Номер 4, страница 361 - гдз по физике 10 класс учебник Кабардин, Орлов

4. Опишите процесс взаимодействия вещества с магнитным полем.

4. Процесс взаимодействия вещества с магнитным полем определяется внутренним строением атомов и молекул этого вещества. Любое вещество, помещенное во внешнее магнитное поле, намагничивается, то есть само создает собственное магнитное поле. Это собственное поле складывается с внешним, изменяя его. Характер этого изменения зависит от типа вещества.

В основе магнитных свойств вещества лежат магнитные моменты элементарных частиц (электронов, протонов, нейтронов) и магнитные моменты, создаваемые движением электронов в атомах. Суммарный магнитный момент атома (или молекулы) определяет, как вещество будет вести себя в магнитном поле. По типу взаимодействия все вещества можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Для описания взаимодействия используется вектор намагниченности $\vec{M}$ — магнитный момент единицы объёма вещества. Результирующее магнитное поле (магнитная индукция) $\vec{B}$ внутри вещества связано с напряженностью внешнего магнитного поля $\vec{H}$ и намагниченностью $\vec{M}$ соотношением:

$\vec{B} = \mu_0(\vec{H} + \vec{M})$

где $\mu_0$ — магнитная постоянная. Для многих веществ (кроме ферромагнетиков) намагниченность пропорциональна полю: $\vec{M} = \chi \vec{H}$, где $\chi$ — магнитная восприимчивость. Тогда:

$\vec{B} = \mu_0(1 + \chi)\vec{H} = \mu_0 \mu \vec{H}$

Здесь $\mu = 1 + \chi$ — относительная магнитная проницаемость вещества, которая показывает, во сколько раз магнитное поле в веществе отличается от поля в вакууме.

Диамагнетики

Диамагнетизм — это универсальное свойство, присущее всем веществам. В атомах диамагнетиков в отсутствие внешнего поля суммарный магнитный момент равен нулю. При внесении вещества во внешнее магнитное поле, согласно закону электромагнитной индукции Ленца, в электронных орбитах возникают индукционные токи. Эти токи создают собственное магнитное поле, направленное против внешнего поля. В результате диамагнетики ослабляют внешнее магнитное поле и выталкиваются из него.

• Магнитная восприимчивость $\chi$ отрицательна и очень мала по модулю ($\chi \approx -10^{-6} \dots -10^{-5}$).
• Магнитная проницаемость $\mu$ немного меньше единицы ($\mu < 1$).
• Примеры: вода, медь, золото, висмут, инертные газы.

Парамагнетики

Парамагнетизм наблюдается у веществ, атомы или молекулы которых обладают собственными (постоянными) магнитными моментами. В отсутствие внешнего поля эти моменты из-за теплового движения ориентированы хаотично, и суммарная намагниченность равна нулю. При наложении внешнего магнитного поля магнитные моменты атомов получают преимущественную ориентацию вдоль направления поля. Это приводит к возникновению собственного магнитного поля, совпадающего по направлению с внешним и усиливающего его. Парамагнетики слабо втягиваются в магнитное поле.

• Магнитная восприимчивость $\chi$ положительна и мала ($\chi \approx 10^{-5} \dots 10^{-3}$).
• Магнитная проницаемость $\mu$ немного больше единицы ($\mu > 1$).
• Парамагнитные свойства ослабевают с ростом температуры.
• Примеры: алюминий, платина, кислород, магний.

Ферромагнетики

Ферромагнетики — это вещества, обладающие сильными магнитными свойствами. Их атомы также имеют собственные магнитные моменты, но, в отличие от парамагнетиков, в ферромагнетиках существуют силы (обменное взаимодействие) квантовой природы, которые заставляют магнитные моменты соседних атомов самопроизвольно выстраиваться параллельно друг другу. В результате образуются макроскопические области спонтанной намагниченности, называемые доменами.

В отсутствие внешнего поля домены ориентированы хаотично, и тело не намагничено. Во внешнем магнитном поле происходит перестройка доменной структуры: домены, ориентированные по полю, растут за счет других, и их векторы намагниченности поворачиваются вдоль поля. Это приводит к очень сильному увеличению магнитного поля внутри вещества. Ферромагнетики сильно втягиваются в магнитное поле.

• Магнитная восприимчивость $\chi$ положительна и очень велика ($\chi \gg 1$, может достигать $10^3 \dots 10^6$).
• Магнитная проницаемость $\mu$ также велика ($\mu \gg 1$).
• Обладают свойством гистерезиса — зависимость намагниченности не только от текущего значения поля, но и от предыстории. Могут сохранять остаточную намагниченность после снятия поля (постоянные магниты).
• При нагревании выше определенной температуры (точки Кюри) ферромагнетик теряет свои свойства и становится парамагнетиком.
• Примеры: железо, кобальт, никель, их сплавы, а также некоторые редкоземельные металлы.

Ответ: Взаимодействие вещества с магнитным полем заключается в его намагничивании — создании собственного магнитного поля в ответ на внешнее. Этот процесс определяется строением атомов вещества. В диамагнетиках индуцированное поле направлено против внешнего, ослабляя его. В парамагнетиках, имеющих атомы с собственными магнитными моментами, результирующее поле немного усиливает внешнее. В ферромагнетиках, благодаря коллективному упорядочению атомных магнитных моментов в доменах, происходит очень сильное усиление внешнего магнитного поля.