Магнетики

Все вещества в магнитном поле намагничиваются (в них возникает внутреннее магнитное поле). В зависимости от величины и направления внутреннего поля вещества разделяют на:

1) диамагнетики,

2) парамагнетики,

3) ферромагнетики.

Намагниченность вещества характеризуется магнитной проницаемостью ,

Магнитная индукция в веществе,

Магнитная индукция в вакууме.

Любой атом можно характеризовать магнитным моментом .

Сила тока в контуре, - площадь контура, - вектор нормали к поверхности контура.

Микроток атома создается движением отрицательных электронов по орбите и вокруг собственной оси, а также вращением положительного ядра вокруг собственной оси.

1. Диамагнетики.

Когда нет внешнего поля , в атомах диамагнетиков токи электронов и ядра скомпенсированы. Суммарный микроток атома и его магнитный момент равны нулю.

Во внешнем магнитном поле в атомах индуцируются (наводятся) ненулевые элементарные токи. Магнитные моменты атомов при этом ориентируются противоположно .

Создается небольшое собственное поле , направленное противоположно внешнему , и ослабляющего его.

В диамагнетиках .

Т.к. < , то для диамагнетиков 1.

2. Парамагнетики

В парамагнетиках микротоки атомов и их магнитные моменты не равны нулю.

Без внешнего поля эти микротоки расположены хаотично.

Во внешнем магнитном поле микротоки атомов парамагнетика ориентируются по полю , усиливая его.

В парамагнетике магнитная индукция = + , незначительно превышает .

Для парамагнетиков, 1. Для диа- и парамагнетиков можно считать 1.

Таблица 1. Магнитная проницаемость пара- и диамагнетиков.

Намагниченность парамагнетиков зависит от температуры, т.к. тепловое движение атомов препятствует упорядоченному расположению микротоков.

Большинство веществ в природе являются парамагнетиками.

Собственное магнитное поле в диа- и парамагнетиках незначительно и разрушается, если вещество убрать из внешнего поля (атомы возвращаются в исходное состояние, происходит размагничивание вещества).

3. Ферромагнетики

Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает сотен тысяч и зависит от величины намагничивающего поля (сильномагнитные вещества ).

Ферромагнетики: железо, сталь, никель, кобальт, их сплавы и соединения.

В ферромагнетиках существуют области самопроизвольного намагничивания («домены»), в которых все микротоки атомов ориентированы одинаково. Размер доменов достигает 0,1 мм.

В отсутствии внешнего поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотично и компенсируются. Во внешнем поле те домены, в которых микротоки усиливают внешнее поле, увеличивают свои размеры за счет соседних. Результирующее магнитное поле = + в ферромагнетиках намного сильнее по сравнению с пара- и диамагнетиками.

Домены, включающие миллиарды атомов, обладают инерционностью и не возвращаются быстро в первоначальное беспорядочное состояние. Поэтому, если ферромагнетик удалить из внешнего поля, то его собственное поле сохраняется длительное время.

Магнит размагничивается при длительном хранении (с течением времени домены возвращаются в хаотичное состояние).

Другой способ размагничивания – нагревание. Для каждого ферромагнетика существует температура (она называется «точка Кюри»), при которой в доменах разрушаются связи между атомами. В этом случае ферромагнетик превращается в парамагнетик и происходит его размагничивание. Например, точка Кюри для железа составляет 770°С.

Есть микроскопические круговые токи (молекулярные токи ). Эта идея в дальнейшем, после открытия электрона и строения атома, подтвердилась: эти токи создаются движением электронов вокруг ядра и, так как ориентированы одинаково, в сумме образуют поле внутри и вокруг магнита.

На рисунке а плоскости, в которых размещены элементарные электрические токи , ориентированы беспорядочно из-за хаотичного теплового движения атомов, и вещество не проявляет магнитных свойств. В намагниченном состоянии (под действием, например, внешнего магнитного поля) (рисунок б ) эти плоскости ориентированы одинаково, и их действия суммируются.

Магнитная проницаемость.

Реакция среды на воздействие внешнего магнитного поля с индукцией В0 (поле в вакууме) определяется магнитной восприимчивостью μ :

где В — индукция магнитного поля в веществе. Магнитная проницаемость аналогична диэлектрической проницаемости ɛ .

