Magnetisk permeabilitet af luft end stål. Materiens magnetiske egenskaber

6. MAGNETISKE MATERIALER

Alle stoffer er magnetiske og magnetiseres i et eksternt magnetfelt.

Baseret på deres magnetiske egenskaber opdeles materialer i svagt magnetiske ( diamagnetiske materialer Og paramagneter) og meget magnetisk ( ferromagneter Og ferrimagneter).

Diamagneterμ r < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего magnetisk felt. Diamagneter er stoffer, hvis atomer (molekyler) i fravær af et magnetiserende felt har et magnetisk moment lig med nul: brint, inerte gasser, de fleste organiske forbindelser og nogle metaller ( Cu, Zn, Ag, Au, Hg), samt I jeg, Ga, Sb.

Paramagneter– stoffer med magnetisk permeabilitetμ r> 1, hvilket er svage felter afhænger ikke af styrken af ​​det eksterne magnetfelt. Paramagnetiske stoffer omfatter stoffer, hvis atomer (molekyler) i fravær af et magnetiserende felt har et magnetisk moment forskelligt fra nul: ilt, nitrogenoxid, salte af jern, kobolt, nikkel og sjældne jordarters grundstoffer, alkalimetaller, aluminium, platin.

Diamagnetiske og paramagnetiske materialer har magnetisk permeabilitetμ rer tæt på enhed. Anvendelse i teknologi som magnetiske materialer er begrænset.

I højmagnetiske materialer er den magnetiske permeabilitet betydeligt større end enhed (μ r >> 1) og afhænger af magnetfeltstyrken. Disse omfatter: jern, nikkel, kobolt og deres legeringer, samt legeringer af krom og mangan, gadolinium, ferriter af forskellige sammensætninger.

6.1. Materialers magnetiske egenskaber

Materialers magnetiske egenskaber vurderes ved fysiske størrelser kaldet magnetiske egenskaber.

Magnetisk permeabilitet

Adskille pårørende Og absolut magnetiske permeabiliteter stoffer (materialer), der er indbyrdes forbundet af forholdet

μa = μ o ·μ, Gn/m

μo- magnetisk konstant,μo = 4π ·10-7 H/m;

μ – relativ magnetisk permeabilitet (dimensionsløs mængde).

Relativ magnetisk permeabilitet bruges til at beskrive egenskaberne af magnetiske materialer.μ (oftere kaldet magnetisk permeabilitet), og til praktiske beregninger anvendes absolut magnetisk permeabilitetμa, beregnet ved ligningen

μa = I /N,Gn/m

N– intensiteten af ​​det magnetiserende (ydre) magnetfelt, A/m

I – magnetfeltinduktion i en magnet.

Stor værdiμ viser, at materialet let magnetiseres i svage og stærke magnetfelter. Den magnetiske permeabilitet af de fleste magneter afhænger af styrken af ​​det magnetiserende magnetfelt.

For at karakterisere magnetiske egenskaber kaldes en dimensionsløs størrelse magnetisk modtagelighed χ .

μ = 1 + χ

Temperaturkoefficient for magnetisk permeabilitet

Et stofs magnetiske egenskaber afhænger af temperaturenμ = μ (T) .

For at beskrive ændringens karaktermagnetiske egenskaber med temperaturbruge temperaturkoefficienten for magnetisk permeabilitet.

Afhængighed af den magnetiske følsomhed af paramagnetiske materialer af temperaturTbeskrevet af Curies lov

Hvor C - Curie konstant .

Magnetiske egenskaber af ferromagneter

Afhængigheden af ​​de magnetiske egenskaber af ferromagneter har mere kompleks karakter, vist på figuren, og når et maksimum ved en temperatur tæt påQ Til.

Temperaturen, hvor den magnetiske modtagelighed falder kraftigt, næsten til nul, kaldes Curie-temperaturen -Q Til. Ved højere temperaturerQ Til magnetiseringsprocessen af ​​en ferromagnet afbrydes på grund af den intense termiske bevægelse af atomer og molekyler, og materialet holder op med at være ferromagnetisk og bliver paramagnetisk.

Til jern Q k = 768 ° C, for nikkel Q k = 358 ° C, for kobolt Q k = 1131 ° C.

Over Curie-temperaturen er afhængigheden af ​​en ferromagnets magnetiske modtagelighed af temperaturenTbeskrevet af Curie-Weiss-loven

Processen med magnetisering af højmagnetiske materialer (ferromagneter) har hysterese. Hvis en afmagnetiseret ferromagnet magnetiseres i et eksternt felt, bliver den magnetiseret iflg magnetiseringskurve B = B(H) . Hvis så, begyndende fra en eller anden værdiHbegynde at reducere feltstyrken, derefter induktionBvil falde med en vis forsinkelse ( hysterese) i forhold til magnetiseringskurven. Efterhånden som feltet øges modsat retning ferromagneten afmagnetiseres altså remagnetiserer, og med en ny ændring af magnetfeltets retning kan det vende tilbage til udgangspunktet, hvorfra afmagnetiseringsprocessen begyndte. Den resulterende løkke vist i figuren kaldes hysterese loop.

Ved en vis maksimal spændingN m magnetiseringsfelt, magnetiseres stoffet til en tilstand af mætning, hvor induktionen når værdienI N, som hedderinduktion af mætning.

