Магнитная проницаемость

Магнитная проницаемость — это физическая величина, характеризующая способность вещества (материальной среды) намагничиваться под действием внешнего магнитного поля, то есть изменять свою внутреннюю магнитную индукцию. Количественно магнитная проницаемость показывает, во сколько раз магнитная индукция B в данной среде больше (или меньше) магнитной индукции B₀ в вакууме при одинаковой напряжённости внешнего магнитного поля H. Магнитная проницаемость является безразмерной величиной, однако в системе СИ для описания связи между магнитной индукцией и напряжённостью поля используется также абсолютная магнитная проницаемость, имеющая размерность генри на метр (Гн/м).

Определение и физический смысл

В основе понятия магнитной проницаемости лежит фундаментальное уравнение магнитостатики, связывающее магнитную индукцию B и напряжённость магнитного поля H:

B = μ₀μH,

где μ₀ — магнитная постоянная (4π × 10⁻⁷ Гн/м), а μ — относительная магнитная проницаемость среды (безразмерная величина). Таким образом, относительная магнитная проницаемость μ определяется как отношение магнитной индукции в среде к магнитной индукции в вакууме при той же напряжённости поля:

μ = B / B₀.

Физический смысл магнитной проницаемости заключается в том, что она отражает реакцию вещества на внешнее магнитное поле. В атомах и молекулах вещества под действием поля возникают микроскопические токи (орбитальное движение электронов и их спины), которые создают собственное внутреннее магнитное поле. Это внутреннее поле либо усиливает внешнее (ферромагнетики, парамагнетики), либо ослабляет его (диамагнетики). Магнитная проницаемость количественно выражает этот эффект.

Классификация веществ по магнитной проницаемости

По величине и знаку магнитной проницаемости все вещества делятся на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики. Существуют также антиферромагнетики и ферримагнетики, которые проявляют более сложные магнитные свойства.

Диамагнетики

Диамагнетики — вещества, у которых магнитная проницаемость μ меньше единицы (μ < 1). Это означает, что намагниченность вещества направлена против внешнего поля, и результирующая магнитная индукция внутри него несколько меньше, чем в вакууме. Диамагнетизм обусловлен орбитальным движением электронов, которое под действием внешнего поля порождает дополнительный магнитный момент, направленный противоположно полю. К диамагнетикам относятся: вода (μ ≈ 0,999991), медь (μ ≈ 0,999990), висмут (μ ≈ 0,99983), серебро, золото, инертные газы, большинство органических соединений. Диамагнетизм присущ всем веществам, но в пара- и ферромагнетиках он перекрывается более сильными эффектами.

Парамагнетики

Парамагнетики — вещества, у которых магнитная проницаемость μ больше единицы (μ > 1), но незначительно. Намагниченность вещества направлена по внешнему полю, усиливая его. Парамагнетизм возникает из-за наличия у атомов или молекул собственных магнитных моментов (например, неспаренных электронов), которые под действием внешнего поля стремятся ориентироваться вдоль его направления. Тепловое движение препятствует полной ориентации, поэтому μ лишь немного превышает 1. К парамагнетикам относятся: алюминий (μ ≈ 1,000023), платина (μ ≈ 1,00026), кислород (газообразный, μ ≈ 1,0000019), щелочные металлы, соли редкоземельных элементов, некоторые минералы.

Ферромагнетики

Ферромагнетики — вещества, обладающие очень высокой магнитной проницаемостью (μ >> 1), которая может достигать тысяч и даже сотен тысяч единиц. Ферромагнетизм обусловлен коллективным взаимодействием магнитных моментов атомов в кристаллической решётке, приводящим к образованию доменов — областей самопроизвольной (спонтанной) намагниченности. Под действием внешнего поля домены перестраиваются, и вещество сильно намагничивается. К ферромагнетикам относятся: железо (μ до 5000), никель (μ до 600), кобальт (μ до 250), гадолиний, а также многочисленные сплавы (пермаллой, альсифер, ферриты). Важной особенностью ферромагнетиков является нелинейная зависимость намагниченности от внешнего поля, гистерезис и наличие точки Кюри — температуры, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком.

Антиферромагнетики и ферримагнетики

Антиферромагнетики — вещества, в которых магнитные моменты соседних атомов ориентированы антипараллельно и компенсируют друг друга, поэтому результирующая намагниченность мала, а магнитная проницаемость близка к 1. При температуре Нееля они переходят в парамагнитное состояние. Примеры: оксид марганца (MnO), хром.

Ферримагнетики — вещества, в которых магнитные моменты соседних атомов также антипараллельны, но не равны по величине, поэтому полная компенсация отсутствует, и вещество обладает спонтанной намагниченностью, хотя и меньшей, чем у ферромагнетиков. Ферримагнетики (ферриты) — это керамические материалы на основе оксидов железа и других металлов, обладающие высоким электрическим сопротивлением, что делает их незаменимыми в высокочастотной технике.

Зависимость от внешних факторов

Магнитная проницаемость не является константой для данного вещества и может существенно изменяться под влиянием различных факторов.

Зависимость от напряжённости магнитного поля

Для ферромагнетиков зависимость μ(H) является сложной и нелинейной. В слабых полях магнитная проницаемость мала, затем с ростом напряжённости поля она быстро возрастает до максимального значения (μ_max), после чего начинает уменьшаться, стремясь к 1 в области насыщения. Эта зависимость связана с процессами смещения и вращения доменов. Для пара- и диамагнетиков магнитная проницаемость практически не зависит от напряжённости поля.

Зависимость от температуры

У диамагнетиков магнитная проницаемость слабо зависит от температуры. У парамагнетиков она подчиняется закону Кюри: μ ≈ 1 + C/T, где C — постоянная Кюри, T — абсолютная температура. Для ферромагнетиков существует критическая температура — точка Кюри, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. Для железа точка Кюри составляет около 770 °C, для никеля — 358 °C, для кобальта — 1131 °C.

Зависимость от частоты

В переменных магнитных полях магнитная проницаемость зависит от частоты. На низких частотах (до десятков килогерц) ферромагнетики сохраняют высокую μ, но с ростом частоты из-за вихревых токов и магнитной вязкости она начинает падать. На высоких частотах (мегагерцы и выше) используются ферриты, у которых из-за высокого удельного сопротивления потери на вихревые токи малы, но и их магнитная проницаемость снижается с частотой. Для пара- и диамагнетиков частотная зависимость вплоть до оптического диапазона пренебрежимо мала.

Измерение магнитной проницаемости

Измерение магнитной проницаемости осуществляется различными методами в зависимости от типа материала и требуемой точности. Основные методы включают:

• Баллистический метод — основан на измерении изменения магнитного потока в катушке с образцом при переключении тока. Используется для статических измерений.
• Метод моста переменного тока — применяется для измерения комплексной магнитной проницаемости на различных частотах.
• Резонансный метод — основан на измерении изменения резонансной частоты колебательного контура при внесении образца.
• Индукционный метод — с помощью измерительных катушек и датчиков Холла.

Для ферромагнетиков обычно измеряют начальную магнитную проницаемость (μ_нач) — значение в слабых полях, и максимальную магнитную проницаемость (μ_max).

Применение

Знание магнитной проницаемости материалов имеет критическое значение в электротехнике, радиоэлектронике, приборостроении и материаловедении.

• Сердечники трансформаторов и дросселей: используются ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью (электротехническая сталь, пермаллой, ферриты) для увеличения индуктивности и уменьшения габаритов устройств.
• Магнитные экраны: для защиты чувствительных приборов от внешних магнитных полей применяются материалы с высокой магнитной проницаемостью (например, пермаллой), которые «отводят» силовые линии поля.
• Магнитные запоминающие устройства: ферромагнетики с определёнными значениями коэрцитивной силы и магнитной проницаемости используются в жёстких дисках, магнитных лентах и других носителях информации.
• Высокочастотная техника: ферриты с различной магнитной проницаемостью применяются в антеннах, фильтрах, циркуляторах и фазовращателях.
• Датчики магнитного поля: изменение магнитной проницаемости ферромагнитных материалов под действием внешнего поля используется в магнитометрах и датчиках Холла.
• Медицинская техника: в аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ) используются сверхпроводящие магниты, а также ферромагнитные материалы для создания однородного поля.

Интересные факты

• Вакуум имеет магнитную проницаемость, равную 1 (по определению). Воздух и другие газы при нормальных условиях имеют магнитную проницаемость, практически равную 1.
• Самая высокая магнитная проницаемость среди чистых металлов — у железа (до 5000), но сплавы, такие как пермаллой (железо-никель), могут достигать значений μ до 100 000 и более.
• Висмут является одним из самых сильных диамагнетиков — его магнитная проницаемость меньше 1 настолько, что кусочек висмута может левитировать в сильном магнитном поле.
• Магнитная проницаемость ферромагнетиков не является постоянной и зависит от предыстории намагничивания (гистерезис). Это явление используется в магнитной записи и хранении информации.
• В 1913 году Пьер Вейс предложил теорию молекулярного поля и доменов, которая объяснила высокую магнитную проницаемость ферромагнетиков и их поведение вблизи точки Кюри.

Источники

1. Савельев И. В. Основы теоретической физики. — Т. 2. Электричество и магнетизм. — М.: Наука, 1982.
2. Калашников С. Г. Электричество. — М.: Физматлит, 2003.
3. Кикоин И. К., Кикоин А. К. Молекулярная физика. — М.: Наука, 1976.
4. Вонсовский С. В. Магнетизм. — М.: Наука, 1971.
5. Тикадзуми С. Физика ферромагнетизма. Магнитные характеристики и практические применения. — М.: Мир, 1987.