« Фізика – 11 клас»
Магнітне поле створюється електричними струмами та постійними магнітами.
Усі речовини, поміщені магнітне поле, створюють власне магнітне поле.
Намагнічування речовини.
Усі речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються, тобто самі стають джерелами магнітного поля.
Внаслідок цього вектор магнітної індукції за наявності речовини відрізняється від вектора магнітної індукції у вакуумі.
Гіпотеза Ампера
Причина, внаслідок якої тіла мають магнітні властивості, була встановлена французьким фізиком Ампером: магнітні властивості тіла можна пояснити струмами, що циркулюють усередині нього.
Усередині молекул та атомів існують елементарні електричні струми, що утворюються внаслідок руху електронів в атомах.
Якщо площини, в яких циркулюють ці струми, розташовані безладно по відношенню один до одного через теплового рухумолекул, то їх дії взаємно компенсуються, і жодних магнітних властивостей тіло не виявляє
У намагніченому стані елементарні струми у тілі орієнтовані отже їх дії складаються.
Найбільш сильні магнітні поля створюють речовини, які називаються феромагнетиками.
З них роблять постійні магніти, так як поле феромагнетика не зникає після вимкнення поля, що намагнічує.
Магнітні поля створюються феромагнетиками не тільки внаслідок обігу електронів навколо ядер, а й внаслідок їхнього власного обертання. У феромагнетиках існують області, які називаються доменамирозміром близько 0,5 мкм.
Якщо феромагнетик не намагнічений, то орієнтація доменів хаотична, і сумарне магнітне поле, створюване доменами, дорівнює нулю.
При включенні зовнішнього магнітного поля домени орієнтуються вздовж ліній магнітної індукції цього поля, і індукція магнітного поля в феромагнетиках збільшується, стаючи в тисячі і мільйони разів більше індукції зовнішнього поля.
Температура Кюрі.
При температурах, більших певної певної для даного феромагнетика, його феромагнітні властивості зникають.
Цю температуру називають температурою Кюріна ім'я французького вченого, що відкрив дане явище.
При нагріванні намагнічені тіла втрачають свої магнітні властивості.
Наприклад, температура Кюрі для заліза 753 °С.
Існують феромагнітні сплави, у яких температура Кюрі менша за 100 °С.
Застосування феромагнетиків
Феромагнітних тіл у природі не так багато, але вони знайшли широке застосування.
Наприклад, сердечник, встановлений у котушці, посилює створюване нею магнітне поле, не збільшуючи силу струму в котушці.
Сердечники трансформаторів, генераторів, електродвигунів і т. д. виготовляють із феромагнетиків.
При вимиканні зовнішнього магнітного поля феромагнетик залишається намагніченим, тобто створює магнітне поле в навколишньому просторі.
Завдяки цьому є постійні магніти.
Велике застосування отримали ферити - феромагнітні матеріали, які не проводять електричного струмуце хімічні сполуки оксидів заліза з оксидами інших речовин.
Один з відомих феромагнітних матеріалів – магнітний залізняк – є феритом.
Феромагнетики використовуються для магнітного запису інформації.
З феромагнетиків виготовляють магнітні стрічки та магнітні плівки, які використовують для звукозапису в магнітофонах та для відеозапису у відеомагнітофонах.
Запис звуку виробляють на стрічку за допомогою електромагніта, магнітне поле якого змінюється такт зі звуковими коливаннями.
Під час руху стрічки поблизу магнітної головки різні ділянки плівки намагнічуються.
Схема магнітної індукційної головки
де
1 - сердечник електромагніту;
2 – магнітна стрічка;
3 – робочий зазор;
4 обмотка електромагніту.
Розвиток технології магнітного запису призвело до появи магнітних мікроголовок, які використовуються в ЕОМ, що дозволяють створювати велику щільність магнітного запису, так на феромагнітному жорсткому диску діаметром кілька сантиметрів зберігається до декількох терабайт (10 12 байт) інформації. Зчитування та запис інформації на такому диску здійснюється за допомогою мікроголовки. Диск обертається з величезною швидкістю і головка плаває над ним у потоці повітря, що запобігає можливості механічного пошкодження диска.
Магнітні властивості речовини
2. Діа-і парамагнетики.
1. Магнітне поле речовини. Гіпотеза Ампера.
Досліди показують, що всі речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються і стають джерелами додаткового магнітного поля.
Магнетики- Речовини, здатні намагнічуватися в магнітному полі.
Для пояснення намагнічування тіл Ампер припустив ( гіпотеза Ампера), що у молекулах речовини циркулюють кругові струми. Ці струми виникають при русі електронів орбітами навколо ядер атомів і створюють власне магнітне поле. Зовнішнє магнітне поле має на них орієнтуючу дію.
Дія зовнішнього магнітного поля на елементарний струм визначається магнітним моментом струму:
, , (1)
де – сила елементарного струму, – площа, обтічна струмом, а – вектор нормалі до неї. Вектор перпендикулярний до елементарного струму.
За відсутності зовнішнього магнітного поля елементарні струми, отже, та його магнітні моменти, розташовані безладно. Така речовина не створює додаткового магнітного поля:
Якщо речовину помістити в зовнішнє магнітне поле, то магнітні моменти молекул набувають переважну орієнтацію в одному напрямку. Речовина набуває деякого сумарного магнітного моменту (намагнічується) і створює у просторі додаткове магнітне поле .
