Na wartość indukcji magnetycznej ma wpływ materiał, który wypełnia wnętrze cewki (zwojnicy), jak również przewodnik (o dowolnym kształcie). Jego funkcja jest niemal analogiczna do funkcji jaką spełniają dielektryki w polu elektrycznym. Materiał magnetyczny może wzmacniać jak i osłabiać pole magnetyczne przewodnika (dielektryki nie posiadają takiej właściwości). W tej kategorii materiały te podzielić można na trzy różne typy. Pierwszym z nich są ferromagnetyki, które znacznie zwiększają wartość indukcji. Drugim typem są paramagnetyki, słabo zwiększające tę wartość. Trzeci rodzaj to diamagnetyki, których właściwości pozwalają na zmniejszenie indukcji magnetycznej. Jednym ze sposobów na odróżnienie tych materiałów jest wykonanie z niego cienkiego pręcika i zawieszenie pomiędzy nabiegunnikami elektromagnesu o silnym oddziaływaniu. W tej sytuacji pręcik wykonany z ferromagnetyku bądź paramagnetyku będzie się ustawiał równolegle do linii pola, natomiast pręcik diamagnetyczny prostopadle. Najbardziej przydatnym technicznie materiałem są ferromagnetyki (głównie żelazo i żelazostopy), znajdujące zastosowanie m.in. magnesy stałe, taśmy magnetofonowe, rdzenie elektromagnesów czy dyskietki.
Przenikalność magnetyczna (m) jest to wielkość określającą zdolność danego materiału (ośrodka) do zmiany wektora indukcji magnetycznej pod wpływem wektora natężenia pola magnetycznego. Wyraża stosunek indukcji magnetycznej w cewce zapełnionej konkretną substancją do indukcji magnetycznej w cewce próżniowej (przy zachowaniu tego samego natężenia prądu). Dla diamagnetyków względna przenikalność magnetyczna jest mniejsza od jedynki (zazwyczaj jest to różnica rzędu 10^(-6)- 10^(-5)). Paramagnetyki przyjmują tę wartość nieznacznie większą od jeden (o 4- 6 rzędy wielkości), podczas gdy dla ferromagnetyków wartość ta jest o wiele większa (sięga nawet kilkudziesięciu tysięcy). Dla materiałów diamagnetycznych i paramagnetycznych, wartość natężenia pola magnetycznego [H] jest proporcjonalna do indukcji pola magnetycznego [B], a współczynnik proporcjonalności wyrażony jest przez μ. Natężenie jest wielkością wektorową, charakteryzuje pole sił w danym punkcie w przestrzeni, równa jest sile działającej na dodatni jednostkowy biegun magnetyczny. Wartość ta nie zależy od właściwości magnetycznych środowiska. Jednostką natężenia pola magnetycznego [H] jest amper przez metr lub też iloczyn natężenia prądu w cewce z liczbą zwojów przez długość pola magnetycznego (dł. zwojów).
