МАГНІТИ І МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ

1. Магнітні полюси і магнітне поле.
2. Гальванометр.
3. Сила, що намагнічує і напруженість магнітного поля.
4. Магнітна проникність і її роль в магнетизм.
5. Теорії магнетизму.
6. МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ
7. Вимірювання магнітних властивостей.
8. Розрахунок магнітних властивостей.

МАГНІТИ І МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ. Найпростіші прояви магнетизму відомі дуже давно і знайомі більшості з нас. Однак пояснити ці, здавалося б, прості явища на основі фундаментальних принципів фізики вдалося лише порівняно недавно.

Існують магніти двох різних видів. Одні - так звані постійні магніти, виготовлені з «магнітно-твердих» матеріалів. Їх магнітні властивості не пов'язані з використанням зовнішніх джерел або струмів. До іншого виду відносяться так звані електромагніти з сердечником з «магнітно-м'якого» заліза. Створювані ними магнітні поля обумовлені в основному тим, що по дроту обмотки, що охоплює сердечник, проходить електричний струм.

Магнітні полюси і магнітне поле.

Магнітні властивості стрижневого магніту найбільш помітні поблизу його кінців. Якщо такий магніт підвісити за середню частину так, щоб він міг вільно повертатися в горизонтальній площині, то він займе положення, приблизно відповідне напрямку з півночі на південь. Кінець стержня, який вказує на північ, називають північним полюсом, а протилежний кінець - південним полюсом. Різнойменні полюса двох магнітів притягуються один до одного, а однойменні взаємно відштовхуються.

Якщо до одного з полюсів магніту наблизити брусок ненамагніченого заліза, то останній тимчасово намагнітиться. При цьому ближній до полюса магніту полюс намагніченого бруска буде протилежним по найменуванню, а дальній - однойменною. Тяжінням між полюсом магніту і індукованим ним в бруску протилежним полюсом і пояснюється дію магніту. Деякі матеріали (наприклад, сталь) самі стають слабкими постійними магнітами після того, як побувають близько постійного магніту або електромагніту. Сталевий стрижень можна намагнітити, просто провівши по його торця кінцем стрижневого постійного магніту.

Отже, магніт притягує інші магніти і предмети з магнітних матеріалів, не перебуваючи в зіткненні з ними. Така дія на відстані пояснюється існуванням в просторі навколо магніту магнітного поля. Певне уявлення про інтенсивність і напрямку цього магнітного поля можна отримати, насипавши на лист картону або скла, покладений на магніт, залізні ошурки. Тирса вишикуються ланцюжками в напрямку поля, а густота ліній з тирси буде відповідати інтенсивності цього поля. (Гущі всього вони у кінців магніту, де інтенсивність магнітного поля найбільша.)

М.Фарадей (1791-1867) ввів для магнітів поняття замкнутих ліній індукції. Лінії індукції виходять в навколишній простір з магніту у його північного полюса, входять в магніт біля південного полюса і проходять всередині матеріалу магніту від південного полюса назад до північного, утворюючи замкнуту петлю. Загальна кількість рядків індукції, що виходять з магніту, називається магнітним потоком. Щільність магнітного потоку, або магнітна індукція (В), дорівнює числу ліній індукції, що проходять по нормалі через елементарну площадку одиничної величини.

Магнітної індукції визначається сила, з якою магнітне поле діє на що знаходиться в ньому провідник зі струмом. Якщо провідник, по якому проходить струм I, розташований перпендикулярно лініям індукції, то за законом Ампера сила F, що діє на провідник, перпендикулярна і полю, і провіднику і пропорційна магнітної індукції, силі струму і довжині провідника. Таким чином, для магнітної індукції B можна написати вираз

де F - сила в ньютонах, I - струм в амперах, l - довжина в метрах. Одиницею виміру магнітної індукції є тесла (Тл) (Див. Також ЕЛЕКТРИКА І МАГНЕТИЗМ) .

Гальванометр.