Зовнішнє та додаткове полеу сумі дають результуюче поле:
Як характеристику ступеня намагнічування магнетика застосовується вектор намагнічування.
Вектор намагнічування, даної речовини називають магнітний момент одиниці об'єму:
де - магнітний момент окремої молекули, а підсумовування ведеться по всіх молекул в обсязі V.
Одиниця виміру вектора намагнічування:
,
що збігається з одиницею напруженості магнітного поля.
Досвід показує, що вектор намагнічування в ізотропних середовищахпропорційний вектору напруженості магнітного поля:
де безрозмірна величина називається магнітною сприйнятливістю речовини.
Індукція та напруженість зовнішнього магнітного поля пов'язані рівністю: . Розрахунки показують, що напруженість додаткового магнітного поля дорівнює вектору намагнічування: . Отже, для індукції додаткового магнітного поля маємо:
Тоді формула (2) набуде вигляду:
Використовуючи (4), отримаємо:
Безрозмірна величина
являє собою магнітну проникність речовини. Підставивши (6) до (5), прийдемо до співвідношення
яке раніше нами постулювалось.
Формула (6) пов'язує дві характеристики магнетиків: магнітну проникність та магнітну сприйнятливість.
2. Діа-і парамагнетики.
Усі речовини за характером намагнічування поділяються на три класи – діамагнетики, парамагнетикиі феромагнетики.
Діамагнетики- Речовини з негативною сприйнятливістю і відповідно з магнітною проникністю.
До них відносяться: водень, вода, скло, цинк, срібло, золото, мідь, вісмут.
Так як у діамагнетиків , то з формули (4) слід, що додаткове магнітне поле у напрямку протилежне зовнішньому результуюче магнітне поле трохи послаблюється.
При внесенні діамагнетика в магнітне поле він виштовхується з області найбільшої напруженості і встановлюється перпендикулярно силовим лініям.
Атоми діамагнетиків за відсутності зовнішнього магнітного поля власним магнітним моментом не мають. Під дією зовнішнього магнітного поля атоми набувають індукованого (наведеного) магнітного моменту, протилежного полю.
Парамагнетики– речовини з позитивною сприйнятливістю та магнітною проникністю.
До них відносяться: азот, кисень, повітря, ебоніт, алюміній, вольфрам, платина.
У парамагнетиках додаткове магнітне поле збігається у напрямку із зовнішнім, так як , результуюче магнітне поле незначно збільшується.
При внесенні парамагнетика в магнітне поле він втягується в область більшої напруженості і встановлюється вздовж силових ліній.
Атоми парамагнетиков мають власний магнітний момент за відсутності зовнішнього поля, причому ці моменти орієнтовані абсолютно безладно. За наявності зовнішнього поля виникає деяке впорядковане розташування магнітних моментів уздовж поля.
Абсолютне значення магнітної сприйнятливості для діа-і парамагнетиків дуже мало (), тому для них магнітна проникність трохи відрізняється від одиниці. Діа- та парамагнетики називають слабомагнітними речовинами.
3. Феромагнетики. Гістерезис.
Феромагнетики- сильномагнітні речовини, у яких магнітна проникність значно більше 1 і досягає значень порядку.
До них відносяться: залізо, кобальт, нікель, деякі рідкоземельні метали, велика кількістьсплавів.
Залежність магнітної проникності від напруженості зовнішнього магнітного поля.
Залежність вектора намагнічування від напруженості зовнішнього магнітного поля.
Залежність індукції магнітного поля від напруженості зовнішнього магнітного поля.
Найважливішою особливістюферомагнетиків є наявність у них властивості гістерези(відставання).
Явище гістерезиполягає в розбіжності кривих намагнічування та розмагнічування феромагнетика.
При зменшенні індукції зовнішнього магнітного поля до нуля намагнічування не зникає, воно характеризується залишковою індукцією. B ос .
Коерцитивна (затримуюча) сила– величина індукції протилежного поля (відрізок ОС), необхідна для ліквідації залишкового намагнічування.
Феромагнетикз великою коерцитивною силою називається жорстким, а з малою коерцитивною силою – м'яким.
Магнітострикція- Деформація феромагнетиків при намагнічуванні.
Усі феромагнетики при нагріванні втрачають свої спеціальні магнітні властивості і стають парамагнетиками.
Температура Кюрі- Температура переходу з феромагнітного стану в парамагнітний.
Температура Кюрі: 770 º З(залізо);
1150 º З(кобальт);
360 º З(Нікель).
У феромагнетиках нижче за температуру Кюрі є цілі намагнічені області – доменирозміри яких досягають. Зовнішнє магнітне поле, що діє феромагнетики, орієнтує магнітні моменти доменів.
Коли вектори магнітних моментів всіх доменів встановлюються паралельно зовнішньому магнітному полю, настає магнітне насичення.
Контрольні питання
1. Які речовини називають магнетиками?
2. Сформулюйте гіпотезу Ампера.
3. Дайте визначення магнітної проникності та магнітної сприйнятливості речовини. Запишіть співвідношення між цими величинами.
4. Що таке діамагнетики? парамагнетики? У чому різниця їх магнітних властивостей?
5. Які речовини називають феромагнетиками?
6. Поясніть петлю гістерези феромагнетика. Що таке магнітострикція?
7. Яку температуру для феромагнетика називають температурою Кюрі?
8. Який механізм намагнічення феромагнетиків?
Магнентики - речовини, які мають магнітні властивості. Магнетиками є всі речовини, оскільки згідно з гіпотезою Ампера магнітні властивості створюються елементарними струмами (рухом електрона в атомі).