Podatność magnetyczna to współczynniki proporcjonalności w równaniu określającym wielkość namagnesowania jako funkcję natężenia pola magnetycznego
M = χ*H
gdzie:
M - namagnesowanie (moment magnetyczny jednostki objętości substancji)
χ - objętościowa podatność magnetyczna
H - natężenie pola magnetycznego
W zależności od właściwości substancji jej podatność magnetyczna zmienia się następująco:
χ < 0 - diamagnetyk, pole magnetyczne jest "wypychane" z takiego ciała (gęstość strumienia pola magnetycznego w porównaniu z próżnią maleje)
χ = 0 - brak podatności, np. dla próżni
χ > 0 - paramagnetyk, pole magnetyczne jest "wciągane" do takiego ciała (gęstość strumienia pola magnetycznego w porównaniu z próżnią rośnie)
χ >> 0 - ferromagnetyk
Dla paramagnetyków i diamagnetyków względna podatność magnetyczna wynosi χ = m -1. Wielkość χ jest wyznaczana eksperymentalnie z pomiarów siły ciężkości działającej na daną substancję, która jest umieszczona w silnym polu magnetycznym. Kolejną wielkością również mierzoną na drodze eksperymentu, jest ciężar próbki DQpr w polu magnetycznym i bez pola. Podatność magnetyczna χg w stosunku do 1 gram substancji
,
gdzie:
χwz - podatność magnetyczna wzorca
ΔQpr - różnica pomiędzy ciężarem próbki w polu magnetycznym i bez pola
ΔQwz - różnica pomiędzy ciężarem próbki w polu magnetycznym i bez pola
mpr - masa próbki
mwz - masa wzorca
(wzorcem najczęściej jest roztwór chlorku niklu, którego podatność gramowa jest dokładnie znana)
Dla materiałów ferromagnetycznych, wartość natężenia [H] nie jest wprost proporcjonalna do wartości indukcji magnetycznej [B]. Dlatego pełne zbadanie roli ośrodka nie jest możliwe za pomocą jednej stałej m. W tym wypadku niezbędne jest przebadanie szeregu zmian indukcji magnetycznej w ośrodku w trzech przypadkach: gdy pole zewnętrzne- przykładowo pochodzące od cewki/zwojnicy- rośnie w sposób cykliczny, maleje oraz przy jego zmianie kierunku. Zjawisko to ilustruje wykres poniżej (na osi rzędnych odłożono indukcję pola zewnętrznego B0 natomiast na osi odciętych indukcję całkowitą ).
Mamy tu do czynienia ze zjawiskiem histerezy. Jest to zależność aktualnego stanu układu od stanów w poprzedzających chwilach. Innymi słowy to opóźnienie w reakcji na czynnik zewnętrzny. Histerezę odkrył i opisał w roku 1890 James Alfred Ewing. Najbardziej znane przypadki tego zjawiska występują w materiałach magnetycznych i ferromagnetycznych, w których przemagnesowanie następuje dopiero po pewnym okresie działania zewnętrznego pola magnetycznego. W graficznej interpretacji zjawisko to jest przedstawiane jako pętla (w przypadku dwóch niezależnych od siebie wielkości). W przypadku braku histerezy wykres linią prostą. W tym przypadku dla danej B0 indukcja B jest mniejsza w fazie wzrostu pola w stosunku do wartości w fazie jego spadku. Jest to spowodowane tym, że zmiany namagnesowania ośrodka zachodzą z opóźnieniem, ze względu na pewnego rodzaju opory. Gdy wykres przedstawia "cienką" pętlę histerezy, oznacza to, że straty energii przy przemagnesowaniu są niewielkie. Ferromagnetyki o takich właściwościach to ferromagnetyki miękkie, wykorzystywane głownie do produkcji rdzenia transformatorów. Z kolei magnetyzację ferromagnetyków twardych trudniej jest zmienić, co ilustruje wykres ( pętla "szeroka").
Wszelkie zjawiska magnetyczne w materii tłumaczone są jako efekt wzajemnych oddziaływań elektronów z polem magnetycznym. Ze względu na dipolowy charakter atomów materiałów paramagnetycznych i ferromagnetycznych, można je wyrazić jako prądy cząsteczkowe, które krążą w miniaturowych pętlach. W substancjach paramagnetycznych dipole te są zorientowane bezładnie, ale ulegają częściowej polaryzacji (czyli uporządkowaniu) na wskutek działania zewnętrznego pola magnetycznego. Jednak w przypadku wyłączenia zewnętrznego pola, następuje chaotyczny ruch cieplny tych atomów, tym samym uporządkowanie znika. W substancjach ferromagnetycznych mamy do czynienia z dość silnym oddziaływaniem, które jest efektem kwantowym (specyficznym efektem związanym z mechanika kwantową, zjawiska te zachodzą w mikroskali), a wynika z faktu, że cząstka elementarna, jaką jest elektron, ma swój własny moment pędu zwany też spinem. Oddziaływanie to zachodzi między sąsiednimi dipolami, polaryzując je tak, że cały obszar zostaje podzielony na domeny- strefy z dipolami zgodnie zorientowanymi- takie bardzo małe magnesy. Jednolite namagnesowanie całej bryły, jaką jest ferromagnetyk, jest znacznie utrudnione poprzez ograniczony wzrost domen, które jest wynikiem oddziaływania magnetycznego pomiędzy domenami- tym samym sprzyja ich ustawianiu się przeciwnie- biegun N przyciąga biegun S. Gdy pole zewnętrzne jest odpowiednio silne, domeny (te zorientowanie zgodnie z polem) rosną w swych rozmiarach (kosztem pozostałych). Oprócz tego, w niektórych domenach może mieć miejsce zamiana namagnesowania. Zmianie pola towarzyszą opory.