По своим магнитным свойствам вещества разделяются на диамагнетики , парамагнетики и фер ромагнетики . У диамагнетиков коэффициент μ , который характеризует магнитные свойства среды, меньше единицы (к примеру, у висмута μ = 0,999824); у парамагнетиков μ > 1 (у платины μ - 1,00036); у ферромагнетиков μ ≫ 1 (железо , никель , кобальт).

Диамагнетики отталкиваются от магнита, парамагнетики — притягиваются к нему. По этим призна-кам их можно отличить друг от друга. У многих веществ магнитная проницаемость почти не отличается от единицы, но у ферромагнетиков сильно превосходит ее, достигая нескольких десятков тысяч единиц.

Ферромагнетики.

Самые сильные магнитные свойства проявляют ферромагнетики. Магнитные поля, которые создаваются ферромагнетиками, гораздо сильнее внешнего намагничивающего по-ля. Правда, магнитные поля ферромагнетиков создаются не вследствие обращения электронов вокруг ядер — орбитального магнитного момента , а вследствие собственного вращения электрона — собственного магнитного момента, называемого спином .

Температура Кюри (Т с ) — это температура, выше которой ферромагнитные материалы те-ряют свои магнитные свойства. Для каждого ферромагнетика она своя. Например, для железа Т с = 753 °С, для никеля Т с = 365 °С, для кобальта Т с = 1000 °С. Существуют ферромагнитные спла-вы, у которых Т с < 100 °С.

Первые детальные исследования магнитных свойств ферромагнетиков были выполнены выдающимся русским физиком А. Г. Столетовым (1839-1896).

Ферромагнетики применяются довольно широко: в качестве постоянных магнитов (в электроизмерительных приборах, громкоговорителях, телефонах и так далее), стальных сердечников в транс-форматорах, генераторах, электродвигателях (для усиления магнитного поля и экономии элек-троэнергии). На магнитных лентах, которые изготовлены из ферромагнетиков, осуществляется запись звука и изображения для магнитофонов и видеомагнитофонов. На тонкие магнитные пленки про-изводится запись информации для запоминающих устройств в электронно-вычислительных ма-шинах.

Абсолютная магнитная проницаемость – это коэффициент пропорциональности, учитывающий влияние среды, в которой находятся провода.

Для получения представления о магнитных свойствах среды сравнивали магнитное поле вокруг провода с током в данной среде с магнитным полем вокруг того же провода, но находящегося в вакууме. Было установлено, что в одних случаях поле получается более интенсивным, чем в вакууме, в других – менее.

Различают:

v Парамагнитные материалы и среды, в которых получается более сильное МП (натрий, калий, алюминий, платина, марганец, воздух);

v Диамагнитные материалы и среды, в которых МП слабее (серебро, ртуть, вода, стекло, медь);

v Ферромагнитные материалы, в которых создается самое сильное магнитное поле (железо, никель, кобальт, чугун и их сплавы).

Абсолютная магнитная проницаемость для разных веществ имеет различную величину.

Магнитная постоянная – это абсолютная магнитная проницаемость вакуума.

Относительная магнитная проницаемость среды - безразмерная величина, показывающая во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость какого-либо вещества больше или меньше магнитной постоянной:

Для диамагнитных веществ - , для парамагнитных - (для технических расчетовдиамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице),у ферромагнитных материалов - .

Напряженность МП Н характеризует условия возбуждения МП. Напряженность в однородной среде не зависит от магнитных свойств вещества, в котором создается поле, но учитывает влияние величины тока и формы проводников на интенсивность МП в данной точке.

Напряженность МП – векторная величина. Направление вектора Н для изотропных сред (сред с одинаковыми магнитными свойствами во всех направлениях), совпадает с направлением магнитного поля или вектором в данной точке.

Напряженность магнитного поля, создаваемого различными источниками, приведена на рис. 13.

Магнитный поток – это общее число магнитных линий, проходящих через всю рассматриваемую поверхность. Магнитный поток Ф или поток МИ через площадь S , перпендикулярную магнитным линиям ра­вен произведению величины магнитной индукции В на величину площади, которая пронизывается этим магнитным потоком.

42) При внесении железного сердечника в катушку, магнитное поле возрастает, а сердечник намагничивается. Этот эффект был обнаружен Ампером. Им было так же обнаружено, что индукция магнитного поля в веществе может быть больше или меньше индукции самого поля. Такие вещества стали называть магнетиками.

Магнетики – это вещества, способные менять свойства внешнего магнитного поля.