Електрон, що обертається по замкнутій орбіті, є струмом, напрямок якого протилежний руху електрона. Тоді цей рух створює магнітне поле, магнітний моментякого p m = IS спрямований за правилом правої руки перпендикулярно площині орбіти.
Крім того, незалежно від орбітального руху, електрони мають власним магнітним моментом (спином). Таким чином, магнетизм атомів обумовлений двома причинами: рухом електронів по орбітах та власним магнітним моментом.
При внесенні магнетика до зовнішнього магнітного поля з індукцією У 0 він намагнічується, тобто створює власне магнітне поле з індукцією В", яке складається із зовнішнім:
В = В 0+ В"
Індукція власного магнітного поля залежить від зовнішнього поля, і від магнітної сприйнятливості χ речовини:
В" = χ У 0
Тоді В = В 0+ χ У 0 = 0 (1 + χ)
Але магнітна індукція всередині магнетика залежить від магнітної проникності речей:
В = μ У 0
Звідси μ = 1 + χ.
|
Магнітна сприйнятливість χ - фізична величина, Що характеризує зв'язок між магнітним моментом (намагніченістю) речовини та магнітним полем у цій речовині |
Магнітна проникність μ - коефіцієнт (що залежить від властивостей середовища), що характеризує зв'язок між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля в речовині |
На відміну від діелектричної проникності речовини, яка завжди більше одиниці, магнітна проникність може бути як більшою, так і меншою одиниці. Розрізняють діамагнетики (μ < 1) , парамагнетики (μ > 1) та феромагнетики (μ >> 1) .
Діамагнетиками називаються речовини, які намагнічуються у зовнішньому магнітному полі у напрямку, протилежному напрямкувектор магнітної індукції поля.
До діамагнетиків відносяться речовини, магнітні моменти атомів, молекул або іонів яких без зовнішнього магнітного поля дорівнюють нулю. Діамагнетиками є інертні гази, молекулярний водень та азот, цинк, мідь, золото, вісмут, парафін та багато інших органічних та неорганічних сполук.
У разі відсутності магнітного поля діамагнетик немагнітний, оскільки даному випадкумагнітні моменти електронів взаємно компенсуються, і сумарний магнітний момент атома дорівнює нулю.
Т.к. Діамагнітний ефект обумовлений дією зовнішнього магнітного поля на електрони атомів речовини, то діамагнетизм властивий усім речовинам.
Слід зазначити, що магнітна проникність у діамагнетиків µ < 1 . Ось, наприклад, у золота µ = 0,999961, у міді µ = 0,9999897 і т.д.
У магнітному полі діамагнетики розташовуються перпендикулярно до силових ліній зовнішнього магнітного поля.
Парамагнетики – речовини, що намагнічуються у зовнішньому магнітному полі у напрямку поля.
У парамагнітних речовин за відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти електронів не компенсують один одного, і атоми (молекули) парамагнетиків завжди мають магнітний момент. Однак внаслідок теплового руху молекул їх магнітні моменти орієнтовані безладно, тому парамагнітні речовини магнітними властивостями не мають. При внесенні парамагнетиків до зовнішнього магнітного поля встановлюється переважна орієнтація магнітних моментів атомів по полю (повної орієнтації перешкоджає тепловий рух атомів).
Таким чином, парамагнетик намагнічується, створюючи власне магнітне поле, що збігається у напрямку із зовнішнім полем і посилюючейого.
При ослабленні зовнішнього магнітного поля нанівець орієнтація магнітних моментів внаслідок теплового руху порушується і парамагнетик розмагнічується.
Ось деякі парамагнітні речовини: алюміній µ = 1,000023; вповітря µ = 1,00000038.
У зовнішньому магнітному полі парамагнетики розташовуються вздовж силових ліній.
Феромагнетикаминазиваються тверді речовини, що володіють при не занадто високих температурахмимовільною (спонтанною) намагніченістю, яка сильно змінюється під впливом зовнішніх впливів – магнітного поля, деформації, зміни температури.
Феромагнетики на відміну від слабомагнітних діа-і парамагнетиків є сильномагнітними середовищами:
внутрішнє магнітне поле в них може у сотні та тисячі разів перевищувати зовнішнє поле.
Феромагнітні матеріали великою чи меншою мірою мають магнітної анізотропією, тобто. якістю намагнічуватися з різним ступенем проблеми у різних напрямах.
Магнітні властивості феромагнітних матеріалів зберігаються до тих пір, поки їх температура не досягне значення, що називається точкою Кюрі. При температурах вище точки Кюрі феромагнетик поводиться у зовнішньому магнітному полі як парамагнітна речовина. Він не тільки втрачає свої феромагнітні властивості, але у нього змінюється теплоємність, електропровідність та деякі інші фізичні характеристики.
Крапка Кюрі для різних матеріаліврізна:
Природа феромагнетизму:
Згідно з уявленнями Вейсса (1865-1940), його описової теорії феромагнетизму, феромагнетики при температурах нижче точки Кюрі мають спонтанну намагніченість незалежно від наявності зовнішнього поля, що намагнічує. Але це вносило певне протиріччя, т.к. багато феромагнітних матеріалів при температурах нижче точки Кюрі не намагнічені.
Для усунення цієї суперечності Вейсс ввів гіпотезу, згідно з якою феромагнетик нижче точки Кюрі розбивається на велику кількість малих мікроскопічних (порядку 10 -3 - 10 -2 см) областей - доменів, спонтанно намагнічених до насичення.
