоянная вакуума, m - относительная магнитная проницаемость среды. Для вакуума (приближенно и для воздуха) m = 1.

Относительная магнитная проницаемость среды показывает, во сколько раз магнитное поле макротоков усиливается за счет магнитных полей микротоков.

Графически магнитные поля изображают с помощью силовых линий векторов B или H - линий, проведенных в пространстве, касательная к которым в данной точке совпадает с направлением векторов B или H в данной точке. Существенным отличием силовых линий магнитного поля от силовых линий электростатического поля является то, что они всегда замкнуты.

Магнитный момент единицы объема вещества представляет собой намагниченность М_Н, [М_Н] = А/м.

Соотношение (7) можно представить иначе:

B = μ ₀(1+χ) H = μ ₀(H + M _H), (8)

где c – магнитная восприимчивость вещества.

Таким образом, М _Н = c Н (уравнение магнитного состояния).

Параметр c изменяет свое численное значение в процессе намагничивания вещества. В слабых полях (в начале кривой намагничивания) c представляет собой так называемую начальную восприимчивость. При увеличении магнитомягкий ферромагнетик намагничивается до насыщения, т.е. М_Н принимает для данного материала максимальное значение М_S (намагниченность насыщения).

Для характеристики вещества в различных по величине магнитных полях вводят понятие дифференциальной магнитной восприимчивости

.

В полях, близких к насыщению, c _диф ® 0.

Степень намагничивания сильномагнитных веществ зависит не только от величины магнитной проницаемости, но и от их геометрической формы. При намагничивании внесенного во внешнее поле сильномагнитного тела, имеющего конечные размеры, на обеих его торцевых поверхностях возникают магнитные полюса («магнитные заряды» противоположного знака), что обусловливает появление поля в веществе противоположного направления (размагничивающее поле Н¢). Магнитная поляризация вещества проиллюстрирована рисунком 2.

Напряженность поля Н¢ пропорциональна намагниченности М_Н, поэтому можно написать

Н¢ = N × М_Н,

где N — коэффициент пропорциональности, который называют размаг­ничивающим фактором.

Результирующее поле в веществе H_i получим как

H_i = H_e – NM_H.

В общем случае коэффициент N является тензором, однако для изотропного магнетика его величина зависит только от формы магнетика. Так, при намагничивании очень длинного тонкого стержня вдоль его оси коэффициент N почти равен нулю, и, наоборот, в случае коротких и толстых образцов значение N ≈ 1.

При намагничивании тел «неправильной формы» распределение размагничивающего поля в них неоднородно, т.е. его величина и направление изменяются от точки к точке. В подобных случаях расчет размагничивающего фактора трудно осуществить. Строгий и точный расчет возможен только для магнетиков в форме эллипсоидов. Так, в случае намагничивания тонкого вытянутого эллипсоида вращения (с круговым поперечным сечением) вдоль его длинной оси имеем

, (9)

где k — отношение размеров эллипсоида (длины к диаметру). В частности, при k > > 1

. (10)

С другой стороны, намагничивая сплющенный эллипсоид вращения в виде диска вдоль его длинной оси и принимая за k отношение диаметра эллипсоида к его толщине, получаем

. (11)

Расчетные числовые значения размагничивающего фактора для вытянутого и сплющенного эллипсоидов вращения, а также экспериментально найденные значения N для круглого стержня при различных k представлены в табл. 1.

Таблица 1

Изменение размагничивающего фактора

в зависимости от отношения размеров тела

В случае эллипсоида общего вида формула для N имеет сложный вид, однако между размагничивающими факторами вдоль трех главных осей эллипсоида х, у и z существует простое соотношение:

N_x + N_y + N_z = 1. (12)

Учитывая его, можно легко найти N для некоторых частных случаев высокосимметричных эллипсоидов. Так, например, в шаре все три оси эквивалентны (N_x = N_y = N_z), поэтому из (12) сразу получаем

. (13)

При поперечном намагничивании длинного круглого стержня размагничивающий фактор вдоль его оси N_z будет равен нулю, и из очевидного условия, что N_x = N_y вытекает

. (14)

При намагничивании плоскости в направлении ее нормали, вдоль которой выбрана ось z, имеем N_x = N_y = 0, откуда следует

N = 1. (15)