Гальванометр - чутливий прилад для вимірювання слабких струмів. У гальванометрі використовується обертовий момент, що виникає при взаємодії подковообразного постійного магніту з невеликою токонесущей котушкою (слабким електромагнітом), підвішеною в зазорі між полюсами магніту. Момент, що обертає, а отже, і відхилення котушки пропорційні току і повної магнітної індукції в повітряному зазорі, так що шкала приладу при невеликих відхиленнях котушки майже лінійна.

Сила, що намагнічує і напруженість магнітного поля.

Далі слід ввести ще одну величину, що характеризує магнітне дію електричного струму. Припустимо, що струм проходить по дроту довжиною котушки, всередині якої розташований намагнічуватися матеріал. Намагничивающей силою називається твір електричного струму в котушці на число її витків (ця сила вимірюється в амперах, так як число витків - величина безрозмірна). Напруженість магнітного поля Н дорівнює силі, що намагнічує, що припадає на одиницю довжини котушки. Таким чином, величина Н вимірюється в амперах на метр; нею визначається намагніченість, що купується матеріалом всередині котушки.

У вакуумі магнітна індукція B пропорційна напруженості магнітного поля Н:

де m 0 - т.зв. магнітна постійна, що має універсальне значення 4 p Ч 10-7 Гн / м. У багатьох матеріалах величина B приблизно пропорційна Н. Однак в феромагнітних матеріалах співвідношення між B і Н дещо складніше (про що буде сказано нижче).

На рис. 1 зображений простий електромагніт, призначений для захоплення вантажів. Джерелом енергії служить акумуляторна батарея постійного струму. На малюнку показані також силові лінії поля електромагніту, які можна виявити звичайним методом ошурки.

Великі електромагніти із залізною серцевиною і дуже великим числом ампер-витків, що працюють в безперервному режимі, мають велику намагничивающей силою. Вони створюють магнітну індукцію до 6 Тл в проміжку між полюсами; ця індукція обмежується лише механічними напруженнями, нагріванням котушок і магнітним насиченням осердя. Ряд гігантських електромагнітів (без сердечника) з водяним охолодженням, а також установок для створення імпульсних магнітних полів був сконструйований П.Л.Капица (1894-1984) в Кембриджі і в Інституті фізичних проблем АН СРСР і Ф.Біттером (1902-1967) в Массачусетському технологічному інституті. На таких магнітах вдавалося досягти індукції до 50 Тл. Порівняно невеликий електромагніт, що створює поля до 6,2 Тл, що споживає електричну потужність 15 кВт і охолоджується рідким воднем, був розроблений в Лосаламосской національної лабораторії. Подібні поля отримують при кріогенних температурах.

Магнітна проникність і її роль в магнетизм.

Магнітна проникність m - це величина, що характеризує магнітні властивості матеріалу. Феромагнітні метали Fe, Ni, Co і їх сплави мають дуже високими максимальними проницаемостями - від 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). У таких матеріалах при порівняно малих напряженностях поля H виникають великі індукції B, але зв'язок між цими величинами, взагалі кажучи, нелінійна через явищ насичення і гістерезису, про які йдеться нижче. Феромагнітні матеріали сильно притягуються магнітами. Вони втрачають свої магнітні властивості при температурах вище точки Кюрі (770 ° С для Fe, 358 ° С для Ni, 1120 ° С для Co) і ведуть себе як парамагнетики, для яких індукція B аж до дуже високих значень напруженості H пропорційна їй - в точності так само, як це має місце в вакуумі. Багато елементів і з'єднання є парамагнітним при всіх температурах. Парамагнітні речовини характеризуються тим, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі; якщо ж це поле вимкнути, парамагнетики повертаються в ненамагніченого стан. Намагніченість в феромагнетиках зберігається і після виключення зовнішнього поля.

На рис. 2 представлена ​​типова петля гистерезиса для магнітно-твердого (з великими втратами) феромагнітного матеріалу. Вона характеризує неоднозначну залежність намагніченості магнітовпорядкованих матеріалу від напруженості намагнічує поле. Зі збільшенням напруженості магнітного поля від вихідної (нульовий) точки (1) намагнічування йде по штриховий лінії 1 - 2, причому величина m істотно змінюється в міру того, як зростає намагніченість зразка. У точці 2 досягається насичення, тобто при подальшому збільшенні напруженості намагніченість більше не збільшується. Якщо тепер поступово зменшувати величину H до нуля, то крива B (H) вже годі було колишнім шляхом, а проходить через точку 3, виявляючи як би «пам'ять» матеріалу про «минулій історії», звідки і назва «гістерезис». Очевидно, що при цьому зберігається деяка залишкова намагніченість (відрізок 1 - 3). Після зміни напрямку намагнічує поле на зворотне крива В (Н) проходить точку 4, причому відрізок (1) - (4) відповідає коерцитивної силі, яка перешкоджає розмагнічування. Подальше зростання значень (- H) призводить криву гістерезису в третій квадрант - ділянка 4 - 5. Наступне за цим зменшення величини (- H) до нуля і потім зростання позитивних значень H призведе до замикання петлі гистерезиса через точки 6, 7 і 2.

Магнітно-тверді матеріали характеризуються широкою петлею гистерезиса, що охоплює значну площу на діаграмі і тому відповідної великим значенням залишкової намагніченості (магнітної індукції) і коерцитивної сили. Вузька петля гистерезиса (мал. 3) характерна для магнітно-м'яких матеріалів - таких, як м'яка сталь і спеціальні сплави з великою магнітною проникністю. Такі сплави і були створені з метою зниження обумовлених гістерезисом енергетичних втрат. Більшість подібних спеціальних сплавів, як і ферити, володіють високим електричним опором, завдяки чому зменшуються не тільки магнітні втрати, а й електричні, обумовлені вихровими струмами.

Магнітні матеріали з високою проникністю виготовляються шляхом відпалу, здійснюваного витримкою при температурі близько 1000 ° С, з подальшим відпуском (поступовим охолодженням) до кімнатної температури. При цьому дуже істотні попередня механічна і термічна обробка, а також відсутність в зразку домішок. Для сердечників трансформаторів на початку 20 ст. були розроблені крем'янисті стали, величина m яких зростала зі збільшенням вмісту кремнію. Між 1915 і 1920 з'явилися пермаллои (сплави Ni з Fe) з характерною для них вузької і майже прямокутною петлею гістерезису. Особливо високими значеннями магнітної проникності m при малих значеннях H відрізняються сплави гіпернік (50% Ni, 50% Fe) і му-метал (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тоді як в Пермінвар (45 % Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практично постійна широких межах зміни напруженості поля. Серед сучасних магнітних матеріалів слід згадати супермаллой - сплав з найвищою магнітною проникністю (до його складу входить 79% Ni, 15% Fe і 5% Mo).

Теорії магнетизму.

Вперше думка про те, що магнітні явища в кінцевому рахунку зводяться до електричних, виникла у Ампера в 1825, коли він висловив ідею замкнутих внутрішніх мікрострумів, що циркулюють в кожному атомі магніту. Однак без будь-якого досвідченого підтвердження наявності в речовині таких струмів (електрон був відкритий Дж.Томсон лише в 1897, а опис структури атома було дано Резерфордом і Бором в 1913) ця теорія «зів'яла». У 1852 В.Вебер висловив припущення, що кожен атом магнітного речовини являє собою крихітний магніт, або магнітний диполь, так що повна намагніченість речовини досягається, коли всі окремі атомні магніти виявляються збудованими в певному порядку (рис. 4, б). Вебер вважав, що зберігати своє впорядкування всупереч обурює впливу теплових коливань цим елементарним магнітів допомагає молекулярне або атомне «тертя». Його теорія змогла пояснити намагнічування тіл при зіткненні з магнітом, а також їх розмагнічування при ударі або нагріванні; нарешті, пояснювалося і «розмноження» магнітів при розрізанні намагніченою голки або магнітного стержня на частини. І все ж ця теорія не пояснювала ні походження самих елементарних магнітів, ні явищ насичення і гістерезису. Теорія Вебера була вдосконалена в 1890 Дж.Евінгом, який замінив його гіпотезу атомного тертя ідеєю міжатомних обмежують сил, які допомагають підтримувати впорядкування елементарних диполів, які становлять постійний магніт.