За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих атомів орієнтовані хаотично і компенсують одне одного, тому результуючий магнітний момент феромагнетика дорівнює нулю, тобто. феромагнетик не намагнічений.
Зовнішнє магнітне поле орієнтує по полю магнітні моменти не окремих атомів, як у парамагнетиці, а цілих областей спонтанної намагніченості. Тому зі зростанням H намагніченість Jта магнітна індукція Bвже у слабких полях росте досить швидко.
Різні феромагнітні матеріали мають неоднакову здатність проводити магнітний потік. Основною характеристикою феромагнітного матеріалу є петля магнітної гістерези В(Н). Ця залежність визначає значення магнітної індукції, яка буде порушена в магнітопроводі з даного матеріалупри дії деякої напруженості поля.
Розглянемо процес перемагнічування феромагнетика. Нехай спочатку він був повністю розмагнічений. Спочатку індукція швидко зростає за рахунок того, що магнітні диполіорієнтуються силовими лініями поля, додаючи свій магнітний потік до зовнішнього. Потім її зростання уповільнюється в міру того, як кількість неорієнтованих диполів зменшується і, нарешті, коли практично всі вони орієнтуються по зовнішньому полю, зростання індукції припиняється і настає режим насичення.
Гістерезисомназивають відставання зміни індукції від напруженості магнітного поля.
Симетрична петля гістерези, отримана при максимальній напруженості поля H m, що відповідає насичення феромагнетика, називається граничним циклом.
Для граничного циклу встановлюють значення індукції B rпри H= 0, яке називається залишковою індукцією , і значення H cпри B= 0, зване коерцитивною силою . Коерцитивна (утримуюча) сила показує, яку напруженість зовнішнього поля слід прикласти до речовини, щоб зменшити залишкову індукцію до нуля.
Форма та характерні точки граничного циклу визначають властивості феромагнетика. Речовини з великою залишковою індукцією, коерцитивною силою та площею петлі гістерезису називаються магнітнотвердими .
Вони використовуються для виготовлення постійних магнітів. Речовини з малою залишковою індукцією та площею петлі гістерезису (крива 2 рис.8а) називаються магнітном'якими і використовуються для виготовлення магнітопроводів електротехнічних пристроїв, особливо працюючих при магнітному потоці, що періодично змінюється.
Площа петлі гістерезису характеризує роботу, яку необхідно здійснити для перемагнічування феромагнетика. Якщо за умовами роботи феромагнетик повинен перемагнічуватися, його слід робити з магніто-м'якого матеріалу, площа петлі гістерезису якого мала. З м'яких феромагнетиків роблять сердечники трансформаторів.
З твердих феромагнетиків (сталь та її сплави) роблять постійні магніти.
По реакції на зовнішнє магнітне поле та характер внутрішнього магнітного впорядкування всі речовини в природі можна підрозділити на п'ять груп: діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, антиферомагнетики та феримагнетики. Перерахованим видам магнетиків відповідають п'ять різних видівмагнітного стану речовини: діамагнетизм, парамагнетизм, феромагнетизм, антиферомагнетизм і феримагнетизм.
До діамагнетиків відносять речовини, у яких магнітна сприйнятливість негативна і залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. До діамагнетиків відносяться інертні гази, водень, азот, багато рідини (вода, нафта та її похідні), ряд металів (мідь, срібло, золото, цинк, ртуть, галій та ін.), більшість напівпровідників (кремній, германій, сполуки АЗ В 5 , А 2 В 6) органічних сполук, лужно-галоїдні кристали, неорганічні скла та ін. Діамагнетиками є всі речовини з ковалентною хімічним зв'язкомта речовини у надпровідному стані.
До парамагнетикам відносять речовини з позитивною магнітною сприйнятливістю, яка залежить від напруженості зовнішнього магнітного поля. До парамагнетиків відносять кисень, окис азоту, лужні і лужноземельні метали, деякі перехідні метали, солі заліза, кобальту, нікелю і рідкісноземельних елементів.
До феромагнетиків відносять речовини з великою позитивною магнітною сприйнятливістю (до 10 6), яка сильно залежить від напруженості магнітного поля та температури.
Антиферомагнетиками є речовини, в яких нижче за деяку температуру спонтанно виникає антипаралельна орієнтація елементарних магнітних моментів однакових атомів або іонів кристалічної решітки. При нагріванні антиферомагнетик відчуває фазовий перехід у парамагнітний стан. Антиферомагнетизм виявлений у хрому, марганцю та ряду рідкісноземельних елементів (Се, Nd, Sm, Тm та ін). Типовими антиферомагнетиками є найпростіші хімічні сполуки на основі металів перехідної групи типу оксидів, галогенідів, сульфідів, карбонатів тощо.
До феримагнетиків відносять речовини, магнітні властивості яких зумовлені некомпенсованим антиферомагнетизм. Подібно до феромагнетиків вони мають високу магнітну сприйнятливість, яка істотно залежить від напруженості магнітного поля і температури. Поруч із ферримагнетики характеризуються й низкою істотних відмінностей від феромагнітних матеріалів.
Властивості феримагнетиков мають деякі впорядковані металеві сплави, але, головним чином,- різні оксидні сполуки, серед яких найбільший практичний інтерес представляють ферити.
Магнітні матеріали, що застосовуються в електронній техніці, поділяють на дві основні групи: магнітотвердіі магнітом'які. В окрему групу виділяють матеріали спеціального призначення .
