намагнічування речовин

ü Вивчення магнітних властивостей матеріалів і експериментальне дослідження феромагнетиків.

Намагнічування речовин. Вектор намагніченості.

Всі речовини при приміщенні в магнітне поле в тій чи іншій мірі намагнічуються, тобто створюють своє власне магнітне поле. Матеріали, здатні намагнічуватися, називаються Магнетика. Намагнічення обумовлено існуванням в речовині молекулярних замкнутих струмів. Якщо магнетик намагнічений, то це означає, що молекулярні струми в ньому орієнтовані таким чином, що існує відмінний від нуля магнітний момент. Магнітний момент ___ одиниці об'єму речовини називається вектором намагніченості. Вектор намагніченості пов'язаний з напруженістю магнітного поля співвідношенням ___. де - магнітна сприйнятливість речовини. На практиці частіше користуються іншою характеристикою речовини, магнітною проникністю m, яка пов'язана із співвідношенням m = +1.

З'ясуємо природу молекулярних струмів. Всі речовини складаються з атомів і молекул. Атом являє собою позитивно заряджену ядро ​​і знаходяться в безперервному русі електрони. Для пояснення ряду магнітних властивостей з достатнім наближенням можна вважати, що електрони рухаються навколо ядра з певних кругових орбітах. Отже, рух кожного електрона можна розглядати, як впорядкований рух носіїв заряду, тобто як замкнутий електричний струм (молекулярний струм). Сила струму I в цьому випадку буде дорівнює. де dq - заряд, стерпний через поперечний переріз провідника з часом dt, e - заряд електрона; J - частота його звернення.

Магнітна дія кругового струму визначається його магнітним моментом. де S - площа контуру; - одиничний вектор нормалі до контуру, пов'язаний з напрямком струму правилом правого гвинта (рис.1). Напрямок струму протилежно напрямку руху електрона. Магнітний момент. обумовлений рухом електрона по орбіті. називають орбітальним магнітним моментом електрона. Його модуль дорівнює. де S - площа орбіти; r - її радіус.

Оскільки електрон має певну масою m, то в результаті обертання по орбіті він буде володіти моментом імпульсу. який називають орбітальним механічним моментом електрона. Його величина (модуль) визначається співвідношенням. Тут - лінійна швидкість електрона на орбіті; w - його кутова швидкість. Напрямок вектора пов'язано правилом правого гвинта з напрямком обертання електрона, тобто вектори і взаємно протилежні (рис.1).

Ставлення g орбітального магнітного моменту електрона до його орбітального механічного моменту називають гіромагнітного відношення. Розрахунок показує, що g = e / 2m. Знак мінус вказує на протилежний напрямок векторів і.

Орбітальний магнітний момент атома (молекули) є векторною суму орбітальних магнітних моментів електрона, що входять до його складу,. У різних речовин цей момент може бути або рівним нулю, або бути відмінним від нуля. Орбітальний механічний момент атома (молекули) дорівнює векторній сумі орбітальних механічних моментів в його склад електронів:

Атом в магнітному полі.

Очевидно, що прецесія призводить до появи додаткового обертання електрона навколо напрямку зовнішнього магнітного поля, тобто до появи додаткового індукованого струму DI (рис.2), напрямок якого визначається правилом Ленца. (Індукційний струм завжди спрямований так, щоб перешкоджати причини, що його викликає). Зокрема, в разі, зображеному на рис.2, для того, щоб перешкоджати виникненню зовнішнього магнітного поля, напрям обертання кінця вектор (а значить і додаткового руху електрона) має бути протилежно основного руху електрона. З додатковим струмом пов'язаний індукований магнітний момент D. напрямок якого протилежно. Ларморовой прецесія з огляду на її індукційної природи спостерігається у всіх без винятку речовин.

Отже, включення магнітного поля призводить до прецесії електронних орбіт, але не до їх переорієнтації.

Існують різні механізми намагнічування речовини. Один з них універсальний і проявляється у формі діамагнетизму. Діамагнетизмом називають явище виникнення в магнетику вектора намагніченості, напрямок якого протилежне напрямку зовнішнього що намагнічує поле. У чистому вигляді це явище спостерігається у речовин, сумарні магнітні моменти атомів (молекул) яких дорівнюють нулю. Такі речовини називають діамагнетиками. При приміщенні діамагнетиком в зовнішнє магнітне поле виникає ларморовой прецесія і з'являється відмінний від нуля індукований момент # 8710; . спрямований протилежно полю, його створив.

Тепловий рух намагається "розкидати" магнітні моменти, однак змінити напрямок зовнішнього магнітного поля, а значить і # 8710; . воно не може. Отже, намагніченість діамагнетиком не залежить від температури. Магнітна сприйнятливість діамагнетіков мала і негативна.

