Вещества, намагничивающиеся под влиянием магнитного поля, называются магнетиками. Одни вещества при своем намагничивании внешним полем усиливают его, а другие ослабляют. Рассмотрим сначала вещества, молекулы которых имеют собственное магнитное поле, обусловленное орбитальным движением электронов вокруг ядер. Это магнитное поле подобно полю кругового тока. Поэтому такие молекулы можно представить себе в виде очень маленьких магнитиков с северным и южным полюсами.

Если такое вещество попадает во внешнее магнитное поле, то на его молекулы действуют вращающие моменты, которые создают упорядоченное расположение молекул вдоль линий магнитной индукции. При этом линии индукции входят в молекулу со стороны ее южного полюса, а выходят из нее со стороны северного полюса. Следовательно, внутри вещества происходит усиление магнитного поля. Тела, сделанные из подобных веществ, намагничиваются внешним полем так, как показано на рис. 22.21, а. При наложении созданного веществом поля на внешнее поле получается результирующее магнитное поле, показанное на рис. 22.21, б, где видно, что линии индукции оказались как бы втянутыми внутрь тела. Стержень из такого вещества во внешнем поле располагается вдоль линий индукции.

Из рис. 22.21 видно, что стержень должен втягиваться во внешнее магнитное поле, поскольку разноименные полюсы магнитов притягиваются.

Поскольку тепловое движение молекул вещества тела нарушает их упорядоченное расположение, намагниченность при повышении температуры уменьшается. Если это тело удалить из внешнего поля, то хаотическое движение молекул приведет к его полному размагничиванию.

Из описанного выше следует, что относительная магнитная проницаемость такого магнетика больше единицы. (Так, у марганца μ = 1,0038, у алюминия μ = 1,000023, у азота μ = 1,000000013.) Вещества, у которых магнитная проницаемость немного больше μ₀, называются парамагнетиками.

Итак, парамагнитные свойства вещества объясняют орбитальным движением электронов вокруг ядер атомов, создающим собственное магнитное поле молекул. Заметим, что парамагнетики намагничиваются очень слабо.

По-иному ведут себя во внешнем магнитном поле вещества, молекулы которых не имеют собственного магнитного поля. Тело из такого вещества намагничивается так, что внутри тела его собственное магнитное иоле направлено навстречу внешнему полю (рис. 22.22, а). Следовательно, внутри вещества поле несколько слабее, чем снаружи; линии индукции как бы вытесняются из тела (рис. 22.22, б). Относительная магнитная проницаемость таких магнетиков немного меньше единицы. (Например, у висмута μ=0,999824, у кремния μ=0,999837, у воды μ=0,999991, у водорода μ=0,999999937.)

Вещества, у которых магнитная проницаемость немного меньше μ₀, называют диамагнетиками. Диамагнитные свойства вещества проявляются еще слабее, чем парамагнитные свойства. Типичным представителем диамагнетиков является висмут. Из рис. 22.22, б видно, что диамагнетик должен выталкиваться из внешнего магнитного поля, поскольку одноименные полюсы магнитов отталкиваются. Причина диамагнитных свойств веществ будет рассмотрена в следующей главе.

Кроме описанных выше, имеется небольшая группа веществ, у которых относительная магнитная проницаемость во много раз больше единицы. Вещества, у которых магнитная проницаемость во много раз больше μ₀, называют ферромагнетиками. Наиболее ярким представителем этих веществ является железо. Оно может усиливать внешнее магнитное поле в тысячи раз. Ферромагнетиками также являются сталь, чугун, никель, кобальт, редкий металл гадолиний и некоторые сплавы ферромагнитных металлов. Эффект «втягивания» линий индукции внешнего поля в ферромагнетик выражен очень сильно (рис. 22.23).

Изучение строения ферромагнетиков с помощью микроскопа показало, что ферромагнетик состоит из множества самопроизвольно (спонтанно) намагниченных областей размерами около 0,001 мм, которые стали называть доменам и. В каждом из доменов магнитные моменты всех его молекул направлены в одну сторону.

Если ферромагнетик не намагничен, то домены в нем расположены хаотически (рис. 22.24, а). Когда ферромагнетик помещают во внешнее магнитное поле, то его домены перемагничиваются таким образом, что их магнитные моменты оказываются направленными по линиям индукции внешнего поля (ориентируются по направлению поля) и этим усиливают его во много раз (рис. 22.24, б).

К ферромагнетикам принадлежат только такие вещества, которые состоят из доменов. Когда направления магнитных полей всех доменов совпадут с направлением внешнего поля, ферромагнетик будет намагничен до предела. Такое состояние ферромагнетика называют магнитным насыщением. Отметим, что каждый отдельный домен всегда намагничен до насыщения.

Объяснение ферромагнитных свойств было найдено после того, как установили, что электроны, кроме орбитального движения вокруг ядер, вращаются вокруг своей оси, т. е. имеют собственный момент количества движения, получивший название «спин» (английское слово, означающее «верчение»).

Поскольку электрон заряжен, то он должен иметь и собственный магнитный момент. Магнитные моменты электронов в атоме могут иметь только два взаимно противоположных направления: параллельное и антипараллельное. В большинстве случаев магнитные моменты электронов в атомах имеют попарно противоположные направления, поэтому их магнитные поля скомпенсированы.

У ферромагнетиков в атомах имеется по нескольку электронов, магнитные моменты которых не скомпенсированы, так как направлены в одну сторону. Эти электроны усиливают магнитное поле вокруг атомов. Так как соседние атомы взаимодействуют друг с другом, обмениваясь валентными электронами, то магнитные моменты этих атомов располагаются параллельно, т. е. в веществе возникают домены.

Таким образом, магнитные свойства ферромагнетиков объясняются наличием нескомпенсированных спинов электронов у их атомов и электрическим взаимодействием между атомами, возникающим при обмене валентными электронами.