Resterende magnetisk induktion I OM – observeret i et ferromagnetisk materiale, magnetiseret til mætning, under dets afmagnetisering, når magnetfeltstyrken er nul. For at afmagnetisere en materialeprøve skal magnetfeltstyrken ændre sin retning til den modsatte retning (-N). FeltstyrkeN TIL , hvor induktion er lig nul, kaldes tvangskraft(holdekraft) .

Magnetiseringsvending af en ferromagnet i vekslende magnetiske felter er altid ledsaget af termiske energitab, som er forårsaget af tab af hysterese Og dynamiske tab. Dynamiske tab er forbundet med hvirvelstrømme induceret i materialets volumen og afhænger af elektrisk modstand materiale, aftagende med stigende modstand. HysteresetabW i én magnetiseringsvendingscyklus bestemt af arealet af hysteresesløjfen

og kan beregnes for en enhedsvolumen af ​​et stof ved hjælp af den empiriske formel

J/m 3

Hvor η – koefficient afhængig af materialet,B N – maksimal induktion opnået under cyklussen,n– eksponent lig med 1,6 afhængigt af materialet¸ 2.

Specifikke energitab på grund af hysterese R G – tab brugt på magnetiseringsvending af en enhedsmasse pr. volumenenhed materiale pr. sekund.

Hvor f – AC frekvens,T– svingningsperiode.

Magnetostriktion

Magnetostriktion – fænomenet ændringer i en ferromagnets geometriske dimensioner og form, når magnetfeltets størrelse ændres, dvs. når magnetiseret. Relativ ændring i materialedimensionerΔ l/ lkan være positiv og negativ. For nikkel er magnetostriktion mindre end nul og når en værdi på 0,004 %.

I overensstemmelse med Le Chateliers princip om at modvirke systemets indflydelse eksterne faktorer, der søger at ændre denne tilstand, bør mekanisk deformation af ferromagneten, hvilket fører til en ændring i dens størrelse, påvirke magnetiseringen af ​​disse materialer.

Hvis et legeme under magnetisering oplever en reduktion i dets størrelse i en given retning, så fremmer påføringen af ​​en mekanisk trykspænding i denne retning magnetisering, og strækning gør magnetisering vanskelig.

6.2. Klassificering af ferromagnetiske materialer

Alt sammen ferro magnetiske materialer Baseret på deres adfærd i et magnetfelt inddeles de i to grupper.

Blød magnetisk – med høj magnetisk permeabilitetμ og lav tvangskraftN TIL< 10Er. De kan let magnetiseres og afmagnetiseres. De har lave hysteresetab, dvs. smal hystereseløkke.

Magnetiske egenskaber afhænger af den kemiske renhed og graden af ​​forvrængning af krystalstrukturen. Jo færre urenheder(MED, R, S, O, N) , jo højere niveauet af egenskaber af materialet, derfor er det nødvendigt at fjerne dem og oxider under produktionen af ​​en ferromagnet, og prøv ikke at forvrænge den krystallinske struktur af materialet.

Hårde magnetiske materialer - har det fantastiskN K > 0,5 MA/m og resterende induktion (I OM ≥ 0,1T). De svarer til en bred hystereseløkke. De magnetiseres med stort besvær, men de kan bevare magnetisk energi i flere år, dvs. tjene som en kilde til konstant magnetfelt. Derfor laves permanente magneter af dem.

Baseret på deres sammensætning er alle magnetiske materialer opdelt i:

· metal;

· ikke-metalliske;

· magnetoelektrik.

Metal magnetiske materialer - disse er rene metaller (jern, kobolt, nikkel) og magnetiske legeringer af nogle metaller.

Til ikke-metallisk materialer omfatter ferriter, fremstillet af pulvere af jernoxider og andre metaller. De presses og brændes ved 1300 - 1500 °C og bliver til solide monolitiske magnetiske dele. Ferriter, ligesom magnetiske metalmaterialer, kan være bløde magnetiske eller hårde magnetiske.

Magnetoelektrik – disse er kompositmaterialer fra 60-80% pulveriseret magnetisk materiale og 40-20% organisk dielektrisk. Ferriter og magnetoelektrik have stor værdi elektrisk resistivitet (ρ = 10 ÷ 10 8 Ohm m), den høje modstand af disse materialer sikrer lave dynamiske energitab i vekslende elektromagnetiske felter og gør det muligt at bruge dem i vid udstrækning i højfrekvensteknologi.

6.3. Metal magnetiske materialer

6.3.1. Metal blød magnetisk materialer

Metalliske bløde magnetiske materialer omfatter carbonyljern, permalloy, alsifer og siliciumstål med lavt kulstofindhold.

Carbonyl jern – opnået ved termisk nedbrydning af jernpentacarbonylvæskeF e( CO) 5 for at opnå partikler af rent pulveriseret jern:

F e( CO) 5 → Fe+ 5 СО,

ved en temperatur på omkring 200°Cog tryk 15 MPa. Jernpartikler har en sfærisk form med en størrelse på 1 – 10 mikron. For at fjerne kulstofpartikler udsættes jernpulver for varmebehandling i et miljø N 2 .

Den magnetiske permeabilitet af carbonyljern når 20000, tvangskraften er 4,5¸ 6,2Er. Jernpulver bruges til at lave højfrekvente magnetoelektrisk kerner, som fyldstof i magnetbånd.

Permalloi –duktile jern-nikkel-legeringer. For at forbedre egenskaber, tilføj Mo, MED r, Cu, producerer dopede permalloys. De har høj duktilitet og rulles nemt til plader og strimler op til 1 mikron.

Hvis nikkelindholdet i permalloy er 40 - 50%, kaldes det lav-nikkel, hvis 60 - 80% - høj nikkel.

Permalloys har højt niveau magnetiske egenskaber, som sikres ikke kun af sammensætningen og høj kemisk renhed af legeringen, men også af speciel termisk vakuumbehandling. Permalloys har et meget højt niveau af initial magnetisk permeabilitet fra 2000 til 30000 (afhængigt af sammensætningen) i området med svage felter, hvilket skyldes den lave størrelse af magnetostriktion og isotropi af magnetiske egenskaber. Især høj ydeevne har en supermalloy, hvis initiale magnetiske permeabilitet er 100.000, og maksimum når 1,5· 10 6 kl B= 0,3 T.

Permalloy leveres i form af strimler, plader og stænger. Lav-nikkel permalloys bruges til fremstilling af induktorkerner, små transformere og magnetiske forstærkere, høj nikkel permalloi – til udstyrsdele, der opererer ved soniske og supersoniske frekvenser. Permalloys magnetiske egenskaber er stabile ved –60 +60°С.

Alsifera – ikke-smidbar skrøbelig legeringer med sammensætning Al – Si– Fe , bestående af 5,5 – 13 %Al, 9 – 10 % Si, resten er jern. Alsifer ligner i egenskaber permalloy, men er billigere. Støbte kerner fremstilles af det, magnetiske skærme og andre hule dele med en vægtykkelse på mindst 2 - 3 mm støbes. Alsifers skrøbelighed begrænser dets anvendelsesområde. Ved at drage fordel af alsifers skrøbelighed males det til pulver, som bruges som ferromagnetisk fyldstof i presset højfrekvens magnetoelektrik(kerner, ringe).

Silicium lavt kulstof stål (elektrisk stål) – legering af jern og silicium (0,8 - 4,8 %Si). Det vigtigste bløde magnetiske materiale til massebrug. Det rulles nemt til plader og strimler på 0,05 - 1 mm og er et billigt materiale. Silicium, der findes i stål i opløst tilstand, udfører to funktioner.

· Ved at øge stålets resistivitet forårsager silicium en reduktion i dynamiske tab forbundet med hvirvelstrømme. Modstanden stiger pga silica dannelse SiO 2 som følge af reaktionen

2 FeO + S i→ 2Fe+ SiO 2 .

· Tilstedeværelsen af ​​silicium opløst i stål fremmer nedbrydningen af ​​cementit Fe 3 C – skadelige urenheder, der reducerer magnetiske egenskaber og frigivelse af kulstof i form af grafit. I dette tilfælde dannes rent jern, hvis vækst af krystaller øger niveauet af magnetiske egenskaber af stål.

Det anbefales ikke at indføre silicium i stål i en mængde på over 4,8 %, da silicium, mens det hjælper med at forbedre magnetiske egenskaber, markant øger stålets skørhed og reducerer det mekaniske egenskaber.

6.3.2. Metalliske hårde magnetiske materialer

Hårde magnetiske materialer - disse er ferromagneter med høj tvangskraft (mere end 1 kA/m) og en stor værdi af resterende magnetisk induktionI OM. Anvendes til fremstilling af permanente magneter.

Afhængigt af sammensætning, tilstand og produktionsmetode er de opdelt i:

· legeret martensitisk stål;

· støbte hårde magnetiske legeringer.

Legeret martensitisk stål – det drejer sig om kulstofstål og legeret stålCr, W, Co, Mo . Kulstof stål ældes hurtigt og ændre deres egenskaber, så de sjældent bruges til fremstilling af permanente magneter. Til fremstilling af permanente magneter anvendes legeret stål - wolfram og krom (N C ≈ 4800 Er,I O ≈ 1 T), som er fremstillet i form af stænger med forskellige former sektioner. Koboltstål har en højere koercitivitet (N C ≈ 12000 Er,I O ≈ 1 T) sammenlignet med wolfram og krom. Tvangskraft N MED koboltstål stiger med stigende indhold MED O .

Støbte hårde magnetiske legeringer. Legeringernes forbedrede magnetiske egenskaber skyldes en særligt udvalgt sammensætning og specialbehandling - afkøling af magneterne efter støbning i et stærkt magnetfelt, samt speciel flertrins varmebehandling i form af quenching og temperering i kombination med magnetisk behandling, kaldet dispersionshærdning.

Tre hovedgrupper af legeringer bruges til fremstilling af permanente magneter:

· Jern – kobolt – molybdæn legering type remaloy med tvangskraftN K = 12 – 18 kA/m.

· Legeringsgruppe:

§ kobber - nikkel - jern;

§ kobber - nikkel - kobolt;

§ jern - mangan, legeretaluminium eller titanium;

§ jern – kobolt – vanadium (F e– Co – V).

Legeringen kobber - nikkel - jern kaldes kunife (MED u– Ni - Fe). Legering F e– Co – V (jern - kobolt - vanadium) kaldes viktala . Legeringer af denne gruppe har en tvangskraft N TIL = 24 – 40 kA/m. Fås i tråd og pladeform.

· Legeringssystem jern – nikkel – aluminium(F e – Ni– Al), tidligere kendt som legering alni. Legering indeholder 20 - 33% Ni + 11 – 17 % Al, resten er jern. Tilføjelse af kobolt, kobber, titanium, silicium og niobium til legeringer forbedrer deres magnetiske egenskaber, letter fremstillingsteknologi, sikrer repeterbarhed af parametre og forbedrer mekaniske egenskaber. Moderne mærkning af mærket indeholder bogstaver, der angiver de tilsatte metaller (Y - aluminium, N - nikkel, D - kobber, K - kobolt, T - titanium, B - niobium, C - silicium), tal - indholdet af grundstoffet, hvis bogstav står foran nummeret, f.eks. UNDC15.

Legeringer har en høj koercitivitetsværdi N TIL = 40 – 140 kA/m og stor lagret magnetisk energi.

6.4. Ikke-metalliske magnetiske materialer. Ferriter

Ferritter er keramiske ferromagnetiske materialer med lav elektronisk ledningsevne. Lav elektrisk ledningsevne kombineret med høje magnetiske egenskaber gør det muligt at bruge ferrit i vid udstrækning høje frekvenserÅh.

Ferritter er lavet af en pulverblanding bestående af jernoxid og særligt udvalgte oxider af andre metaller. De presses og sintres derefter kl høje temperaturer. Generel kemisk formel har formen:

MeO Fe 2 O 3 eller MeFe 2 O 4,

Hvor Mehdivalent metal symbol.

f.eks.

ZnO Fe 2 O 3 eller

NiO Fe 2 O 3 eller NiFe 2O4

Ferritter har et kubisk spinel-gitterMgOAl 2O3 - magnesiumaluminat.Ikke alle ferriter er magnetiske. Tilstedeværelsen af ​​magnetiske egenskaber er forbundet med arrangementet af metalioner i det kubiske spinelgitter. Altså systemetZnFe 2O4 har ikke ferromagnetiske egenskaber.

Ferritter fremstilles iflg keramisk teknologi. De originale pulveriserede metaloxider knuses i kuglemøller, presses og brændes i ovne. De sintrede briketter formales til et fint pulver, og der tilsættes et blødgøringsmiddel, for eksempel en opløsning af polyvinylalkohol. Fra den resulterende masse presses ferritprodukter - kerner, ringe, som brændes i luft ved 1000 - 1400 ° C. De resulterende hårde, skøre, for det meste sorte produkter kan kun forarbejdes ved slibning og polering.

Blød magnetisk ferriter

Blød magnetiskFerriter er meget udbredt inden for højfrekvent elektronik og instrumentfremstilling til fremstilling af filtre, transformere til lav- og højfrekvente forstærkere, antenner til radiosende- og modtageenheder, pulstransformatorer og magnetiske modulatorer. Produceret af industrien følgende typer bløde magnetiske ferritter med bredt udvalg magnetiske og elektriske egenskaber: nikkel - zink, mangan - zink og lithium - zink. Den øvre grænsefrekvens for ferritanvendelse afhænger af deres sammensætning og varierer med forskellige mærker ferriter fra 100 kHz til 600 MHz, er koercitiviteten omkring 16 A/m.

Fordelen ved ferritter er stabiliteten af ​​magnetiske egenskaber og den relative lethed ved at fremstille radiokomponenter. Som alle ferromagnetiske materialer bevarer ferritter kun deres magnetiske egenskaber op til Curie-temperaturen, som afhænger af sammensætningen af ​​ferriterne og varierer fra 45 ° til 950 ° C.

Hårde magnetiske ferriter

Til fremstilling af permanente magneter anvendes hårde magnetiske ferritter mest udbredt (;VaO 6 Fe 2 O 3 ). De har en sekskantet krystalstruktur med storeN TIL . Bariumferriter er et polykrystallinsk materiale. De kan være isotrope - de samme egenskaber af ferrit i alle retninger skyldes det faktum, at de krystallinske partikler er orienteret vilkårligt. Hvis den pulverformige masse under presningen af ​​magneter udsættes for et eksternt magnetfelt med høj intensitet, vil de krystallinske ferritpartikler blive orienteret i én retning, og magneten vil være anisotropisk.

Bariumferritter er kendetegnet ved god stabilitet af deres egenskaber, men er følsomme over for temperaturændringer og mekanisk belastning. Bariumferritmagneter er billige.

6.5. Magnetoelektrik

Magnetoelektrik - disse er kompositmaterialer bestående af fine partikler af blødt magnetisk materiale bundet til hinanden af ​​et organisk eller uorganisk dielektrikum. Carbonyljern, alsifer og nogle typer permalloy, knust til pulverform, bruges som bløde magnetiske materialer.

Polystyren, bakelitharpikser, flydende glas osv. bruges som dielektrikum.

Formålet med et dielektrikum er ikke kun at forbinde partikler af magnetisk materiale, men også at isolere dem fra hinanden og følgelig kraftigt øge den elektriske resistivitetsværdi magnetoelektrisk. Elektrisk resistivitetrmagnetoelektriker 10 3 – 10 4 Ohm× m

Magnetoelektrikbruges til fremstilling af kerner til højfrekvente radioudstyrskomponenter. Processen med at fremstille produkter er enklere end fra ferriter, fordi de kræver ikke varmebehandling ved høj temperatur. Produkter fra magnetoelektrik er kendetegnet ved høj stabilitet af magnetiske egenskaber, høj klasse overfladerenhed og dimensionsnøjagtighed.

Magnetoelektrik fyldt med molybdænpermalloy eller carbonyljern har de højeste magnetiske egenskaber.

Hvis vi i de ovenfor beskrevne eksperimenter i stedet for en jernkerne tager kerner fra andre materialer, så kan en ændring i den magnetiske flux også påvises. Det er mest naturligt at forvente, at den mest mærkbare effekt vil frembringes af materialer, der i deres magnetiske egenskaber ligner jern, dvs. nikkel, kobolt og nogle magnetiske legeringer. Faktisk, når en kerne lavet af disse materialer indføres i spolen, viser stigningen i magnetisk flux sig at være ret betydelig. Med andre ord kan vi sige, at deres magnetiske permeabilitet er høj; for nikkel kan den f.eks. nå en værdi på 50, for kobolt 100. Alle disse materialer med store værdier kombineret til én gruppe af ferromagnetiske materialer.

Alle andre "ikke-magnetiske" materialer har dog også en vis effekt på magnetisk flux, selvom påvirkningen er væsentlig mindre end ferromagnetiske materialers. Ved hjælp af meget omhyggelige målinger kan denne ændring detekteres, og den magnetiske permeabilitet kan bestemmes forskellige materialer. Man skal dog huske på, at vi i det ovenfor beskrevne forsøg sammenlignede den magnetiske flux i en spole, hvis hulrum er fyldt med jern, med fluxen i en spole med luft indeni. Så længe vi talte om så stærkt magnetiske materialer som jern, nikkel, kobolt, betød dette ikke noget, da tilstedeværelsen af ​​luft har meget lille effekt på den magnetiske flux. Men når vi studerer andre stoffers magnetiske egenskaber, især luften selv, skal vi naturligvis sammenligne med en spole, hvori der ikke er luft (vakuum). For magnetisk permeabilitet tager vi således forholdet mellem magnetiske fluxer i det undersøgte stof og i vakuum. Med andre ord tager vi den magnetiske permeabilitet for vakuum som én (hvis , så ).

Målinger viser, at den magnetiske permeabilitet af alle stoffer er forskellig fra enhed, selvom denne forskel i de fleste tilfælde er meget lille. Men det, der er særligt bemærkelsesværdigt, er, at for nogle stoffer er den magnetiske permeabilitet større end én, mens den for andre er mindre end én, dvs. at fylde spolen med nogle stoffer øger den magnetiske flux, og fyldning af spolen med andre stoffer reducerer denne flux. Den første af disse stoffer kaldes paramagnetisk (), og den anden - diamagnetisk (). Som tabellen viser. 7 er forskellen i permeabilitet fra enhed for både paramagnetiske og diamagnetiske stoffer lille.

Det skal især understreges, at for paramagnetiske og diamagnetiske legemer afhænger magnetisk permeabilitet ikke af den magnetiske induktion af et eksternt, magnetiserende felt, dvs. det er en konstant værdi, der karakteriserer et givet stof. Som vi vil se i § 149, er dette ikke tilfældet for jern og andre lignende (ferromagnetiske) legemer.

Tabel 7. Magnetisk permeabilitet for nogle paramagnetiske og diamagnetiske stoffer

Paramagnetiske stoffer		Diamagnetiske stoffer
Nitrogen (gasformig)		Brint (gasformig)
Luft (gasformig)
Ilt (gasformigt)
Ilt (flydende)
Aluminium
Wolfram

Paramagnetiske og diamagnetiske stoffers indflydelse på den magnetiske flux forklares ligesom ferromagnetiske stoffers indflydelse ved, at den magnetiske flux, der skabes af strømmen i spoleviklingen, forbindes af fluxen, der udgår fra elementære amperestrømme. Paramagnetiske stoffer øger spolens magnetiske flux. Denne stigning i flux, når spolen er fyldt med et paramagnetisk stof, indikerer, at i paramagnetiske stoffer, under påvirkning af et eksternt magnetfelt, er elementære strømme orienteret således, at deres retning falder sammen med retningen af ​​viklingsstrømmen (fig. 276). En lille forskel fra enhed indikerer kun, at i tilfælde af paramagnetiske stoffer er denne yderligere magnetiske flux meget lille, dvs. at paramagnetiske stoffer magnetiseres meget svagt.

Et fald i den magnetiske flux ved fyldning af spolen med et diamagnetisk stof betyder, at i dette tilfælde er den magnetiske flux fra elementære amperestrømme rettet modsat spolens magnetiske flux, dvs. den i diamagnetiske stoffer under påvirkning af en ekstern magnetfelt opstår elementære strømme, rettet modsat viklingsstrømmene (fig. 277). Små afvigelser fra enhed i dette tilfælde indikerer også, at den ekstra strøm af disse elementære strømme er lille.

Ris. 277. Diamagnetiske stoffer inde i spolen svækker magnetfeltet i solenoiden. De elementære strømme i dem er rettet modsat strømmen i solenoiden

Bestemmelse af et stofs magnetiske permeabilitet. Dens rolle i at beskrive magnetfeltet

Hvis du udfører et eksperiment med en solenoide, der er forbundet med et ballistisk galvanometer, kan du, når strømmen i solenoiden er tændt, bestemme værdien af ​​den magnetiske flux F, som vil være proportional med afbøjningen af ​​galvanometernålen. Lad os udføre eksperimentet to gange, og indstille strømmen (I) i galvanometeret til at være den samme, men i det første eksperiment vil solenoiden være uden en kerne, og i det andet eksperiment, før vi tænder for strømmen, vil vi introducere en jernkerne ind i solenoiden. Man opdager, at i det andet eksperiment er den magnetiske flux væsentligt større end i det første (uden kerne). Når eksperimentet gentages med kerner af forskellig tykkelse, viser det sig, at den maksimale strøm opnås i tilfælde af, at hele solenoiden er fyldt med jern, det vil sige, at viklingen er viklet tæt omkring jernkernen. Du kan udføre et eksperiment med forskellige kerner. Resultatet er, at:

hvor $Ф$ er den magnetiske flux i en spole med en kerne, $Ф_0$ er den magnetiske flux i en spole uden en kerne. Stigningen i magnetisk flux, når en kerne indføres i solenoiden, forklares ved, at til den magnetiske flux, der skaber strømmen i solenoidens vikling, blev en magnetisk flux skabt af et sæt orienterede ampere molekylære strømme tilføjet. Under påvirkning af et magnetfelt er molekylære strømme orienteret, og deres samlede magnetiske moment ophører med at være lig med nul, og et yderligere magnetfelt opstår.

Definition

Mængden $\mu $, som karakteriserer mediets magnetiske egenskaber, kaldes magnetisk permeabilitet (eller relativ magnetisk permeabilitet).

Dette er en dimensionsløs egenskab ved et stof. En stigning i fluxen Ф med $\mu $ gange (1) betyder, at den magnetiske induktion $\overrightarrow(B)$ i kernen er det samme antal gange større end i vakuum med samme strøm i solenoiden. Derfor kan vi skrive at:

\[\overhøjrepil(B)=\mu (\overhøjrepil(B))_0\venstre(2\højre),\]

hvor $(\overrightarrow(B))_0$ er magnetfeltinduktionen i vakuum.

Sammen med magnetisk induktion, som er feltets hovedkraftkarakteristik, bruges en hjælpevektorstørrelse som magnetisk feltstyrke ($\overrightarrow(H)$), som er relateret til $\overrightarrow(B)$ ved følgende relation :

\[\overhøjrepil(B)=\mu \overhøjrepil(H)\venstre(3\højre).\]

Hvis formel (3) anvendes på eksperimentet med en kerne, får vi det i fravær af en kerne:

\[(\overhøjrepil(B))_0=(\mu )_0\overhøjrepil(H_0)\venstre(4\højre),\]

hvor $\mu $=1. Hvis der er en kerne, får vi:

\[\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)\left(5\right).\]

Men da (2) er tilfreds, viser det sig, at:

\[\mu (\mu )_0\overhøjrepil(H)=(\mu m)_0\overhøjrepil(H_0)\til \overhøjrepil(H)=\overhøjrepil(H_0)\venstre(6\højre).\]

Vi fandt ud af, at magnetfeltstyrken ikke afhænger af, hvilken slags homogent stof rummet er fyldt med. Den magnetiske permeabilitet af de fleste stoffer handler om enhed, med undtagelse af ferromagneter.

Et stofs magnetiske følsomhed

Normalt er magnetiseringsvektoren ($\overrightarrow(J)$) forbundet med intensitetsvektoren ved hvert punkt af magneten:

\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(7\right),\]

hvor $\varkappa $ er magnetisk susceptibilitet, en dimensionsløs størrelse. For ikke-ferromagnetiske stoffer og i små felter afhænger $\varkappa $ ikke af styrken og er en skalær størrelse. I anisotrope medier er $\varkappa $ en tensor, og retningerne $\overrightarrow(J)$ og $\overrightarrow(H)$ falder ikke sammen.

Forholdet mellem magnetisk modtagelighed og magnetisk permeabilitet

\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(J)\left(8\right).\]

Lad os erstatte udtrykket for magnetiseringsvektoren (7) med (8) og få:

\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0)-\overrightarrow(H)\left(9\right).\]

For at udtrykke spændingen får vi:

\[\overrightarrow(H)=\frac(\overrightarrow(B))((\mu )_0\left(1+\varkappa \right))\to \overrightarrow(B)=(\mu )_0\left( 1+\varkappa \right)\overrightarrow(H)\left(10\right).\]

Ved at sammenligne udtryk (5) og (10), får vi:

\[\mu =1+\varkappa \venstre(11\højre).\]

Magnetisk modtagelighed kan være enten positiv eller negativ. Af (11) følger det, at den magnetiske permeabilitet enten kan være større end enhed eller mindre end den.

Eksempel 1

Opgave: Beregn magnetiseringen i midten af ​​en cirkulær spole med radius R=0,1 m med en strømstyrke I=2A, hvis den er nedsænket i flydende ilt. Den magnetiske modtagelighed af flydende oxygen er lig med $\varkappa =3.4\cdot (10)^(-3).$

Som grundlag for at løse problemet vil vi tage et udtryk, der afspejler forholdet mellem magnetisk feltstyrke og magnetisering:

\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\left(1.1\right).\]

Lad os finde feltet i midten af ​​spolen med strøm, da vi skal beregne magnetiseringen på dette tidspunkt.