До парамагнетикам відносяться речовини, сумарний магнітний момент атомів (молекул) яких відрізняється від нуля. Під час відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти атомів розташовані хаотично. Включення магнітного поля призводить і в цьому випадку до прецесії орбіт. Крім того, власні магнітні моменти атомів (молекул) починають орієнтуватися в зовнішньому магнітному полі. Це явище переважає над діамагнетизмом. Зіткнення з оточуючими молекулами в результаті теплового руху і в цьому випадку перешкоджають ідеального вибудовування. В результаті встановлюється деяка рівноважна орієнтація магнітних моментів з переважним напрямком уздовж зовнішнього магнітного поля.

Магнітна сприйнятливість парамагнетиків мала і позитивна. З ростом температури, як і слід було очікувати, вона зменшується.

До феромагнетика відносяться кристалічні речовини, здатні зберігати намагніченість за відсутності зовнішнього магнітного поля. Відносна магнітна проникність феромагнетиків становить багато сотень і тисяч одиниць.

Експериментальне дослідження властивостей феромагнетиків було розпочато в XIX столітті А.Г.Столетова. дослідження показали, що залежність намагніченості ___ феромагнетика від напруженості Н зовнішнього магнітного поля має вигляд, зображений на рис.3. При деякій напруженості намагніченість досягає максимуму і надалі не змінюється. Це явище було названо Столєтова магнітним насиченням.

Індукція магнітного поля в речовині дорівнює векторній сумі індукції зовнішнього і внутрішнього полів, тобто . Оскільки, як показує розрахунок,. де - магнітна постійна, то звідси випливає, що вид залежності В від Н у феромагнетику повинен відрізнятися від кривої __ = f (H). Після досягнення магнітного насичення повинен спостерігатися подальше зростання індукції, обумовлений зростанням напруженості Н зовнішнього магнітного поля, що і підтверджує експеримент (рис.4).

Індукція магнітного поля в речовині може бути, крім того, виражена співвідношенням. Оскільки залежність У від Н у феромагнетиків нелінійна, то відносна магнітна проникність залежить від Н (рис.5.). Початкове значення визначається тангенсом кута нахилу дотичної до кривої В = f (H) в точці Н = 0 (рис.4.). Максимальне значення магнітної проникності дає тангенс кута (рис.4.). При подальшому збільшенні напруженості падає і при великих Н прагне до одиниці. Дійсно, в сильних полях другим доданком у виразі можна знехтувати. Тоді отримаємо. оскільки, крої того,. то з цього випливає, що прагне до одиниці (рис.5).

Відмінною рисою феромагнетиків є гістерезис. Крива на рис.6 є результат дослідження індукції В в феромагнетиках в змінному по величині й напрямку зовнішньому магнітному полі. Такі дослідження модно проводити, якщо помістити ферромагнетик всередину котушки з струмом. Припустимо, що сердечник спочатку НЕ намагнічується, тоді хід залежності В від Н з ростом Н відображатиме крива 01А. Нехай точка А відповідає напруженості. при якій досягається магнітне насичення. Якщо тепер почати зменшувати напруженість зовнішнього поля, то, як показує експеримент, індукція буде змінюватися по кривій АВ0. лежить трохи вище, тобто індукція як би запізнюється по відношенню до напруженості поля Н. В момент, коли напруженість дорівнюватиме нулю, індукція прийме значення В0. яке називають залишковою індукцією. Феромагнетик в такому стані являє собою постійний магніт. Для того, щоб його розмагнітити, доведеться змінити напрямок струму в котушці, а значить і напрямок напруженості зовнішнього магнітного поля. Напруженість НК. при якій ферромагнетик повністю розмагнітиться, називають коерцитивної силою. При подальшому збільшенні напруженості поля в цьому напрямку знову буде досягнуто стан насичення (точка С). Зменшуючи напруженість поля і знову змінивши його напрям, можна повернутися в точку А. Описана крива носить назву максимальної петлі гистерезиса. Якщо при максимальному значенні Н насичення не досягається, то таку криву називають приватним циклом (наприклад, крива 1-2-3-4-1, рис.6). Існує безліч приватних циклів.

Ферромагнетики, у яких коерцитивну сала велика, тобто петля широка, називають жорсткими. Для розмагнічування таких ферромагне-тиків потрібні сильні поля. Тому з них виготовляють постійні магніти. Ферромагнетики з вузькою петлею, тобто малої коерцитивної силою, називають м'якими. Їх використовують там, де необхідно здійс-ствлять часте перемагничивание, наприклад, в трансформаторах. З огляду на неоднозначну залежності В від Н (рис.6) поняття від-відносна магнітної проникності може бути застосовано тільки до основної кривої залежності В від Н (ріо.4 і ділянку O1A на рис.6).