Підхід до проблеми, запропонований колись Ампером, отримав друге життя в 1905, коли П. Ланжевен пояснив поведінку парамагнітних матеріалів, приписавши кожному атому внутрішній нескомпенсований електричний струм. Згідно Ланжевену, саме ці струми утворюють крихітні магніти, хаотично орієнтовані, коли зовнішнє поле відсутнє, але набувають впорядковану орієнтацію після його застосування. В цьому разі наближення до повної впорядкованості відповідає насиченню намагніченості. Крім того, Ланжевен ввів поняття магнітного моменту, рівного для окремого атомного магніту твору «магнітного заряду» полюса на відстань між полюсами. Таким чином, слабкий магнетизм парамагнітних матеріалів обумовлений сумарним магнітним моментом, створюваним нескомпенсованими електронними струмами.

У 1907 П.Вейс ввів поняття «домену», що стало важливим внеском у сучасну теорію магнетизму. Вейс представляв домени в вигляді невеликих «колоній» атомів, в межах яких магнітні моменти всіх атомів в силу якихось причин змушені зберігати однакову орієнтацію, так що кожен домен намагнічений до насичення. Окремий домен може мати лінійні розміри близько 0,01 мм і відповідно обсяг порядку 10-6 мм3. Домени розділені так званими блохівське стінками, товщина яких не перевищує 1000 атомних розмірів. «Стінка» і два протилежно орієнтованих домену схематично зображено на рис. 5. Такі стінки являють собою «перехідні шари», в яких відбувається зміна напрямку намагніченості доменів.

У загальному випадку на кривій первісного намагнічування можна виділити три ділянки (рис. 6). На початковій ділянці стінка під дією зовнішнього поля рухається крізь товщу речовини, поки не зустріне дефект кристалічної решітки, який її зупиняє. Збільшивши напруженість поля, можна змусити стінку рухатися далі, через середній ділянку між штриховими лініями. Якщо після цього напруженість поля знову зменшити до нуля, то стінки вже не повернуться в початкове положення, так що зразок залишиться частково намагніченим. Цим пояснюється гистерезис магніту. На кінцевій ділянці кривої процес завершується насиченням намагніченості зразка за рахунок упорядкування намагніченості всередині останніх невпорядкованих доменів. Такий процес майже повністю звернемо. Магнітну твердість проявляють ті матеріали, у яких атомна решітка містить багато дефектів, що перешкоджають руху междоменной стінок. Цього можна досягти механічної і термічної обробкою, наприклад шляхом стиснення і наступного спікання порошкоподібного матеріалу. У сплавах Алнико і їх аналогах той же результат досягається шляхом сплаву металів в складну структуру.

Крім парамагнітних і феромагнітних матеріалів, існують матеріали з так званими антиферомагнітного і феррімагнітном властивостями. Різниця між цими видами магнетизму пояснюється на рис. 7. Виходячи з уявлення про доменах, парамагнетизм можна розглядати як явище, обумовлене наявністю в матеріалі невеликих груп магнітних диполів, в яких окремі диполі дуже слабо взаємодіють один з одним (або взагалі не взаємодіють) і тому за відсутності зовнішнього поля приймають лише випадкові орієнтації ( рис. 7, а). У феромагнітних же матеріалах у межах кожного домена існує сильна взаємодія між окремими диполями, що приводить до їх впорядкованого паралельного вибудовування (рис. 7, б). У антиферомагнітних матеріалах, навпаки, взаємодія між окремими диполями призводить до їх антипаралельними впорядкованого вибудовування, так що повний магнітний момент кожного домена дорівнює нулю (рис. 7, в). Нарешті, в феррімагнітних матеріалах (наприклад, ферритах) є як паралельне, так і антипаралельними впорядкування (рис. 7, г), підсумком чого виявляється слабкий магнетизм.

