Молекулярная теория магнетизма. Теория, объясняющая различие в магнитных свойствах веществ на основе изучения строения отдельных частиц этих веществ - их атомов или молекул,- получила название молекулярной теории магнетизма. Эта теория очень сложна и во многом еще не завершена. Поэтому здесь мы не можем разбирать ее сколько-нибудь подробно. Укажем лишь на основные причины различия между свойствами парамагнитных и диамагнитных тел.

Каждое тело, и парамагнитное и диамагнитное, представляется нам в целом ненамагниченным до тех пор, пока на него не действует внешнее магнитное поле. Но обусловливается это в телах парамагнитных и в телах диамагнитных разными причинами. Диамагнитными являются тела, каждая частица которых - атом или молекула - находясь вне магнитного поля, не обладает магнитными свойствами.

Только внешнее магнитное поле превращает их в элементарные магниты (вызывает элементарные токи), определенным образом направленные. Напротив, частицы парамагнитных веществ уже сами по себе, еще до того, как на них начало действовать внешнее поле, представляют собой элементарные магниты (элементарные токи). Здесь роль внешнего магнитного поля сводится к определенной ориентации, упорядочению расположения этих магнитиков. Пока поле не действовало, все они были расположены беспорядочно, хаотически, и вещество в целом представлялось нам ненамагничеиным. В магнитном же поле эти элементарные магниты выстраиваются в большей или меньшей мере параллельными цепочками и вещество в целом намагничивается.

В чем же состоит различие между строением частиц диамагнитных и парамагнитных веществ? В атомах всех тел есть большое число движущихся электронов. Каждый из них и представляет собой амперов элементарный круговой ток. Но в атомах диамагнитных веществ до внесения их в магнитное поле магнитные действия этих отдельных токов взаимно компенсируют друг друга, так что атом в целом не является элементарным магнитом. Когда мы вносим такое вещество в магнитное поле, то на каждый движущийся электрон действует сила Лоренца, и совокупное действие всех этих сил, как показывает расчет, приводит к тому, что в атоме индуцируется определенный ток, т.е. атом приобретает свойства элементарного магнитика. Так как эти токи являются индуцированными, то направление их, согласно правилу Ленца, должно быть противоположно направлению тока в катушке, создающего внешнее магнитное поле, т. е. магнитный поток от этих токов должен ослаблять поток внешнего поля, и диамагнитное тело отталкивается от магнита.

В атомах парамагнитных веществ магнитные действия отдельных электронов не полностью компенсируют друг друга, так что атом в целом и сам по себе является элементарным магнитом. Действие внешнего магнитного поля упорядочивает расположение этих элементарных токов (магнитиков), причем токи ориентируются так, что их направление преимущественно совпадает с направлением тока катушки, создающего внешнее магнитное поле. Поэтому магнитный поток от элементарных токов в этом случае усиливает поток катушки, и парамагнитное тело притягивается к магниту.

Строго говоря, диамагнетизм есть общее свойство всех веществ. Внешнее магнитное поле производит и на атомы парамагнитных веществ такое же индуцирующее действие, как на атомы диамагнитных веществ. Но в парамагнитных веществах это действие перекрывается более сильным ориентирующим действием внешнего магнитного поля, которое упорядочивает собственные элементарные токи атомов.

Из сказанного ясно, что свойства парамагнитных тел можно было бы объяснить и с помощью гипотезы Кулона об элементарных магнитиках. Однако явления диамагнетизма показывают неприемлемость этой гипотезы, ибо внешнее поле не может ориентировать элементарные магнитики навстречу полю, что нужно бы было допустить для объяснения диамагнетизма. Только теория молекулярных токов позволяет, как мы видели, с помощью явлений индукции объяснить диамагнитные свойства вещества наряду с парамагнитными.

Мы видим, таким образом, что диамагнетизм и парамагнетизм объясняются различиями в строении самих атомов или молекул вещества.

Магнитная защита. Само собой разумеется, что. намагничивание ферромагнитных, парамагнитных и диамагнитных тел происходит не только тогда, когда мы помещаем их внутрь соленоида, но и вообще всегда, когда вещество помещается в магнитное поле. Во всех этих случаях к магнитному полю, которое существовало до внесения нашего тела, добавляется магнитное поле, обусловленное намагничиванием вещества, в результате чего магнитное поле изменяется. Из сказанного ранее ясно, что наиболее сильные изменения поля происходят при внесении в него ферромагнитных тел, в частности железа. Изменение магнитного поля вокруг ферромагнитных тел очень удобно наблюдать, пользуясь картиной силовых линий, получаемой при помощи железных опилок.

На рис. 5 изображены, например, изменения, наблюдающиеся при внесении куска железа прямоугольной формы в магнитное поле, которое раньше было однородным.

Рис. 5 Изменение магнитного поля при внесении в него куска железа.

Как видим, поле перестает быть однородным и приобретает сложный характер: в одних местах оно усиливается, в других - ослабляется.

Очень интересно и практически важна картина, которая наблюдается при внесении в магнитное поле замкнутого железного сосуда, например шаровой формы.

Как видно из рис.6, в результате сложения внешнего магнитного поля с полем намагнитившегося железа поле во внутренней области шара почти исчезает. Этим пользуются для создания магнитной защиты или магнитной экранировки, т. е. для защиты тех или иных приборов от действия внешнего магнитного поля. Картина, которую мы наблюдаем при создании магнитной защиты, внешне напоминает создание электростатической защиты при помощи проводящей оболочки. Однако между этими явлениями есть глубокое принципиальное различие. В случае электростатической защиты металлические стенки могут быть сколь угодно тонки. Достаточно, например, посеребрить поверхность стеклянного сосуда, помещенного в электрическом поле, чтобы внутри сосуда не оказалось электрического поля, которое обрывается на поверхности металла. В случае же магнитного поля тонкие железные стенки не являются защитой для внутреннего пространства: магнитные поля проходят сквозь железо, и внутри сосуда оказывается некоторое магнитное поле. Лишь при достаточно толстых железных стенках ослабление поля внутри полости может сделаться настолько сильным, что магнитная защита приобретает практическое значение, хотя и в этом случае поле внутри не уничтожается целиком. И в этом случае ослабление поля не есть результат обрыва его на поверхности железа; магнитные силовые линии отнюдь не обрываются, но по-прежнему остаются замкнутыми, проходя сквозь железо.