Магнитная проницаемость веществаопределяется соотношением:

В 0 - индукция внешнего магнитного поля, В - индукция внутри вещества.

В зависимости от соотношения В и В 0 вещества делятся на три типа:

1) Диамагнетики (m<1), к ним относятся химические элементы: Cu, Ag, Au, Hg. Магнитная проницаемость m=1-(10 -5 - 10 -6) очень незначительно отличается от единицы.

Этот класс веществ был открыт Фарадеем. Эти вещества «выталкиваются» из магнитного поля. Если подвесить диамагнитный стержень возле полюса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Линии индукции поля и магнита, следовательно, направлены в разные стороны.

2) Парамагнетики имеют магнитную проницаемость m>1, причем в данном случае она также незначительно превышает единицу: m=1+(10 -5 - 10 -6). К этому виду магнетиков относятся химические элементы Na, Mg, K, Al.

Магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры и уменьшается при ее увеличении. Без намагничивающего поля парамагнетики не создают собственного магнитного поля. Постоянных парамагнетиков в природе нет.

3) Ферромагнетики (m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.

Эти вещества могут находиться в намагниченном состоянии и без внешнего поля. Существование остаточного магнетизма одно из важных свойств ферромагнетиков. При нагревании до высокой температуры ферромагнитные свойства вещества исчезают. Температура, при которой пропадают эти свойства, называют температурой Кюри (например, для железа T Кюри =1043 К).

При температуре ниже точки Кюри ферромагнетик состоит из доменов. Домены – это области самопроизвольного спонтанного намагничивания (рис.9.21). Размер домена составляет примерно 10 -4 -10 -7 м. Возникновением в веществе областей спонтанного намагничивания обусловлено существование магнетиков. Магнит из железа может долго сохранять свои магнитные свойства, так как в нем домены выстраиваются упорядоченно (преобладает одно направление). Магнитные свойства пропадут, если по магниту сильно ударить или сильно нагреть. В результате этих воздействий домены «разупорядочиваются».

Рис.9.21. Форма доменов: а) в отсутствии магнитного поля, б) при наличии внешнего магнитного поля.

Домены можно представить как замкнутые токи в микрообъемах магнетиков. Домен хорошо иллюстрирует рис.9.21, откуда видно, что ток в домене движется по ломаному замкнутому контуру. Замкнутые токи электронов приводят к возникновению магнитного поля перпендикулярно плоскости орбиты электронов. При отсутствии внешнего магнитного поля магнитное поле доменов направлено хаотично. Это магнитное поле под действием внешнего магнитного поля меняет направление. Магнетики, как уже отмечалось, делятся на группы в зависимости от того, как реагирует магнитное поле домена на действие внешнего магнитного поля. В диамагнетиках магнитное поле большего числа доменов направлено в сторону, противоположную действию внешнего магнитного поля, а в парамагнетиках, наоборот, в сторону действия внешнего магнитного поля. Однако число доменов, магнитные поля которых направлены в противоположные стороны, отличается на очень маленькую величину. Поэтому магнитная проницаемость m в диа- и парамагнетиках отличается от единицы на величину порядка 10 -5 - 10 -6 . В ферромагнетиках число доменов с магнитным полем по направлению внешнего поля во много раз превышает число доменов с противоположным направлением магнитного поля.

Кривая намагниченности. Петля гистерезиса. Явление намагниченности обусловлено существованием остаточного магнетизма при действии внешнего магнитного поля на вещество.

Магнитным гистерезисом называется явление запаздывания изменения магнитной индукции в ферромагнетике относительно изменения напряженности внешнего магнитного поля.

На рис.9.22, представлена зависимость магнитного поля в веществе от внешнего магнитного поля B=B(B 0). Причем по оси Оx откладывают внешнее поле , по оси Оy – намагниченность вещества. Увеличение внешнего магнитного поля приводит к возрастанию магнитного поля в веществе вдоль линии до значения . Уменьшение внешнего магнитного поля до нуля приводит к уменьшению магнитного поля в веществе (в точке с ) до величины В ост (остаточной намагниченности, значение которой больше нуля). Этот эффект является следствием запаздывания в намагниченности образца.

