Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Тема 11. § 53. Магнітне поле в речовині




Доверь свою работу кандидату наук!
Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

§ 53. Магнітне поле в речовині

Експериментальні дослідження показали, що усі речовини більшою чи меншою мірою мають магнітні властивості. Якщо два витки із струмами помістити в яке-небудь середовище, то сила магнітної взаємодії між струмами змінюється. Цей долід показує, що індукція магнітного поля, що створюється електричними струмами в речовині, відрізняється від індукції магнітного поля, що створюється тими ж струмами у вакуумі.

Фізична величина, що показує, в скільки разів індукція магнітного поля в однорідному середовищі відрізняється по модулю від індукції магнітного поля у вакуумі

називається магнітною проникністю:

. (3.62)

 

Магнітні властивості речовин визначаються магнітними властивостями атомів або елементарних частинок (електронів, протонів і нейтронів), що входять до складу атомів. Нині встановлено, що магнітні властивості протонів і нейтронів майже в 1000 разів слабкіше за магнітні властивості електронів. Тому магнітні властивості речовин в основному визначаються властивостями електронів, що входять до складу атомів.

Однією з найважливіших властивостей електрона є наявність у нього не лише електричного, але і власного магнітного поля. Власне магнітне поле електрона називають спіновим (spin - обертання). Електрон створює магнітне поле також і за рахунок орбітального руху навколо ядра, яке можна вважати круговим мікрострумом. Спінові поля електронів і магнітні поля, обумовлені їх орбітальними рухами, і визначають широкий спектр магнітних властивостей речовин.

Речовини украй різноманітні за своїми магнітними властивостями. У більшості речовин ці властивості виражені слабо.

Слабомагнітні речовини діляться на дві великі групи - парамагнетики і діамагнетики. Вони відрізняються тим, що при внесенні в зовнішнє магнітне поле парамагнітні зразки намагнічуються так, що їх власне магнітне поле виявляється спрямованим по зовнішньому полю, а діамагнітні зразки намагнічуються проти зовнішнього поля. Тому у парамагнетиків μ > 1, а у діамагнетиків μ < 1. Відмінність μ від одиниці у пара- і діамагнетиків надзвичайно мала. Наприклад, у алюмінію, який відноситься до парамагнетиків,
μ - 1 ≈ 2,1·10-5, у хлористого заліза (FeCl3) μ - 1 ≈ 2,5·10-3. До парамагнетиків відносяться також платина, повітря і багато інших речовин. До діамагнетиків відносяться мідь
(μ - 1 ≈ - 3·10-6), вода (μ - 1 ≈ - 9·10-6), вісмут (μ - 1 ≈ - 1,7·10-3) і інші речовини. Зразки з пара- і діамагнетика, поміщені в неоднорідне магнітне поле між полюсами електромагніту, поводяться по-різному - парамагнетики втягуються в область сильного поля, діамагнетики - виштовхуються (рис 3.49).

Рисунок 3.49.
Парамагнетик (1) і діамагнетик (2) в неоднорідному магнітному полі.

Пара- і діамагнетизм пояснюється поведінкою електронних орбіт в зовнішньому магнітному полі. У атомів діамагнітних речовин у відсутність зовнішнього поля власні магнітні поля електронів і поля, що створюються їх орбітальним рухом, повністю компенсуються. Виникнення діамагнетизму пов'язане з дією сили Лоренца на електронні орбіти. Під дією цієї сили змінюється характер орбітального руху електронів і порушується компенсація магнітних полів. Власне магнітне поле атома, що виникає при цьому, виявляється спрямованим проти індукції зовнішнього поля.

Слід зазначити, що діамагнітні властивості мають атоми будь-яких речовин. Проте, у багатьох випадках діамагнетизм атомів маскується сильнішим парамагнітним ефектом. Явище діамагнетизму було відкрите М. Фарадеем (1845 р.).

Речовини, які здатні сильно намагнічуватися в магнітному полі, називаються феромагнетиками. Магнітна проникність феромагнетиків по порядку величини лежить в межах 102-105. Наприклад, у сталі μ ≈ 8000, у сплаві заліза з нікелем магнітна проникність досягає значень 250000.

До групи феромагнетиків відносяться чотири хімічні елементи: залізо, нікель, кобальт, гадоліній. З них найбільшу магнітну проникність має залізо. Тому уся ця група дістала назву феромагнетиків.

Феромагнетиками можуть бути різні сплави, що містять феромагнітні елементи. Широке застосування в техніці отримали керамічні феромагнітні матеріали - ферити.

