Парамагнетики

Итак, магнитные моменты атомов парамагнетика не равны нулю. В отсутствие магнитного поля тепловое движение атомов магнетика приводит к тому, что ориентация их магнитных моментов носит случайный характер. Если парамагнетик поместить в магнитное поле с индукцией , то на каждый атом парамагнетика, как на рамку с током в магнитном поле (подразд. 2.4), будет действовать момент сил, стремящийся повернуть частицу так, чтобы ее магнитный момент был направлен вдоль линий магнитной индукции. Совместное действие поля и теплового движения атомов приведет к появлению преимущественной ориентации магнитных моментов атомов вдоль линий магнитной индукции. Для наглядности на рис. 41 маленькие стрелки представляют ориентацию магнитных моментов атомов парамагнетика при выключенном (рис. 41, а) и включенном (рис. 41, б) магнитном поле. Для характеристики влияния магнитного поля на магнетик вводится вектор намагничивания (намагниченность) , равный магнитному моменту единицы объема магнетика:

, (3.8)

где – векторная сумма магнитных моментов атомов в физически малом объеме с числом атомов N. Напомним, что под физически малым объемом понимается объем, с одной стороны, содержащий достаточно большое количество молекул, чтобы можно было проводить статистическое усреднение. С другой стороны, объем настолько мал, что концентрацию молекул в его пределах можно считать одинаковой, а магнитное поле – однородным.

Докажем, что парамагнетики усиливают магнитное поле. Рассмотрим некоторый парамагнетик, имеющий форму цилиндра и помещенный в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции. На рис. 42 схематично показаны молекулярные токи Ампера в одном из сечений намагниченного парамагнетика. Токи Ампера в объеме парамагнетика компенсируются противоположно направленными соседними токами Ампера. Поэтому эти токи не создают макроскопического поля вне или внутри магнетика. Не компенсируются только молекулярные токи, выходящие на внешнюю поверхность магнетика. Таким образом, в результате намагничивания парамагнетика можно говорить о некотором поверхностном токе и характеризовать его поверхностной плотностью тока (сила тока на единицу длины магнетика). Поверхностный ток создает собственное магнитное поле парамагнетика , направление которого совпадает с направлением внешнего магнитного поля . По принципу суперпозиции результирующее поле в парамагнетике

. (3.9)

В скалярной форме для однородно намагниченного парамагнетика

. (3.10)

Из (3.10) следует, что , т. е. магнитное поле в парамагнетике больше внешнего поля.

На рис. 43, который является копией рис. 39 для случая парамагнетика, видно, что направление тока по поверхности совпадает с направлением тока в соленоиде, создающем внешнее поле. Токи одинакового направления притягиваются (подразд. 1.1 и 2.3). Таким образом, наличие у атомов парамагнетиков магнитных моментов, отличных от нуля, обусловливает их притяжение к обмотке соленоида, т. е. в область более сильного поля.