До магнітотвердимвідносять матеріали з великою коерцитивною силою Н с. Вони перемагнічуються лише дуже сильних магнітних полях і служать виготовлення постійних магнітів.
До магнітом'якимвідносять матеріали з малою коерцитивною силою та високою магнітною проникністю. Вони мають здатність намагнічуватися до насичення в слабких магнітних полях, характеризуються вузькою петлею гістерези і малими втратами на перемагнічування. Магнітом'які матеріали використовуються в основному в якості різних магнітопроводів: сердечників дроселів, трансформаторів, електромагнітів, магнітних систем електровимірювальних приладів і т.п.
Умовно магнітом'якими вважають матеріали, у яких Н з< 800 А/м, а магнитотвердыми - с Н с >4 кА/м. Необхідно, однак, відзначити, що у кращих магнітом'яких матеріалів коерцитивна сила може становити менше 1 А/м, а кращих магнітотвердих матеріалів її значення перевищує 500 кА/м. За масштабами застосування в електронній техніці серед матеріалів спеціального призначення слід виділити матеріали з прямокутною петлею гістерези (ППГ), ферити для пристроїв надвисокочастотного діапазону та магнітострикційні матеріали.
Усередині кожної групи поділ магнітних матеріалів за родами та видами відображає відмінності в їх будові та хімічному складі, враховує технологічні особливостіта деякі специфічні властивості.
Властивості магнітних матеріалів визначаються формою кривої намагнічування та петлі гістерези. Магнітом'які матеріали застосовуються для отримання великих значеньмагнітного потоку. Величина магнітного потоку обмежена магнітним насиченням матеріалу, а тому основною вимогою до магнітних матеріалів сильноточної електротехніки та електроніки є висока індукція насичення. Властивості магнітних матеріалів залежать від їх хімічного складу, від чистоти використовуваної вихідної сировини та технології виробництва. Залежно від вихідної сировини та технології виробництва магнітом'які матеріали поділяються на три групи: монолітні металеві матеріали, порошкові металеві матеріали (магнітодиелектричні) та оксидні магнітні матеріали, коротко звані феритами.
Крім високої магнітної проникності і малої коерцитивної сили магнитомягкие матеріали повинні мати великий індукцією насичення, тобто. пропускати максимальний магнітний потік через задану площу поперечного перерізумагнітопроводу. Виконання цієї вимоги дозволяє зменшити габаритні розміри та масу магнітної системи.
Магнітний матеріал, що використовується в змінних полях, повинен мати, можливо, менші втрати на перемагнічування, які складаються в основному з втрат на гістерезис та вихрові струми.
Для зменшення втрат на вихрові струми в трансформаторах вибирають магнітом'які матеріали з підвищеним питомим опором. Зазвичай магнітопроводи збирають із окремих ізольованих один від одного тонких листів. Широке застосуванняотримали стрічкові осердя, що навиваються з тонкої стрічки з міжвітковою ізоляцією з діелектричного лаку. До листових та стрічкових матеріалів пред'являється вимога високої пластичності, завдяки якій полегшується процес виготовлення виробів із них.
Важливою вимогою до магнітом'яких матеріалів є забезпечення стабільності їх властивостей, як у часі, так і стосовно зовнішнім впливам, таким, як температура та механічна напруга. З усіх магнітних характеристик найбільшим змінам у процесі експлуатації матеріалу схильні магнітна проникність (особливо у слабких полях) та коерцитивна сила.
Поділ речовин на диа-, пара- і феромагнетики носить значною мірою умовний характер, т.к. перші два види речовин відрізняються за магнітним властивостямвід вакууму менш як на 0,05%. На практиці всі речовини зазвичай поділяють на феромагнітні (феромагнетики) і неферомагнітні, для яких відносна магнітна проникність може бути прийнятою рівною 1,0.
До феромагнетиків відносяться залізо, кобальт, нікель та сплави на їх основі. Вони мають магнітну проникність, що перевищує проникність вакууму у кілька тисяч разів. Тому всі електротехнічні пристрої, що використовують магнітні поля для перетворення енергії, обов'язково мають конструктивні елементи, виготовлені з феромагнітного матеріалу та призначені для проведення магнітного потоку . Такі елементи називаються магнітопроводи .
Крім високої магнітної проникності феромагнетики мають сильно виражену нелінійну залежність індукції. Bвід напруженості магнітного поля H, а при перемагнічуванні зв'язок між Bі Hстає неоднозначною. Функції B (H) мають особливе значення, т.к. тільки з їх допомогою можна досліджувати електромагнітні процеси в ланцюгах, що містять елементи, в яких магнітний потік проходить у феромагнітному середовищі. Ці функції бувають двох видів: криві намагнічування та петлі гістерезису .
Розглянемо процес перемагнічування феромагнетика. Нехай спочатку він був повністю розмагнічений. Спочатку індукція швидко зростає за рахунок того, що магнітні диполі орієнтуються силовими лініями поля, додаючи свій магнітний потік до зовнішнього. Потім її зростання уповільнюється в міру того, як кількість неорієнтованих диполів зменшується і, нарешті, коли практично всі вони орієнтуються по зовнішньому полю, зростання індукції припиняється і настає режим насичення (Рис. 1).
Якщо в процесі намагнічування довести напруженість поля до деякого значення, а потім почати зменшувати, зменшення індукції відбуватиметься повільніше, ніж при намагнічуванні і нова крива буде відрізнятися від початкової. Крива зміни індукції при збільшенні напруженості поля для попередньо повністю розмагніченої речовини називається початкової кривої намагнічування . На рис. 1 вона показана потовщеною лінією.