Для кожного феромагнетика існує певна температура (так звана температура або точка Кюрі), вище за яку феромагнітні властивості зникають, і речовина стає парамагнетиком. У заліза, наприклад, температура Кюрі дорівнює 770 °C, у кобальту 1130 °C, у нікелю 360 °C.

Феромагнітні матеріали діляться на дві великі групи - на магнітно-м'які і магнітно-жорсткі матеріали. Магнітно-м'які феромагнітні матеріали майже повністю розмагнічуються, коли зовнішнє магнітне поле стає рівним нулю. До магнітно-м'яких матеріалів відноситься, наприклад, чисте залізо, електротехнічна сталь і деякі сплави. Ці матеріали застосовуються в приладах змінного струму, в яких відбувається безперервне перемагнічування, тобто зміна напряму магнітного поля (трансформатори, електродвигуни і т. п.).

Магнітно-жорсткі матеріали зберігають значною мірою свою намагніченість і після видалення їх з магнітного поля. Прикладами магнітно-жорстких матеріалів можуть служити вуглецева сталь і ряд спеціальних сплавів. Магнітно-жорсткі матеріали використовуються в основному для виготовлення постійних магнітів.

Магнітна проникність μ феромагнетиків не є постійною величиною; вона сильно залежить від індукції B0 зовнішнього поля. Типова залежність μ від B0 приведена на рисунку 3.50.

Рисунок 3.50.

Непостійність магнітної проникності призводить до складної нелінійної залежності індукціїB магнітного поля у феромагнетику від індукції B0 зовнішнього магнітного поля. Характерною особливістю процесу намагнічення феромагнетиків є так званий гістерезис, тобто залежність намагнічення від передісторії зразка. Крива намагнічення B (B0) феромагнітного зразка являється петлею складної форми, яка називається петлею гістерезису (рис. 3.51).

Рисунок 3.51.

Петля гістерезису феромагнетика. Стрілками вказаний напрям процесів намагнічення і розмагнічування феромагнітного зразка при зміні індукції B0 зовнішнього магнітного поля.

З малюнка 3.51 видно, що при настає магнітне насичення - намагніченість зразка досягає максимального значення.

Якщо тепер зменшувати магнітну індукцію B0 зовнішнього поля і довести її знову до нульового значення, то феромагнетик збереже залишкову намагніченість - поле усередині зразка буде рівне Br. Залишкова намагніченість зразків дозволяє створювати постійні магніти. Для того, щоб повністю розмагнітити зразок, необхідно, змінивши знак зовнішнього поля, довести магнітну індукцію B0 до значення - B0c, яке прийнято називати коерцитивною силою. Далі процес перемагнічування може бути продовжений, як це вказано стрілками на рисунку 3.51.

У магнітно-м'яких матеріалів значення коерцитивної сили B0cневелике - петля гістерезису таких матеріалів досить "вузька". Матеріали з великим значенням коерцитивної сили, тобто що мають "широку" петлю гістерезису, відносяться до магнітно-жорстких.

Природу феромагнетизму можна пояснити тільки на основі квантових представлень. Якісно феромагнетизм пояснюється наявністю власних (спінових) магнітних полів у електронів. У кристалах феромагнітних матеріалів виникають умови, при яких, внаслідок сильної взаємодії спінових магнітних полів сусідніх електронів, енергетично вигідною стає їх паралельна орієнтація. В результаті такої взаємодії усередині кристала феромагнетика виникають намагнічені області розміром близько 10-2-10-4 см Ці області називаються доменами. Кожен домен представляє з себе невеликий постійний магніт. У відсутність зовнішнього магнітного поля напрями векторів індукції магнітних полів в різних доменах орієнтовані у великому кристалі хаотично. Такий кристал буде ненамагніченим. При накладенні зовнішнього магнітного поля відбувається зміщення меж доменів так, що об'єм доменів, орієнтованих по зовнішньому полю, збільшується. У сильному зовнішньому полі домени, в яких власне магнітне поле співпадає по напряму із зовнішнім полем, поглинають усі інші домени, і настає магнітне насичення. Рисунок 3.52 може служити якісною ілюстрацією процесу намагнічення феромагнітного зразка.

Рисунок 3.52.

Намагнічення феромагнітного зразка. (1) B0 = 0; (2) B0 = B01; (3) B0 = B02 > B01.







Дата добавления: 2014-11-10; просмотров: 2153. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2022 год . (0.019 сек.) русская версия | украинская версия








Поможем в написании
> Курсовые, контрольные, дипломные и другие работы со скидкой до 25%
3 569 лучших специалисов, готовы оказать помощь 24/7