Lad os vælge et elementært afsnit om den strømførende leder (fig. 1 som grundlag for at løse problemet, vi bruger formlen for styrken af ​​det strømførende spoleelement):

hvor $\ \overrightarrow(r)$ er radiusvektoren trukket fra det aktuelle element til det pågældende punkt, $\overrightarrow(dl)$ er elementet i lederen med strøm (retningen er specificeret af strømmens retning ), $\vartheta$ er vinklen mellem $ \overrightarrow(dl)$ og $\overrightarrow(r)$. Baseret på Fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, derfor vil (1.1) blive forenklet, desuden vil afstanden fra centrum af cirklen (det punkt, hvor vi leder efter magnetfeltet) af lederelementet med strøm er konstant og lig med drejningens radius (R), derfor har vi:

Den resulterende magnetiske feltstyrkevektor er rettet langs X-aksen, den kan findes som summen af ​​individuelle vektorer $\ \ \overrightarrow(dH),$, da alle nuværende elementer skaber magnetiske felter i midten af ​​svinget, rettet langs normalen af ​​svinget. Derefter kan den samlede magnetfeltstyrke ifølge superpositionsprincippet opnås ved at overføre til integralet:

Hvis vi erstatter (1.3) med (1.4), får vi:

Lad os finde magnetiseringen, hvis vi erstatter intensiteten fra (1.5) til (1.1), får vi:

Alle enheder er givet i SI-systemet, lad os udføre beregningerne:

Svar: $J=3.4\cdot (10)^(-2)\frac(A)(m).$

Eksempel 2

Opgave: Beregn brøkdelen af ​​det samlede magnetfelt i en wolframstang, der er i et eksternt ensartet magnetfelt, som er bestemt af molekylære strømme. Den magnetiske permeabilitet af wolfram er $\mu =1,0176.$

Magnetfeltinduktionen ($B"$), som tegner sig for de molekylære strømme, kan findes som:

hvor $J$ er magnetisering. Det er relateret til magnetfeltstyrken ved udtrykket:

hvor den magnetiske modtagelighed af et stof kan findes som:

\[\varkappa =\mu -1\ \venstre(2.3\højre).\]

Derfor finder vi det magnetiske felt af molekylære strømme som:

Det samlede felt i stangen beregnes efter formlen:

Vi bruger udtryk (2.4) og (2.5) til at finde den nødvendige sammenhæng:

\[\frac(B")(B)=\frac((\mu )_0\venstre(\mu -1\højre)H)(\mu (\mu)_0H)=\frac(\mu -1) (\mu).\]

Lad os udføre beregningerne:

\[\frac(B")(B)=\frac(1.0176-1)(1.0176)=0.0173.\]

Svar:$\frac(B")(B)=0,0173.$

Magnetisk permeabilitet- fysisk mængde, koefficient (afhængig af mediets egenskaber), der karakteriserer forholdet mellem magnetisk induktion texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): (B) og magnetisk feltstyrke Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): (H) i materien. For forskellige miljøer denne koefficient er anderledes, så de taler om den magnetiske permeabilitet af et bestemt medium (hvilket betyder dets sammensætning, tilstand, temperatur osv.).

Først fundet i Werner Siemens' værk fra 1881 "Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus" ("Bidrag til teorien om elektromagnetisme").

Normalt betegnet græsk bogstav Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc . Det kan enten være en skalar (for isotrope stoffer) eller en tensor (for anisotrope stoffer).

Generelt introduceres forholdet mellem magnetisk induktion og magnetisk feltstyrke gennem magnetisk permeabilitet som

Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \vec(B) = \mu\vec(H),

Og Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \mu i det generelle tilfælde skal dette forstås som en tensor, der i komponentnotation svarer til:

Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README - hjælp til opsætning.): \ B_i = \mu_(ij)H_j

For isotrope stoffer forholdet:

Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \vec(B) = \mu\vec(H)

kan forstås i betydningen at multiplicere en vektor med en skalar (magnetisk permeabilitet reduceres i dette tilfælde til en skalar).

Ofte betegnelsen Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \mu bruges anderledes end her, nemlig til relativ magnetisk permeabilitet (i dette tilfælde Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \mu falder sammen med det i GHS).

Dimensionen af ​​absolut magnetisk permeabilitet i SI er den samme som dimensionen af ​​den magnetiske konstant, det vil sige Gn / eller / 2.

Relativ magnetisk permeabilitet i SI er relateret til magnetisk modtagelighed χ af relationen

Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README - hjælp til opsætning.): \mu_r = 1 + \chi,

Klassificering af stoffer efter magnetisk permeabilitetsværdi

Langt de fleste stoffer tilhører enten klassen af ​​diamagneter ( Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \mu \lessapprox 1), eller til klassen af ​​paramagneter ( Ude af stand til at parse udtryk (eksekverbar fil texvc ikke fundet; Se matematik/README for opsætningshjælp.): \mu \gtrapprox 1). Men en række stoffer (ferromagneter), for eksempel jern, har mere udtalte magnetiske egenskaber.

