Тема 3.2.8 Феромагнетики. Класична теорія феромагнетизму. Петля гістерезису.

 

План

1 Причини магнетизму атому.

2 Магнітна проникливість середовища.

3 Феромагнетики. Магнітний гістерезис.

4 Коерцитивна сила. Точка Кюрі.

5 Теорія феромагнетиків.

 

Література:

[1] Чолпан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк., 2004. – 567 с. (§ 9.7)

 

1 Магнітні властивості мають усі речовини, тому термін «магнетики» застосований до всіх без винятку матеріалів. Щоб пояснити магнітні властивості різних речовин, розглянемо, як магнітне поле діє на рухомі заряди (електрони) в молекулах і атомах речовини.

Електрон, який обертається навколо ядра атома по замкненій орбіті, - це струм, напрям якого протилежний руху електрона. Умовно вважатимемо, що електрон в атомі рухається із швидкістю v по коловій орбіті. Оскільки цей рух аналогічний коловому струму, виникає магнітне поле і рух електрона можна охарактеризувати орбітальним магнітним моментом.

P_mi=IS

Вектор орбітального магнітного моменту атома Р_m дорівнює векторній сумі орбітальних моментів р_mi окремих електронів, які входять до складу атома:

,

де Z – порядковий номер елемента в таблиці Менделєєва.

При накладанні зовнішнього магнітного поля напрями векторів магнітних моментів P_m окремих атомів або молекул магнетика упорядковуються, внаслідок чого макроскопічний об’єм набуває певного сумарного магнітного моменту. Магнітні властивості магнетика характеризуються вектором намагнічення І – величиною, яка дорівнює відношенню магнітного моменту тіла до його об’єму:

,

де n – кількість атомів або молекул, що входять в об’єм.

Якщо діелектрична проникність у всіх речовин більша від одиниці, то їх магнітна проникність може бути як більшою, так і меншою від одиниці.

За значенням розрізняють діамагнетики (μ<1), парамагнетики (μ>1) і феромагнетики (μ>>1).

 

 

2 Магнітна індукція , що характеризує внутрішнє магнітне поле в речовині, пов’язана з напруженістю поля співвідношенням , де μ – відносна магнітна проникність середовища.

У свою чергу, .

Тоді

Звідси стає зрозумілим фізичний зміст величини μ: відносна магнітна проникність середовища показує, у скільки разів змінюється індукція магнітного поля, якщо простір, у якому воно існує, заповнити певним магнетиком. Залежно від значення магнітної проникності μ усі речовини поділяють на три групи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики. Для діамагнетиків магнітна проникність μ < 0, для парамагнетиків μ > 1 і для феромагнетиків μ >> 1. У випадку діамагнетиків і парамагнетиків μ дуже мало відрізняється від одиниці.

 

3 У дев’яти чистих хімічних елементів, а саме залізі, нікелі, кобальті і ланоганидах та їх чисельних сплавах виявлено властивість миттю намагнічуватися навіть у слабких магнітних полях. Усі вони утворюють групу сильно магнітних речовин – феромагнетиків. Феромагнетики підсилюють зовнішнє поле в сотні і тисячі разів.

Залежність намагніченості від напруженості поля Н визначається передісторією намагнічення феромагнетику. Це явище називається магнітним гістерезисом.

4 Якщо поступово зменшувати струм в обмотці соленоїда, то зменшується напруженість Н поля соленоїда і намагнічення j стрижня. Але крива j(Н) вже не збігається з первинною кривою намагнічення Оа. В той момент, коли намагнічуюче поле Н = 0, у феромагнітного стрижня спостерігатиметься залишкове намагнічення jR.

Після зміни на клемах соленоїда полярності джерела і монотонного збільшення струму виникає магнітне поле, яке напрямлене протилежно до залишкового намагнічення, і стрижень розмагнічуватиметься. Та напруженість Н_к поля, яка потрібна, щоб повністю розмагнітити попередньо намагнічений стержень, називається коерцитивною напруженістю (коерцитивною силою).

Коерцитивна сила характеризує властивість феромагнетику зберігати намагніченість. Матеріали з великою коерцитивною напруженістю дають широку петлю гістерезису і називаються «твердими» магнітними матеріалами. З них виготовляють постійні магніти.

«М’які» магнітні матеріали мають малу коерцитивну силу і дають вузьку петлю гістерезису. Ці матеріали використовують для виготовлення осердь трансформаторів.

В експериментах із залізом П. Кюрі встановив, що при певній температурі воно втрачає властивість феромагнетику і переходить в парамагнітний стан. Цю температуру називають точкою Кюрі (Тс).

 

5 При Т < Т_с будь-яке феромагнітне тіло розділяється на малі області, якими властива однорідна спонтанна намагніченість. Такі області називаються доменами. Лінійні розміри доменів досягають 10^-2 – 10^{-3 см.}

Коли зовнішнього магнітного поля немає, вектори магнітних моментів окремих доменів орієнтуються в просторі хаотично, так що результуючий магнітний момент усього тіла дорівнює нулю. Зовнішнє магнітне поле, яке діє на феромагнетики, орієнтує магнітні моменти не окремих частинок як у парамагнетиках, а цілих областей спонтанної намагніченості домен.

 

Контрольні запитання

 

1 Що називається коерцитивною напруженістю (коерцитивною силою)?

2 Що називається доменами?

3 Що називається магнітним гістерезисом?

 

 

Змістовий модуль 3.2 Магнетизм. Магнітне поле електричного струму.

Тема3.2.9 Будова та принцип дії амперметра і вольтметра. Шунти та додаткові опори. (Самостійне вивчання)

 

План

1.

Література:

[1] Чолпан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк., 2004. – 567 с.

 

Контрольні запитання

 

Змістовий модуль 3.2 Магнетизм. Магнітне поле електричного струму.

 

Лекція № 17