Після кількох (близько 10) циклів зміни напруженості від позитивного до негативного максимальних значень залежність B =f (H) почне повторюватися і придбає характерний виглядсиметричної замкнутої кривої, званої петлею гістерезису . Гістерезисом називають відставання зміни індукції від напруженості магнітного поля . Явище гістерези характерно взагалі всім процесів, у яких спостерігається залежність будь-якої величини від значення інший у поточному, а й у попередньому стані, тобто. B 2 =f (H 2 ,H 1) – де H 2 та H 1 - відповідно поточне та попереднє значення напруженості.
Петлі гістерези можна отримати при різних значенняхмаксимальної напруженості зовнішнього поля H m(Рис. 2). Геометричне місцеточок вершин симетричних циклів гістерезису називається основний кривою намагнічування . Основна крива намагнічування практично збігається з початковою кривою.
Симетрична петля гістерези, отримана при максимальній напруженості поля H m(рис. 2), що відповідає насичення феромагнетика, називається граничним циклом .
Для граничного циклу встановлюють значення індукції B rпри H= 0, яке називається залишковою індукцією , і значення H cпри B= 0, зване коерцитивною силою . Коерцитивна (утримуюча) сила показує, яку напруженість зовнішнього поля слід прикласти до речовини, щоб зменшити залишкову індукцію до нуля.
Форма та характерні точки граничного циклу визначають властивості феромагнетика. Речовини з великою залишковою індукцією, коерцитивною силою та площею петлі гістерезису (крива 1 рис. 3) називаються магнітнотвердими . Вони використовуються виготовлення постійних магнітів. Речовини з малою залишковою індукцією та площею петлі гістерезису (крива 2 рис. 3) називаються магнітном'якими і використовуються для виготовлення магнітопроводів електротехнічних пристроїв, особливо працюючих при магнітному потоці, що періодично змінюється.
При перемагнічуванні феромагнетика у ньому відбуваються незворотні перетворення енергії на тепло.
Нехай магнітне поле створюється обмоткою, якою протікає струм i. Тоді робота джерела живлення обмотки, що витрачається на елементарну зміну магнітного потоку, дорівнює
Графічно ця робота є площа елементарної смужки петлі гістерезису (рис. 4 а)).
Повна робота з перемагнічування одиниці об'єму речовини визначиться у вигляді інтеграла за контуром петлі гістерезису
Контур інтегрування можна розділити на дві ділянки, що відповідають зміні індукції від - B mдо B mта зміни від B mдо - B m. Інтеграли цих ділянках відповідають заштрихованим площам рис. 4 а) та б). На кожній ділянці частина площі відповідає негативній роботі та після віднімання її з позитивної частини ми на обох ділянках отримаємо площу, обмежену кривою петлі гістерезису (рис. 4 в)).
Позначаючи енергію, віднесену до одиниці об'єму речовини, що витрачається на перемагнічування за один повний симетричний цикл, через W" h =A"отримаємо
Існує емпірична залежність для обчислення питомих втрат енергії на перемагнічування
де h - коефіцієнт, що залежить від речовини; B m- максимальне значення індукції; n- показник ступеня, що залежить від B mі зазвичай прийнятий
n=1,6 при 0,1Тл< B m < 1,0 Тл и n=2 при 0<B m < 0,1 Тл или 1,0 Тл <B m < 1,6 Тл.
Явище гістерези і пов'язані з нею втрати енергії можна пояснити гіпотезою елементарних магнітиків. Елементарними магнітиками в речовині є частинки, що мають магнітний момент. Це можуть бути магнітні поля електронів, що обертаються по орбітах, а також їх спінові магнітні моменти. Причому останні грають у магнітних явищах найбільш істотну роль.
При нормальній температурі речовина феромагнетика складається з мимовільно намагнічених у певному напрямку областей (доменів), в яких елементарні магнітики розташовані майже паралельно один одному і утримуються в такому положенні магнітними силами та електричної взаємодії.
Магнітні поля окремих областей не виявляються у зовнішньому просторі, т.к. всі вони намагнічені у різних напрямках. Інтенсивність мимовільного намагнічування доменів Jзалежить від температури і за абсолютного нулі дорівнює інтенсивності повного насичення. Тепловий рух руйнує впорядковану структуру і за деякої температури q , характерної для даної речовини, впорядковане розташування повністю руйнується. Ця температура називається точкою Кюрі . Вище точки Кюрі речовина має властивості парамагнетика.
Під впливом зовнішнього поля стан речовини може змінюватись двома способами. Намагніченість може змінюватись або за рахунок переорієнтації доменів, або за рахунок зміщення їх кордонів у напрямку області з меншою складовою намагніченості, що збігається у напрямку із зовнішнім полем. Зміщення межі домену відбувається оборотно лише до певної межі, після чого частина або вся область необоротно переорієнтується. При швидкій стрибкоподібній переорієнтації домену створюються вихрові струми, що викликають втрати енергії при перемагнічуванні.
Дослідження показують, що другий спосіб зміни орієнтації характерний для крутої ділянки кривої намагнічування, а перший для ділянки області насичення.
Після зменшення напруженості зовнішнього магнітного поля до нуля частина доменів зберігає новий напрямок переважного намагнічування, що виявляється залишковою намагніченістю.
