§ 49. Намагничение и магнитная восприимчивость

До сих пор мы рассматривали два идеальных случая магнитных полей, именно: поле, образуемое постоянными магнитами (вещества с заданным намагничением при отсутствии электрических токов, и образуемое стационарными токами при отсутствии намагничивающихся веществ. Притом имели место уравнения

Отсюда можно вывести следующие общие уравнения для вычисления поля любого стационарного распределения тока и любого распределения намагниченных веществ Источники совпадают с источниками — вихри равны

В таких местах, где одновременно является безвихревым и не имеет источников. На поверхностях разрыва нужно принять существование поверхностного расхождения (скачок нормальной составляющей), соответствующего предельному переходу от непрерывного, но очень быстрого изменения к изменению скачком.

Итак, если бы распределение тока и интенсивность намагничения были заданы, то определение поля было бы равнозначно задаче вычисления векторного поля из его вихрей и источников — задаче, которая уже решена нами полностью в § 18. В настоящем случае уравнения, соответствующие уравнениям (68а и b) § 18 были бы

В действительности дело обстоит гораздо сложнее вследствие того, что интенсивность намагничения в свою очередь существенно зависит от силы поля. В большинстве случаев самое появление его бывает

обязано действию поля. Эта связь между есть специфическое свойство каждого данного вещества. Она характеризует как раз его магнитное поведение. Если сгруппировать все известные материалы по их магнитным свойствам, то получаются следующие классы:

а) Интенсивность намагничения пропорциональна полю:

Коэффициент пропорциональности называемый магнитной восприимчивостью единицы объема, не зависит от но при известных условиях зависит от температуры.

Среди веществ, намагничивающихся по простому уравнению (119а), можно различить два типа:

1. Диамагнитные тела. У них является отрицательным и не зависит от температуры; всегда очень мало по сравнению с 1.

Оно имеет, например, значения:

Следовательно, у диамагнитных веществ направлен противоположно полю Качественно можно объяснит диамагнетизм, если допустить, что в отдельных атомах имеются контуры без сопротивления. Согласно общим законам индукции, при включении внешнего поля в таких контурах индуцируются токи, магнитный момент которых [ср., например, уравнение (116b)] имеет направление, противоположное направлению Количественное объяснение дается в электронной теории. Диамагнетизм есть общее свойство материи и, следовательно, существует у всех веществ. Но он настолько мал, что практически не наблюдается, если соответствующее вещество является кроме того еще парамагнитным или ферромагнитным.

2. Парамагнитные тела. У этих тел положительно и, как правило, обратно пропорционально абсолютной температуре (закон Кюри); кроме того оно пропорционально плотности

При комнатной температуре наблюдают, например, следующие численные значения :

Парамагнетизм нужно представлять себе таким образом, что отдельные молекулы уже заранее обладают определенным магнитным

моментом, и что под действием магнитного поля эти элементарные магнитики частично ориентируются; но ориентирующему действию поля противодействует беспорядочное тепловое движение. Поэтому, соответственно закону Кюри, одинаковое поле может при более низкой температуре вызвать более высокую степень ориентированности, чем при более высокой.

б) Интенсивность намагничения не пропорциональна силе поля. Этот класс состоит в основном из ферромагнитных материалов: железа, кобальта, никеля и гейслеровских сплавов. Магнитное поведение этих веществ очень сложно и в значительной степени зависит от обстоятельств, часто кажущихся совсем неважными. Поэтому нам придется удовлетворяться только очень схематической характеристикой. Самый отличительный признак ферромагнетика состоит прежде всего в том, что при одинаковой силе поля магнитный момент ферромагнетика имеет более высокий порядок величины, чем магнитный момент остальных веществ (он дасто превышает его больше чем в миллион раз). Затем, при изменений меняется нелинейно; наоборот, уже при достаточно низких и технически легко достижимых нолях наблюдается состояние насыщения, Интенсивность намагничения при насыщении, которую нельзя «заметно превысить даже при очень сильных полях, имеет следующие значения:

Эти насыщающие величины почти независимы от обработки материала и от небольших химических примесей к нему. Наоборот, "кривая намагничения", т. е. закон возрастания при увеличении самым тесным образом зависит от особенностей предварительной обработки испытуемого вещества. Здесь различают опять два крайних случая:

1. Мягкие (в магнитном отношении) вещества; это — такие вещества, у которых остается еще однозначной функцией . В типичных случаях эта функция изображается кривой, показанной на рис. 43а: в начале, при возрастании быстро растет. Затем кривая делается все более пологой, и, наконец (при насыщении), практически становится горизонтальной. Если кривая начинается почтй прямолинейным подъемом, можно говорить еще о "начальной восприимчивости, которую определяют либо как частное соответствующих значении, либо из крутизны кривои как значение для различных сортов железа лежит между 50 и 1000. В природе вряд ли существуют совершенно мягкие, абсрдютно обратимые ферромагнетики. Можно собственно говорить только о бодее мягких или "более твердых" веществах, соответственно меныдей идя большей ширине петли гистерезиса (см. ниже).

2. Твердые вещества. У этих веществ вообще не является однозначной функцией напротив, интенсивность намагничения

существенно определяется теми силами поля, в котором испытуемое тело находилось раньше. Типичный ход кривой намагничения представлен на рис. Если ненамагниченное тело подвергнуть действию растущего поля то вначале описывает участок кривой который качественно мало отличается от кривой (рис. 43а) мягкого вещества. Но если теперь уменьшать то в начале падает гораздо медленнее, чем раньше росло (кривая При поле имеется еще "остаточное намагничение" величины Эту величину мы в дальнейшем будем обозначать через Намагничение можно свести к нулю только при помощи силы направленной в сторону, противоположную М; ее называют "задерживающей или "коэрцитивной силой".

Рис. 43а. Кривая намагничения мягкого железа.

Рис. 43b. Кривая намагничения твердой стали.

Остаточный магнетизм и задерживающая сила являются мерой магнитной твердости вещества. При больших отрицательных значениях вновь достигают в состояния насыщения. Начиная с этого момента при соответствующем изменении ход дает кривую чем «петля гистерезиса“ и заканчивается. Если теперь опять изменять поле от насыщения в одном направлении до насыщения в противоположном направлении и обратно, то в основном повторяет все одну и ту же петлю.

Совсем иное получается, если итти только до определенного места петли, например и затем опять заставить расти поле Тогда при не очень сильном росте получают почти прямую линию, например пунктирную прямую на рис. по ней же изменение может происходить и в обратном направлении. Если затем при дальнейших операциях намагничения оставаться между границами то в этих пределах можно говорить об обратимом намагничении и характеризовать материал "уравнением магндтного состояния"

где, следовательно, означает наклон прямой расстояние

Поле внутри постоянного магнита при отсутствии токов и других магнитов имеет направление, существенно противоположное направлению намагничения. Состояние такого магнита соответствует, следовательно, точкам на участке кривой гистерезиса; его можно представить, например, рассмотренной уже точкой Впрочем, при заданном намагничении постоянного магнита поле внутри его зависит еще от его формы. При не очень сильных изменениях достигаемых, например, изменением междужелезного промежутка в почти замкнутом кольцеобразном магните, можно по прямой или по уравнению (119с) определить соответствующее изменение

Все ферромагнитные вещества обнаруживают ферромагнитные свойства только постольку, поскольку их температура остается ниже температуры, обозначаемой как точка Кюри и характерной для соответствующего материала. Точка Кюри для железа лежит при 774° С, для никеля при 372° С и для кобальта при 1131° С. Выше точки Кюри все ферромагнитные вещества обнаруживают нормальный парамагнетизм, с той только разницей, что в законе Кюри (119Ь) надо заменись абсолютную температуру расстоянием от точки Кюри: