Под действием  внешнего поля тело намагничивается и приобретает магнитный момент (который у Пасыкова обозначен M), равный сумме проекций на направление магнитных моментов атомов. Суммарный магнитный момент тела на единицу объема называется интенсивностью намагничивания или намагниченность

(у Пасыкова ) и в изотопных телах представляет собой вектор, параллельный или антипараллельный вектору .

Намагниченность выражает интенсивность магнитного поля, создаваемого магнитными моментами атомов, и складываясь векторно и индукцией внешнего поля

где m₀=4p10^-7 Гн/м - магнитная постоянная, определяет индукцию поля внутри тела

Для изотропных тел (т.е. с физической неразличимостью всевозможных направлений) векторную сумму можно заменить алгебраической

B=B₀+m₀M_M=m₀(H+M)

Это выражение  можно преобразовать к виду

B=m₀H+m₀c_мH=(1+cм)m₀H=(1+cм)B₀=m_rB₀

Здесь относительная магнитная восприимчивость 
- относительная магнитная проницаемость

Величина c_м = m_r-1 устанавливает связь между внешним магнитным полем и магнитным полем атомов тела. Знак и величина cм указывают на характер магнитных свойств вещества. В соответствии с этим можно выделить три основных типа тел

• диамагнетики (cм @ -10^-6 ¸ -10^-7);
• парамагнетики (cм = -10^-6 ¸ 10^-7);
• ферромагнетики (cм @ 10² ¸ 10³).

Диамагнетики обладают малой и отрицательной магнитной восприимчивостью, не зависящей от напряженности внешнего магнитного поля и температуры. Векторы и антипараллельны, т.е. тело намагничивается а направлении, противоположном направлению поля.

Диамагнетизм  обусловлен небольшим изменением угловой  скорости орбитального вращения электронов при внесении атома в магнитное  поле. Диамагнитный эффект является проявлением  закона электромагнитной индукции на атомном уровне. Электронную орбиту можно рассматривать как замкнутый контур, не обладающий активным сопротивлением. Под действием внешнего поля в контуре изменяется сила тока и возникает дополнительный магнитный момент. Согласно закону Ленца, этотр момент направлен навстречу внешнему полю. Т.о., следует предположить, что диамагнетизм присущ всем веществам. Это подтверждается экспериментально, однако в тех случаях, когда диамагнитные свойства перекрываются более "сильными" эффектами (пара- или ферро магнетизмом), диамагнетизмом тела можно пренебречь. В чистом виде диамагнетизм можно наблюдать в веществах , у которых атомы в отсутствии внешнего поля обладают равным нулю магнитным моментом. К диамагнетикам относятся благородные газы, большинство органических соединений и некоторые металлы (Pb, Zn, Cu, Ag и др.) и полупроводники (Se, Si, Ge).

Парамагнетики обладают сравнительно небольшой и  положительной величиной cм и  намагничиваются в направлении  внешнего магнитного поля. С увеличением  напряженности поля H намагниченность парамагнетика возрастает практически линейно, однако при больших значениях H и при низких температурах она достигает насыщения M_S (рис.142).

В парамагнетиках атомы обладают элементарным магнитным  моментом даже в отсутствие внешнего поля, однако, из-за теплового движения эти магнитные моменты распределены хаотично так, что намагниченность  вещества в целом равна нулю. Внешнее  магнитное поле вызывает преимущественную ориентацию магнитных моментов атомов в одном направлении. Тепловая энергия противодействует созданию магнитной упорядоченности. Поэтому парамагнтная восприимчивость c_M сильно зависит от T^o K. для большинства твердых парамагнетиков температурное изменение магнитной восприимчивости подчиняется закону Кюри-Вейса (рис.143)

где C и q - постоянные величины для данного вещества.

К числу парамагнетиков относится кислород, окись азота, щелочные и щелочно-земельные металлы (Al, Ca, Cr, Na, Mg, Ta, Pt), некоторые переходные металлы g-Fe, d-Fe, соли железа, кобальта, никеля и редкоземельных элементов.

Парамагнитный эффект по физической природе во многом аналогичен дипольно-релаксационной поляризации  диэлементов.

Ферромагнетики  представляют собой особую группу веществ  с большой положительной величиной  магнитной восприимчивости, зависящей не только от напряженности поля, но и от "предыстории", т.е. от предварительного намагничивания вещества ((Fe, Co, Ni), (Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm) повышением напряженности внешнего магнитного поля намагниченность ферромагнетика быстро возрастает, однако при больших напряженностях H она достигает насыщения (рис.144 а), причем на наиболее крутом участке характеристики увеличение намагниченности происходит не плавно, а мелкими скачками (эффект Баркгаузена).