Діамагнетики та парамагнетики у магнітному полі
Мікроскопічні щільності струмів у намагніченій речовині надзвичайно складні та сильно змінюються навіть у межах одного атома. Але в багатьох практичних завданнях такий детальний опис є зайвим, і нас цікавлять середні магнітні поля, створені великою кількістю атомів.
Як ми вже говорили, магнетики можна поділити на три основні групи: діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.
Діамагнетизм (Від грец. dia –розбіжність і магнетизм) - властивість речовин намагнічуватись назустріч прикладеному магнітному полю.
Діамагнетиками називаються речовини, магнітні моменти атомів яких без зовнішнього поля дорівнюють нулю, т.к. магнітні моменти всіх електронів атома взаємно компенсовані(Власного магнітного поля, створюваного діамагнетиком при його намагнічуванні у зовнішньому полі та ін.
Численні досліди свідчать, що всі речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються і створюють власне магнітне поле, дія якого складається з дією зовнішнього магнітного поля:
\(~\vec B = \vec B_0 + \vec B_1,\)
де (~\vec B\) - магнітна індукція поля в речовині; \(~\vec B_0\) - магнітна індукція поля у вакуумі, \(~\vec B_1\) - магнітна індукція поля, що виникла завдяки намагнічуванню речовини. При цьому речовина може посилювати або послаблювати магнітне поле. Вплив речовини на зовнішнє магнітне поле характеризується величиною μ, яка називається магнітною проникністю речовини
\(~\mu = \dfrac B(B_0).\)
Усі речовини мають певні магнітні властивості, тобто є магнетиками. p align="justify"> Для більшості речовин магнітна проникність μ близька до одиниці і не залежить від величини магнітного поля. Речовини, для яких магнітна проникність трохи менше одиниці (μ< 1), называются діамагнетиками, трохи більше одиниці (μ > 1) - парамагнетиками. Речовини, магнітна проникність яких залежить від величини зовнішнього поля та може значно перевищувати одиницю (μ » 1), називаються феромагнетиками.
Прикладами діамагнетиків є свинець, цинк, вісмут (μ = 0,9998); парамагнетиків – натрій, кисень, алюміній (μ = 1,00023); феромагнетиків - кобальт, нікель, залізо (μ досягає значення 8⋅10 3).
Вперше пояснення причин, внаслідок яких тіла мають магнітні властивості, дав Анрі Ампер (1820 р.). Згідно з його гіпотезою, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми, які визначають магнітні властивості будь-якої речовини.
Візьмемо деяку тверду речовину. Його намагніченість пов'язана з магнітними властивостями частинок (молекул та атомів), з яких він складається. Розглянемо які контури зі струмом можливі на мікрорівні. Магнетизм атомів обумовлений двома основними причинами:
1) рухом електронів навколо ядра по замкнутим орбітам ( орбітальний магнітний момент) (рис. 1);
2) власним обертанням (спином) електронів ( спіновий магнітний момент) (рис. 2).
Для допитливих. Магнітний момент контуру дорівнює добутку сили струму в контурі на площу, що охоплюється контуром. Його напрямок збігається з напрямком вектора індукції магнітного поля всередині контуру зі струмом.Так як в атомі площини орбіт різних електронів не збігаються, то вектори індукцій магнітних полів, створені ними (орбітальні та спінові магнітні моменти), спрямовані під різними кутами один до одного. p align="justify"> Результуючий вектор індукції багатоелектронного атома дорівнює векторній сумі векторів індукцій полів, створюваних окремими електронами. Не скомпенсовані поля мають атоми з частково заповненими електронними оболонками. В атомах із заповненими електронними оболонками результуючий вектор індукції дорівнює 0.
У всіх випадках зміна магнітного поля обумовлена появою струмів намагніченості (спостерігається явище електромагнітної індукції). Іншими словами принцип суперпозиції для магнітного поля залишається справедливим: поле всередині магнетика є суперпозицією зовнішнього поля \(~\vec B_0\) і поля \(~\vec B"\) струмів намагнічування i′, що виникають під впливом зовнішнього поля. Якщо поле струмів намагніченості спрямоване так само, як і зовнішнє поле, то індукція сумарного поля буде більшою від зовнішнього поля (Рис. 3, а) – у цьому випадку ми говоримо, що речовина посилює поле; якщо ж поле струмів намагніченості спрямоване протилежно до зовнішнього поля, то сумарне поле буде менше зовнішнього поля (Рис. 3, б) – саме в цьому сенсі ми говоримо, що речовина послаблює магнітне поле.
Мал. 3 У діамагнетикахмолекули не мають власного магнітного поля. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах і молекулах поле струмів намагніченості спрямовано протилежно зовнішньому полю, тому модуль вектора магнітної індукції \(~\vec B\) результуючого поля буде меншим за модуль вектора магнітної індукції \(~\vec B_0\) зовнішнього поля.
У парамагнетикахмолекули мають власне магнітне поле. У відсутності зовнішнього магнітного поля через тепловий рух вектора індукцій магнітних полів атомів і молекул орієнтовані хаотично, тому їхня середня намагніченість дорівнює нулю (рис. 4, а). При накладенні зовнішнього магнітного поля на атоми і молекули починає діяти момент сил, що прагне повернути їх так, щоб поля були орієнтовані паралельно зовнішньому полю. Орієнтація молекул парамагнетика призводить до того, що речовина намагнічується (рис. 4, б).
