Физика (стр. 57 )

Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил, что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Каждый такой ток создает в окружающем пространстве магнитное поле. В отсутствие внешнего поля молекулярные токи ориентированы беспорядочным образом, вследствие чего их результирующее поле равно нулю. В силу этого же суммарный магнитный момент тела равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты отдельных молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении; вследствие этого магнетик намагничивается – его суммарный магнитный момент становится отличным от нуля. Возникает магнитное поле .

Намагничивание магнетика характеризуется магнитным моментом единицы объема. Эту величину называют вектором намагничивания: . Здесь – бесконечно малый объем; – магнитный момент отдельной молекулы.

Чтобы понять, какое поле создается микротоками, рассмотрим магнетик в форме бесконечного кругового цилиндра с сечением в однородном внешнем магнитном поле с индукцией , параллельной оси цилиндра (рис. 3.4.10).

Рис. 3.4.10

Плоскости всех молекулярных токов расположатся перпендикулярно вектору , так как магнитные моменты молекул либо параллельны (для парамагнетиков), либо антипараллельны (для диамагнетиков) вектору . Рассмотрим любое сечение цилиндра, перпендикулярное его оси. Во внутренних участках сечения магнетика молекулярные токи соседних атомов направлены навстречу друг другу, и их действие взаимно компенсируется. Не скомпенсированными будут лишь молекулярные токи, выходящие на боковую поверхность цилиндра. Таким образом, суммарное действие молекулярных токов будет таким, какое вызвал бы макроскопический ток, текущий по поверхности цилиндра. Обозначим силу этого тока, приходящуюся на единицу длины цилиндра (т. е. линейную плотность тока) через . Очевидно, что цилиндр, обтекаемый током, эквивалентен соленоиду с числом ампер-витков , равным линейной плотности тока . Следовательно, все молекулярные токи совместно возбуждают такое поле, какое создал бы в вакууме соленоид с числом ампер-витков, равным . Напряженность поля в соленоиде . Значит, магнитная индукция

. (*)

Выделим мысленно в цилиндре перпендикулярный к оси слой толщиной . Молекулярные токи, заключенные в объеме этого слоя, эквивалентны круговому току силы . Магнитный момент этого тока есть ( – площадь поперечного сечения цилиндра). Разделив на объем этого слоя , получим для намагничивания цилиндра выражение: . Из последнего выражения и из выражения (*) следует: . (Учтено, что векторы и имеют одинаковое направление.) Так как и , . Как показывает опыт, вектор намагничивания связан с напряженностью поля в той же точке соотношением , где – безразмерная величина, называемая магнитной восприимчивостью вещества. Используя это, можно написать: . Безразмерная величина называется относительной магнитной проницаемостью вещества: . Относительная магнитная проницаемость показывает, во сколько раз усиливается поле в магнетике.

Все магнетики подразделяются на три группы:

1. Диамагнетики – это магнетики, у которых магнитная восприимчивость отрицательна и мала по величине (); в диамагнетиках создается поле, направленное против внешнего поля и ослабляющее его; диамагнетиками являются и др.

2. Парамагнетики – это магнетики, у которых магнитная восприимчивость невелика, но положительна ; поле, создаваемое в парамагнетиках имеет то же направление, что и внешнее поле и усиливает его; при устранении внешнего поля парамагнетик размагничивается; парамагнетиками являются и др.

3. Ферромагнетики – это магнетики, у которых магнитная восприимчивость положительна и достигает больших значений; они способны обладать намагничиванием даже в отсутствие внешнего магнитного поля; к их числу принадлежат , их сплавы, соединения и ряд других веществ; намагничивание зависит от напряженности поля сложным образом.

3.4.4. Закон Ампера

Выше было сказано, что магнитное поле оказывает на контур с током ориентирующее действие. Следовательно, вращающий момент, испытываемый контуром с током, есть результат действия сил на отдельные элементы контура. Исследуя действие магнитного поля на различные проводники с током, Ампер установил, что сила, с которой магнитное поле действует на элемент проводника с током , прямо пропорциональна силе тока в проводнике и векторному произведению элемента с током и магнитной индукции: . Здесь – коэффициент пропорциональности. Раскрывая векторное произведение, можно определить модуль этой силы: ( – угол между направлениями поля и элемента тока).

Направление силы, действующей на ток, удобно определять с помощью правила левой руки. Если расположить левую руку так, чтобы вектор «вонзался» в ладонь, а четыре сложенные вместе пальца были направлены вдоль тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление силы.

Закон Ампера позволяет вычислить силу взаимодействия двух параллельных бесконечно длинных прямых токов (рис. 3.4.11). Если расстояние между токами , то каждый элемент тока будет находиться в магнитном поле с индукцией . Угол между элементами тока и вектором прямой (линии магнитной индукции прямых токов – концентрические окружности, а вектор направлен по касательной). Следовательно, на единицу длины тока действует сила . Для силы , действующей на единицу длины тока , получается аналогичное выражение. Пользуясь правилом левой руки, легко установить, что при одинаковом направлении токов они притягиваются, при различном – отталкиваются.