Значение индукции внешнего магнитного поля, необходимое для полного размагничивания вещества (точка d на рис.9.21) называют коэрцетивной силой . Нулевое значение намагниченности образца получают, изменяя направление внешнего магнитного поля до значения . Продолжая увеличивать внешнего магнитного поля в противоположном направлении до максимального значения, доводим его до величины . Затем, меняем направление магнитного поля, увеличивая его обратно, до значения . В этом случае у нас вещество остается намагниченным. Только величина индукции магнитного поля имеет противоположное направление по сравнению со значением в точке . Продолжая увеличивать значение магнитной индукции в том же направлении, достигаем полной размагниченности вещества в точке , и далее, оказываемся вновь в точке . Таким образом, получаем замкнутую функцию, которая описывает цикл полного перемагничивания. Такая зависимость за цикл полного перемагничивания индукции магнитного поля образца от величины внешнего магнитного поля называется петлей гистерезиса . Форма петли гистерезиса является одной из основных характеристик любого ферромагнитного вещества. Однако в точку , таким способом попасть невозможно.

В настоящее время достаточно просто получают сильные магнитные поля. Большое количество установок и устройств работают на постоянных магнитах. В них достигаются поя 1 – 2 Тл при комнатной температуре. В небольших объемах физики научились получать постоянные магнитные поля до 4 Тл, используя для этой цели специальные сплавы. При низких температурах, порядка температуры жидкого гелия получают магнитные поля выше 10 Тл.

43) Закон электромагнитной индукции (з.Фарадея-Максвелла). Правила Ленца

Обобщая результат опытов, Фарадей сформулировал закон электромагнитной индукции. Он показал, что при всяком изменении магнитного потока в замкнутом проводящем контуре возбуждается индукционный ток. Следовательно, в контуре возникает ЭДС индукции.

ЭДС индукции прямо пропорциональна скорости изменения магнитного потока во времени . Математическую запись этого закона оформил Максвелл и поэтому он называется законом Фарадея-Максвелла (законом электромагнитной индукции).

Называемой магнитной проницаемостью. Абсолютная магнитная проницаемость среды - это отношение B к H. Согласно Международной системе единиц она измеряется в единицах, называемых 1 генри на метр.

Числовое значение ее выражается отношением ее величины к величине магнитной проницаемости вакуума и обозначается µ. Данная величина именуется относительной магнитной проницаемостью (или просто магнитной проницаемостью) среды. Как величина относительная, она не имеет единицы измерения.

Следовательно, относительная магнитная проницаемость µ - величина, показывающая, в какое число раз индукция поля данной среды меньше (или больше) индукции вакуумного магнитного поля.

При воздействии на вещество внешним магнитным полем оно становится намагниченным. Каким образом это происходит? По гипотезе Ампера, в каждом веществе постоянно циркулируют микроскопические электротоки, вызванные движением электронов по своим орбитам и наличием у них собственного В обычных условиях это движение неупорядочено, и поля «гасят» (компенсируют) друг друга. При помещении тела во внешнее поле происходит упорядочивание токов, и тело становится намагниченным (т. е. обладающим своим полем).

Магнитная проницаемость всех веществ различна. Исходя из ее величины, вещества подлежат делению на три большие группы.

У диамагнетиков величина магнитной проницаемости µ - чуть меньше единицы. Например, у висмута µ = 0,9998. К диамагнетикам относятся цинк, свинец, кварц, медь, стекло, водород, бензол, вода.

Магнитная проницаемость парамагнетиков чуть-чуть побольше единицы (у алюминия µ = 1,000023). Примеры парамагнетиков - никель, кислород, вольфрам, эбонит, платина, азот, воздух.

Наконец, к третьей группе принадлежит целый ряд веществ (в основном это металлы и сплавы), чья магнитная проницаемость значительно (на несколько порядков) превышает единицу. Эти вещества - ферромагнетики. В основном сюда относятся никель, железо, кобальт и их сплавы. Для стали µ = 8∙10^3, для сплава никеля с железом µ=2.5∙10^5. Ферромагнетики обладают свойствами, отличающими их от других веществ. Во-первых, они обладают остаточным магнетизмом. Во-вторых, их магнитная проницаемость находится в зависимости от величины индукции внешнего поля. В-третьих, для каждого из них существует определенный порог температуры, называемый точкой Кюри , при котором он теряет ферромагнитные свойства и становится парамагнетиком. Для никеля точка Кюри - 360°C, для железа - 770°C.