Є два переконливою експериментального підтвердження Існування доменів. Перше з них - так звань ефект Баркгаузена, друга - метод порошкових фігур. У 1919 Г.Баркгаузен ВСТАНОВИВ, что при накладенні зовнішнього поля на зразок з феромагнітного матеріалу его намагніченість змінюється невелика дискретних порціямі. З точки зору доменної Теорії Це не что інше, як стрібкоподібне продвижения междоменной стінкі, яка зустрічає на своєму шляху ОКРЕМІ затрімують ее дефекти. Даній ефект зазвічай віявляється с помощью котушки, в якові поміщається феромагнітній стрижень або дріт. Если по черзі підносіті до бланках и відаляті від него Сильний магніт, зразок буде намагнічуватіся и перемагнічуватіся. Стрибкоподібні зміни намагніченості зразка змінюють магнітний потік через котушку, і в ній збуджується індукційний струм. Напруга, що виникає при цьому в котушці, посилюється і подається на вхід пари акустичних навушників. Клацання, що сприймаються через навушники, свідчить про стрибкоподібному зміні намагніченості.

Для виявлення доменної структури магніту методом порошкових фігур на добре відполіровану поверхню намагніченого матеріалу наносять краплю колоїдної суспензії феромагнітного порошку (зазвичай Fe3O4). Частинки порошку осідають в основному в місцях максимальної неоднорідності магнітного поля - на кордонах доменів. Таку структуру можна вивчати під мікроскопом. Було запропоновано також метод, заснований на проходженні поляризованого світла крізь прозорий феромагнітний матеріал.

Первісна теорія магнетизму Вейса в своїх основних рисах зберегла своє значення до теперішнього часу, отримавши, однак, оновлену інтерпретацію на основі подання про що не компенсуються електронних спинах як чинник, що визначає атомний магнетизм. Гіпотеза про існування власного моменту у електрона була висунута в 1926 С.Гаудсмітом і Дж.Уленбеком, і в даний час в якості «елементарних магнітів» розглядаються саме електрони як носії спина.

Для пояснення цієї концепції розглянемо (рис. 8) вільний атом заліза - типового феромагнітного матеріалу. Дві його оболонки (K і L), найближчі до ядра, заповнені електронами, причому на першій з них розміщені два, а на другий - вісім електронів. В K -Оболонки спин одного з електронів позитивний, а іншого - негативний. В L-оболонках (точніше, в двох її подоболочкі) у чотирьох з восьми електронів позитивні, а у інших чотирьох - негативні спини. В обох випадках спини електронів в межах однієї оболонки повністю компенсуються, так що повний магнітний момент дорівнює нулю. В M -Оболонки ситуація інша, оскільки з шести електронів, що знаходяться в третій подоболочкі, п'ять електронів мають спини, спрямовані в одну сторону, і лише шостий - в іншу. В результаті залишаються чотири компенсуються спина, ніж та обумовлені магнітні властивості атома заліза. (У зовнішній N -Оболонки всього два валентних електрона, які не дають вкладу в магнетизм атома заліза.) Подібним чином пояснюється магнетизм і інших феромагнетиків, наприклад нікелю і кобальту. Оскільки сусідні атоми в зразку заліза сильно взаємодіють один з одним, причому їх електрони частково коллектівізіруются, таке пояснення слід розглядати лише як наочну, але вельми спрощену схему реальної ситуації.

Теорію атомного магнетизму, засновану на обліку спина електрона, підкріплюють два цікавих гіромагнітних експерименту, один з яких був проведений А.Ейнштейном і В.де Гаазом, а інший - С.Барнеттом. У першому з цих експериментів циліндрик з феромагнітного матеріалу підвішувався так, як показано на рис. 9. Якщо по дроту обмотки пропустити струм, то циліндрик повертається навколо своєї осі. При зміні напрямку струму (а отже, і магнітного поля) він повертається в зворотному напрямку. В обох випадках обертання циліндрика обумовлено упорядкуванням електронних спінів. В експерименті Барнетта, навпаки, так само підвішений циліндрик, різко наведений в стан обертання, за відсутності магнітного поля намагничивается. Цей ефект пояснюється тим, що при обертанні магнетика створюється гіроскопічний момент, прагне повернути спінові моменти у напрямку власної осі обертання.