W przypadku ogrzania ferromagnetyka do temperatury krytycznej- temperatury Curie, przechodzi w stan paramagnetyczny (zrywa się sprzężenie sąsiadujących ze sobą dipoli). Następuje gwałtowna utrata właściwości magnetycznych i substancja staje się paramagnetykiem. Zjawisko to wynika ze zmiany fazy ciała stałego. W przypadku, gdy temperatura jest niższa od temperatury Curie, dipole magnetyczne atomów lub cząsteczek ustawiają są przez wiązania chemiczne w jednym kierunku, tworząc domeny ferromagnetyczne. Natomiast gdy temperatura przewyższa temperaturę Curie, drgania cieplne sieci krystalicznej niszczą ustawienia dipoli magnetycznych, w skutek czego dipole wykonują drgania.
Zewnętrzne pole magnetyczne wywołuje zakłócenia w ruchu elektronów wokół jądra co powoduje zjawisko zwane diamagnetyzmem. Polega ono na indukowaniu się w ciele (które znajduje się w zewnętrznym polu magnetycznym) pola przeciwnego, osłabiającego działanie zewnętrznego pola. Indukuje ono wtedy prąd elektryczny, powodujący wytworzenie się pola magnetycznego o zwrocie przeciwnym do pola zewnętrznego. Zatem, jeżeli umieścimy diamagnetyk w zewnętrznym polu magnetycznym, powstanie w nim [diamagnetyku] pole magnetyczne skierowane przeciwnie. Jest to powszechna cecha materii, skutecznie maskowana przez silniejszy w tym wypadku paramagnetyzm czy ferromagnetyzm.
W tabeli zestawiono podatność magnetyczną χ dla wybranych paramagnetyków i diamagnetyków (μ=1+χ), a także oraz temperaturę Curie TC dla niektórych substancji ferromagnetycznych:
|
PARAMAGNETYKI
|
DIAMAGNETYKI
|
FERROMAGNETYKI
| |||
|
Nazwa
|
χ
[10-6 cm3/mol]
|
Nazwa
|
χ
[10-6 cm3/mol]
|
Nazwa
|
Temp. Curie
[C0]
|
|
Lit
|
14,2
|
Wodór
|
-4,00
|
Żelazo
|
770
|
|
Sód
|
16,1
|
Miedź
|
-5,46
|
Kobalt
|
1121
|
|
Potas
|
20,8
|
Złoto
|
-28,0
|
Nikiel
|
357
|
|
Wapń
|
40
|
Srebro
|
-20
|
Gadolin
|
20,2
|
|
Magnez
|
12,6
|
Kadm
|
-19,7
| ||
|
Mangan
|
489
|
Rtęć
|
-33,5
| ||
|
Wolfram
|
57
|
Węgiel
|
-5,89
| ||
|
Chrom
|
182
|
Fosfor
|
-26,7
| ||
|
Aluminium
|
16,5
|
Hel
|
-1,884
| ||
|
Platyna
|
190
|
Azot
|
-12
| ||
|
Powietrze
|
360
|
Woda
|
-9
| ||