Свойства ферромагнетиков определяет не только магнитная проницаемость, но и величина I, именуемая намагниченностью данного вещества. Это сложная нелинейная функция магнитной индукции, рост намагниченности описывается линией, именуемой кривой намагниченности . При этом, достигнув определенной точки, намагниченность практически перестает расти (наступает магнитное насыщение ). Отставание величины намагниченности ферромагнетика от растущей величины индукции внешнего поля называется магнитным гистерезисом . При этом существует зависимость магнитных характеристик ферромагнетика не только от его состояния в настоящий момент, но и от его предшествующей намагниченности. Графическое изображение кривой данной зависимости именуется петлей гистерезиса .

Благодаря своим свойствам, ферромагнетики повсеместно применяются в технике. Их используют в роторах генераторов и электродвигателей, при изготовлении сердечников трансформаторов и в производстве деталей электронно-вычислительных машин. ферромагнетиков используются в магнитофонах, телефонах, на магнитных лентах и других носителях.

Магнитная проницаемость. Магнитные свойства веществ

Магнитные свойства веществ

Подобно тому, как электрические свойства вещества характеризуются диэлектрической проницаемостью, магнитные свойства вещества характеризуются магнитной проницаемостью.

Благодаря тому, что все вещества, находящиеся в магнитном поле, создают собственное магнитное поле, вектор магнитной индукции в однородной среде отличается от вектора в той же точке пространства в отсутствие среды, т. е. в вакууме.

Отношение называется магнитной проницаемостью среды.

Итак, в однородной среде магнитная индукция равна:

Величина m у железа очень велика. В этом можно убедиться на опыте. Если вставить в длинную катушку железный сердечник, то магнитная ин­дукция, согласно формуле (12.1), увеличится в m раз. Сле­довательно, во столько же раз увеличится поток магнитной индукции. При размыкании цепи, питающей намагничи­вающую катушку постоянным током, во второй, небольшой катушке, намотанной поверх основной, возникает индукцион­ный ток, регистрируемый гальванометром (рис. 12.1).

Если в катушку вставлен железный сердечник, то отклоне­ние стрелки гальванометра при размыкании цепи будет в m раз больше. Измерения показывают, что магнитный поток при внесении в катушку железного сердечника может увеличиться в тысячи раз. Следовательно, магнитная проницаемость железа огромна.

Существует три основных класса веществ с резко разли­чающимися магнитными свойствами: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.

Ферромагнетики

Вещества, у которых, подобно железу, m >> 1, называются ферромагнетиками. Кроме железа, ферромагнетиками явля­ются кобальт и никель, а также ряд редкоземельных элемен­тов и многие сплавы. Важнейшее свойство ферромагнетиков – существование у них остаточного магнетизма. Ферромагнитное вещество может находиться в намагничен­ном состоянии и без внешнего намагничивающего поля.

Железный предмет (например, стержень), как известно, втя­гивается в магнитное поле, т. е. перемещается в область, где магнитная индукция больше. Соответственно, он притягивает­ся к магниту или электромагниту. Это происходит потому, что элементарные токи в железе ориентируются так, что направ­ление магнитной индукции их поля совпадает с направлением индукции намагничивающего поля. В результате железный стержень превращается в магнит, ближайший полюс которого противоположен полюсу электромагнита. Противоположные же полюса магнитов притягиваются (рис. 12.2).

Рис. 12.2

СТОП! Решите самостоятельно: А1–А3, В1, В3.

Парамагнетики

Существуют вещества, которые ведут себя подобно железу, т. е. втягиваются в магнитное поле. Эти вещества называются парамагнитными . К их числу относятся некоторые ме­таллы (алюминий, натрий, калий, марганец, платина и др.), кислород и многие другие элементы, а также различные рас­творы электролитов.

Так как парамагнетики втягиваются в поле, то линии ин­дукции создаваемого ими собственного магнитного поля и намагничивающего поля направлены одинаково, поэтому поле усиливается. Таким образом, у них m > 1. Но от единицы m от­личается крайне незначительно, всего на величину порядка 10 –5 ...10 –6 . Поэтому для наблюдения парамагнитных явлений требуются мощные магнитные поля.

Диамагнетики

Особый класс веществ представляют собой диамагне­тики , открытые Фарадеем. Они выталкиваются из магнит­ного поля. Если подвесить диамагнитный стерженек возле по­люса сильного электромагнита, то он будет отталкиваться от него. Следовательно, линии индукции созданного им поля на­правлены противоположно линиям индукции намагничиваю­щего поля, т. е. поле ослабляется (рис. 12.3). Соответственно у диамагнетиков m < 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.