За більш повним поясненням природи і походження короткодіючих сил, що упорядковують сусідні атомні магнітики і протидіючих разупорядочівающему впливу теплового руху, слід звернутися до квантової механіки. Квантово-механічне пояснення природи цих сил було запропоновано в 1928 В. Гейзенбергом, який постулював існування обмінних взаємодій між сусідніми атомами. Пізніше Г.Бете і Дж.Слетер показали, що обмінні сили істотно зростають зі зменшенням відстані між атомами, але після досягнення деякого мінімального межатомного відстані падають до нуля.

МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ

Одне з перших великих і систематичних досліджень магнітних властивостей речовини було зроблено П.Кюрі. Він встановив, що по своїх магнітних властивостях все речовини можна розділити на три класи. До першого належать речовини з різко вираженими магнітними властивостями, подібними властивостями заліза. Такі речовини називаються феромагнітними; їх магнітне поле помітно на значних відстанях (див. вище). У другий клас потрапляють речовини, які називаються парамагнітним; магнітні властивості їх в загальному аналогічні властивостям феромагнітних матеріалів, але набагато слабкіше. Наприклад, сила тяжіння до полюсів потужного електромагніту може вирвати з ваших рук залізний молоток, а щоб виявити тяжіння парамагнитного речовини до того ж магніту, потрібні, як правило, дуже чутливі аналітичні ваги. До останнього, третього класу належать так звані діамагнітниє речовини. Вони відштовхуються електромагнітом, тобто сила, що діє на Діамагнетик, спрямована протилежно тій, що діє на ферро- і парамагнетики.

Вимірювання магнітних властивостей.

При вивченні магнітних властивостей найбільш важливе значення мають вимірювання двох типів. Перший з них -Вимірювання сили, що діє на зразок поблизу магніту; так визначається намагніченість зразка. До другого відносяться вимірювання «резонансних» частот, пов'язаних з намагнічених речовини. Атоми являють собою крихітні «гіроскопи» і в магнітному полі прецессируют (як звичайний дзига під впливом крутного моменту, створюваного силою ваги) з частотою, яка може бути виміряна. Крім того, на вільні заряджені частинки, які рухаються під прямим кутом до ліній магнітної індукції, діє сила, як і на електричний струм в провіднику. Вона змушує частку рухатися по круговій орбіті, радіус якої дається виразом

R = mv / eB,

де m - маса частинки, v - її швидкість, e - її заряд, а B - магнітна індукція поля. Частота такого кругового руху дорівнює

де f вимірюється в герцах, e - в кулонах, m - в кілограмах, B - в теслах. Ця частота характеризує рух заряджених частинок в речовині, що знаходиться в магнітному полі. Обидва типи рухів (прецесію і рух по кругових орбітах) можна порушити змінними полями з резонансними частотами, рівними «природним» частотам, характерним для даного матеріалу. У першому випадку резонанс називається магнітним, а в другому - циклотронним (з огляду на схожість з циклічним рухом субатомной частки в циклотроні).

Говорячи про магнітні властивості атомів, необхідно особливо зупинитися на їх моменті імпульсу. Магнітне поле діє на обертовий атомний диполь, прагнучи повернути його і встановити паралельно полю. Замість цього атом починає прецессировать навколо напрямку поля (рис. 10) з частотою, що залежить від дипольного моменту і напруженості прикладеного поля.

Прецессия атомів не піддається безпосередньому спостереженню, оскільки всі атоми зразка прецессируют в різній фазі. Якщо ж прикласти невелике змінне поле, спрямоване перпендикулярно постійному упорядковує полю, то між прецессирует атомами встановлюється певний фазовий співвідношення і їх сумарний магнітний момент починає прецессировать з частотою, рівній частоті прецесії окремих магнітних моментів. Важливе значення має кутова швидкість прецесії. Як правило, це величина порядку 1010 Гц / Тл для намагніченості, пов'язаної з електронами, і порядку 107 Гц / Тл для намагніченості, пов'язаної з позитивними зарядами в ядрах атомів.