Мал. 4 Повна орієнтація молекул у магнітному полі перешкоджає їх тепловий рух, тому магнітна проникність парамагнетиків залежить від температури. Очевидно, що зі зростанням температури магнітна проникність парамагнетиків зменшується.
Сама назва цього класу магнітних матеріалів походить від латинського імені заліза – Ferrum. Головна особливість цих речовин полягає у здатності зберігати намагніченість без зовнішнього магнітного поля, всі постійні магніти відносяться до класу феромагнетикам. Крім заліза феромагнітні властивості мають його «сусіди» за таблицею Менделєєва - кобальт і нікель. Феромагнетики знаходять широке практичне застосування в науці та техніці, тому розроблено значну кількість сплавів, що мають різні феромагнітні властивості.
Всі наведені приклади феромагнетиків відносяться до металів перехідної групи, електронна оболонка яких містить кілька не спарених електронів, що і призводить до того, що ці атоми мають значне власне магнітне поле. У кристалічному стані завдяки взаємодії між атомами в кристалах виникають області мимовільної (спонтанної) намагніченості - домени. Розміри цих доменів становлять десяті та соті частки міліметра (10 -4 - 10 -5 м), що значно перевищує розміри окремого атома (10 -9 м). У межах одного домену магнітні поля атомів орієнтовані строго паралельно, орієнтація магнітних полів інших доменів за відсутності зовнішнього магнітного поля змінюється довільно (рис. 5).
Таким чином, і в не намагніченому стані всередині феромагнетика існують сильні магнітні поля, орієнтація яких при переході від одного домену до іншого змінюється випадковим хаотичним чином. Якщо розміри тіла значно перевищують розміри окремих доменів, то середнє магнітне поле, яке створюється доменами цього тіла, практично відсутнє.
Якщо помістити феромагнетик у зовнішнє магнітне поле У 0 то магнітні моменти доменів починають перебудовуватися. Проте механічного просторового обертання ділянок речовини немає. Процес перемагнічування пов'язані з зміною руху електронів, але з зміною становища атомів у вузлах кристалічної решітки. Домени, які мають найбільш вигідну орієнтацію щодо напряму поля, збільшують свої розміри за рахунок сусідніх «неправильно орієнтованих» доменів, поглинаючи їх. При цьому поле в речовині зростає дуже суттєво.
1) феромагнітні властивості речовини виявляються лише тоді, коли відповідна речовина знаходиться у кристалічному стані;
2) магнітні властивості феромагнетиків сильно залежать від температури, оскільки орієнтації магнітних полів доменів перешкоджають тепловому руху. Для кожного феромагнетика існує певна температура, при якому доменна структура повністю руйнується, і феромагнетик перетворюється на парамагнетик. Це значення температури називається точкою Кюрі. Так для чистого заліза значення температури Кюрі приблизно дорівнює 900 ° C;
3) феромагнетики намагнічуються до насиченняу слабких магнітних полях. На малюнку 6 показано, як змінюється модуль індукції магнітного поля Bу сталі зі зміною зовнішнього поля B 0 ;
4) магнітна проникність феромагнетика залежить від зовнішнього магнітного поля (рис. 7).
Це тим, що спочатку зі збільшенням B 0 магнітна індукція Bзростає сильніше, а, отже, буде збільшуватися. Потім при значенні магнітної індукції B´ 0 настає насичення (μ в цей момент максимальна) і при подальшому збільшенні B 0 магнітна індукція B 1 у речовині перестає змінюватися, а магнітна проникність зменшується (прагне 1):
\(~\mu = \dfrac B(B_0) = \dfrac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \dfrac (B_1)(B_0);\)
5) у феромагнетиків спостерігається залишкова намагніченість. Якщо, наприклад, феромагнітний стрижень помістити в соленоїд, яким проходить струм, і намагнітити до насичення (точка А) (рис. 8), а потім зменшувати струм у соленоїді, а разом з ним і B 0 то можна помітити, що індукція поля в стрижні в процесі його розмагнічування залишається весь час більшою, ніж у процесі намагнічування. Коли B 0 = 0 (струм у соленоїді вимкнений), індукція дорівнюватиме B r(залишкова індукція). Стрижень можна вийняти з соленоїда та використовувати як постійний магніт. Щоб остаточно розмагнітити стрижень, необхідно пропустити по соленоїду струм протилежного напрями, тобто. додати зовнішнє магнітне поле з протилежним напрямом вектора індукції. Збільшуючи тепер за модулем індукцію цього поля до B oc, розмагнічують стрижень ( B = 0).).
Таким чином, при намагнічуванні та розмагнічуванні феромагнетика індукція Bвідстає від B 0 . Це відставання називається явищем гістерезису. Зображена на малюнку 8 крива називається петлею гістерезису.
Гістерезис(грец. ὑστέρησις - «відстає») - властивість систем, які не відразу йдуть за прикладеними силами.Вид кривої намагнічування (петлі гістерези) істотно відрізняється для різних феромагнітних матеріалів, які знайшли дуже широке застосування в наукових і технічних додатках. Деякі магнітні матеріали мають широку петлю з високими значеннями залишкової намагніченості та коерцитивної сили, вони називаються магнітно-жорсткимита використовуються для виготовлення постійних магнітів. Для інших феромагнітних сплавів характерні малі значення коерцитивної сили, такі матеріали легко намагнічуються та перемагнічуються навіть у слабких полях. Такі матеріали називаються магнітно-м'якимита використовуються у різних електротехнічних приладах - реле, трансформаторах, магнітопроводах та ін.