Процесс намагничивания сопровождается явлением гистерезиса (рис.144 б). С ростом напряженности внешнего поля H индукция H растет по кривой 1-2 и в точке 2 достигает насыщения. Однако при уменьшении H индукция изменяется уже по кривой 2-3-4-5 и при H=0 ферромагнетик не размагничивается полностью. Величина Вост. Называется остаточным магнетизмом. Полное размагничивание ферромагнетика происходит только при H = -Н_с (Н_с - коэрцитивная сила), а затем начинается перемагничивание в противоположном направлении, вплоть до насыщения в точке 5.

При изменении  напряженности от -Н₁ до +Н₁ гистерезисная кривая замыкается по линии 5-6-7-2. Площадь петли гистерезиса пропорциональна запасенной магнитной энергии, которая при перемагничивании переходит в тепло. По величине коэрцитивной силы ферромагнетики подразделяются на мягкие - с малой коэрцитивной силой и жесткие, или высококоэрцитивные - с широкой теплей гистерезиса.

Магнитомягкие материалы, у которых величина Н_с может быть сделана не более 0.1 А/м, используют для статоров и роторов электромашин и магнитопроводов электромагнитных устройств (трансформаторы, дроссели, реле и т.д.).

У магнитожестких материалов, применяемых для постоянных магнитов, коэрцитивная сила может  быть повышена до 10⁶ А/м. 

 
 
 
 

С ростом T^o К намагниченность ферромагнетика уменьшается, и при определенной температуре q_к, называемой ферроомагнитной точкой Кюри, он превращается в парамагнетик с линейной зависимостью c_м от 1/Т (закон Кюри-Вейсса).

где С₁ - постоянная Кюри, q - парамагнитная температура Кюри; (q > q_к).

Для всех ферромагнетиков  характерна идентичная зависимость

где М_s(Т) - намагниченность насыщения при температуре T. Величина q_к равна 1043^o К для Fe - 1403К для Со и 631К для Ni.

Анизотропия кристаллической  структуры сказывается и на ферромагнитных свойствах тела. Вдоль определенных кристаллографических направлений, называемых направлениями легкого намагничивания, насыщение намагниченности достигается при меньших значениях H, чем вдоль направлений трудного намагничивания, и при этом затрачивается меньшая энергия.

Намагничивание  ферромагнетиков вызывает изменение их размеров. Это явление называется магнитострикцией. Наблюдается и обратное явление: при механическом сжатии образца в том же направлении, в котором он укорачивался в магнитном поле, облегчается процесс намагничивания, тогда как растяжение приводит к затруднению намагничивания (магнитоупругий эффект).

Намагниченность ферромагнетика зависит от температуры, и в некоторых веществах с  заметно выраженной магнитострикцией коэффициент линейного расширения может быть близким к нулю, поскольку  обычное тепловое расширение компенсируется уменьшением размеров при изменении намагниченности с ростом температуры. На этом принципе создан ряд сплавов с малым коэффициентом линейного расширения (в частности, инвар). 
 
 
 
 
 

Магнитные элементы и материалы

Физические  процессы в магнитных  элементах

К магнитным  элементам электронных узлов  относятся дроссели (катушки индуктивности, реакторы) и трансформаторы

Все магнитные  элементы содержат обмотки с системой контактов и выводов, размещаемые  на каркасе. Магнитные элементы с сердечником имеют также сердечники из магнитного материала.

В отличие от резисторов и конденсаторов стандартизация номенклатуры дросселей и трансформаторов  оказалась невозможной из-за разнообразия магнитных элементов (число м  связь обмоток, число витков, размеры и т.п.), поэтому стандартизированы только сердечники. Стандартные трансформаторы выпускаются только для стандартной аппаратуры, выпускаемой очень большими сериями (например, радиовещательная и измерительная аппаратура).

Индуктивность однослойной цилиндрической катушки

L = L₀W²D*10^-3

L₀ - коэффициент, зависящий от отношения длины катушки l к ее диаметру; 
W - число витков.

Если воздушную среду заменить магнитным материалом (сердечником) с соответствующей магнитной  проницаемостью m_c, то индуктивность увеличится

L_c = m_cL

Здесь имеется  аналогия с воздействием диэлектрика  на емкость конденсатора. Величина магнитной проницаемости материала  сердечника

m = m_сk

где k>1 - коэффициент, зависящий от конфигурации и размеров сердечника

Способностью увеличивать индуктивность обладают магнитные материалы - ферромагнетики. В них имеются области - домены, - в которых магнитные моменты направлены параллельно друг другу. Магнитные моменты доменов расположены неупорядоченно, поэтому при отсутствии магнитного поля суммарная намагниченность вещества равна нулю. При приложении внешнего поля происходит рост доменов, намагниченность которых совпадает с направлением внешнего поля, и уменьшение размеров доменов, намагниченность которых не совпадает с внешним полем. В сильных полях возможна ориентация векторов намагниченности доменов. Намагниченность веществ определяется величиной индукции B. Известно соотношение:

B - индукция, Тл; 
m₀ = 4p10^-7, Гн/м - магнитная const; 
H - напряженность магнитного поля, А/м.