Принципова схема установки для спостереження ядерного магнітного резонансу (ЯМР) представлена ​​на рис. 11. У однорідне постійне поле між полюсами вводиться досліджуване речовина. Якщо потім за допомогою невеликої котушки, що охоплює пробірку, порушити радіочастотне поле, то можна домогтися резонансу на певній частоті, рівній частоті прецесії всіх ядерних «гіроскопів» зразка. Вимірювання схожі з налаштуванням радіоприймача на частоту певної станції.

Методи магнітного резонансу дозволяють досліджувати не тільки магнітні властивості конкретних атомів і ядер, але і властивості їх оточення. Справа в тому, що магнітні поля в твердих тілах і молекулах неоднорідні, оскільки спотворені атомними зарядами, і деталі ходу експериментальної резонансної кривої визначаються локальним полем в області розташування прецессірующего ядра. Це і дає можливість вивчати особливості структури конкретного зразка резонансними методами.

Розрахунок магнітних властивостей.

Магнітна індукція поля Землі становить 0,5 Ч 10-4 Тл, тоді як поле між полюсами сильного електромагніта - близько 2 Тл і більше.

Магнітне поле, створюване будь-якої конфігурації струмів, можна обчислити, користуючись формулою Біо - Савара - Лапласа для магнітної індукції поля, створюваного елементом струму. Розрахунок поля, створюваного контурами різної форми і циліндричними котушками, у багатьох випадках вельми складний. Нижче наводяться формули для ряду простих випадків. Магнітна індукція (в теслах) поля, створюваного довгим прямим проводом з струмом I (ампер), на відстані r (метрів) від проводу дорівнює

Індукція в центрі кругового витка радіуса R з струмом I дорівнює (в тих же одиницях):

Щільно намотана котушка проводу без залізного сердечника називається соленоїдом. Магнітна індукція, створювана довгим соленоидом c числом витків N в точці, досить віддаленій від його кінців, дорівнює

Тут величина NI / L є число ампер (ампер-витків) на одиницю довжини соленоїда. У всіх випадках магнітне поле струму направлено перпендикулярно цьому струму, а сила, що діє на струм в магнітному полі, перпендикулярна і току, і магнітному полю.

Поле намагніченого залізного стрижня схоже з зовнішнім полем довгого соленоїда з числом ампер-витків на одиницю довжини, відповідним току в атомах на поверхні намагніченого стрижня, оскільки струми усередині стрижня взаємно компенсуються (рис. 12). На ім'я Ампера такий поверхневий струм називається амперовскім. Напруженість магнітного поля Ha, створювана амперовскім струмом, дорівнює магнітному моменту одиниці об'єму стержня M.

Якщо в соленоїд вставлений залізний стрижень, то крім того, що струм соленоїда створює магнітне поле H, впорядкування атомних диполів в намагніченому матеріалі стержня створює намагніченість M. В цьому випадку повний магнітний потік визначається сумою реального і амперовского струмів, так що B = m 0 (H + Ha), або B = m 0 (H + M). Ставлення M / H називаетсямагнітной сприйнятливістю і позначається грецькою буквою c; c - безрозмірна величина, що характеризує здатність матеріалу намагнічуватися в магнітному полі.

Величина B / H, що характеризує магнітні властивості матеріалу, називається магнітною проникністю і позначається через ma, причому ma = m 0 m, де ma - абсолютна, а m - відносна проникності,

У феромагнітних речовинах величина c може мати дуже великі значення -до 104 е 106. Величина c у парамагнітних матеріалів трохи більше нуля, а у діамагнітних - трохи менше. Лише в вакуумі і в дуже слабких полях величини c і m постійні і не залежать від зовнішнього поля. Залежність індукції B від H зазвичай нелінійна, а її графіки, т.зв. криві намагнічування, для різних матеріалів і навіть при різних температурах можуть істотно відрізнятися (приклади таких кривих наведені на рис. 2 і 3).

Магнітні властивості речовини дуже складні, і для їх глибокого розуміння необхідний ретельний аналіз будови атомів, їх взаємодій в молекулах, їх зіткнень в газах і їх взаємного впливу в твердих тілах і рідинах; магнітні властивості рідин поки найменш вивчені.