I ferromagneter, på grund af hysterese, er begrebet magnetisk permeabilitet strengt taget ikke anvendeligt. Men i et vist område af ændringer i magnetiseringsfeltet (så at den resterende magnetisering kan negligeres, men før mætning), er det stadig muligt, til en bedre eller dårligere tilnærmelse, at præsentere denne afhængighed som lineær (og for blød magnetisk materialer, er den nedre grænse muligvis ikke for signifikant i praksis), og i denne forstand kan værdien af ​​magnetisk permeabilitet også måles for dem.

Magnetisk permeabilitet af nogle stoffer og materialer

Magnetisk modtagelighed af nogle stoffer

Magnetisk modtagelighed og magnetisk permeabilitet af nogle materialer

Medium	Følsomhed χ m (volumen, SI)	Permeabilitet μ [H/m]	Relativ permeabilitet μ/μ 0	Magnetisk felt	Maksimal frekvens
Metglas (engelsk) Metglas )		1,25	1 000 000	ved 0,5 T	100 kHz
Nanoperm Nanoperm )		10×10 -2	80 000	ved 0,5 T	10 kHz
Mu metal		2,5×10 -2	20 000	ved 0,002 T
Mu metal			50 000
Permalloy		1,0×10 -2	70 000	ved 0,002 T
Elektrisk stål		5,0×10 -3	4000	ved 0,002 T
Ferrit (nikkel-zink)		2,0×10 -5 - 8,0×10 -4	16-640		100 kHz ~ 1 MHz [[K:Wikipedia:Artikler uden kilder (land: Lua-fejl: callParserFunction: funktionen "#property" blev ikke fundet. )]][[K:Wikipedia:Artikler uden kilder (land: Lua-fejl: callParserFunction: funktionen "#property" blev ikke fundet. )]]
Ferrit (mangan-zink)		>8,0×10 -4	640 (eller mere)		100 kHz ~ 1 MHz
Stål		8,75×10 -4	100	ved 0,002 T
Nikkel		1,25×10 -4	100 - 600	ved 0,002 T
Neodym magnet			1.05	op til 1,2-1,4 T
Platin		1,2569701×10 -6	1,000265
Aluminium	2,22×10 -5	1,2566650×10 -6	1,000022
Træ			1,00000043
Luft			1,00000037
Beton			1
Vakuum	0	1,2566371×10 -6 (μ 0)	1
Brint	-2,2×10 -9	1,2566371×10 -6	1,0000000
Teflon		1,2567×10 -6	1,0000
Safir	-2,1×10 -7	1,2566368×10 -6	0,99999976
Kobber	-6,4×10 -6 eller -9,2×10 -6	1,2566290×10 -6	0,999994
Vand	-8,0×10 -6	1,2566270×10 -6	0,999992
Bismuth	-1,66×10 -4		0,999834
Superledere	−1	0	0

Se også

Skriv en anmeldelse om artiklen "Magnetisk permeabilitet"

Noter

Uddrag, der karakteriserer magnetisk permeabilitet

Jeg havde så ondt af ham!.. Men desværre var jeg ikke i min magt til at hjælpe ham. Og jeg ville ærligt talt virkelig vide, hvordan denne ekstraordinære lille pige hjalp ham...
- Vi fandt dem! – Gentog Stella igen. – Jeg vidste ikke, hvordan jeg skulle gøre det, men min bedstemor hjalp mig!
Det viste sig, at Harold i løbet af sin levetid ikke engang havde tid til at finde ud af, hvor frygteligt hans familie led, mens han døde. Han var en krigeridder og døde, før hans by faldt i hænderne på "bødlerne", som hans kone forudsagde.
Men så snart han befandt sig i denne ukendte, vidunderlige verden af ​​"borte" mennesker, var han straks i stand til at se, hvor nådesløst og grusomt den onde skæbne behandlede hans "eneste og elskede". Bagefter brugte han, som en besat, en evighed på at prøve på en eller anden måde et sted at finde disse mennesker, de mest kære for ham i hele den vide verden... Og han søgte efter dem i meget lang tid, mere end tusind år, indtil en dag, en eller anden helt ukendt person, tilbød den søde pige Stella ikke at "gøre ham glad" og åbnede ikke den "anden" dør for endelig at finde dem til ham...
- Vil du have mig til at vise dig det? - foreslog den lille pige igen,
Men jeg var ikke længere så sikker på, om jeg ville se noget andet... For de syner, hun lige havde vist, sårede min sjæl, og det var umuligt at slippe af med dem så hurtigt at ville se en form for fortsættelse...
"Men du vil gerne se, hvad der skete med dem!" – lille Stella udtalte selvsikkert "kendsgerningen".
Jeg så på Harold og så i hans øjne fuldstændig forståelse af, hvad jeg lige uventet havde oplevet.
– Jeg ved, hvad du så... Jeg så det mange gange. Men de er glade nu, vi går for at se på dem meget ofte... Og på deres "tidligere" også... - sagde den "triste ridder" stille.
Og først da indså jeg, at Stella simpelthen, når han ønskede det, overførte ham til sin egen fortid, ligesom hun lige havde gjort!!! Og hun gjorde det næsten legende! .. Jeg lagde ikke engang mærke til, hvordan denne vidunderlige, lyse pige begyndte at "binde mig til sig" mere og mere og blev for mig nærmest et rigtigt mirakel, som jeg uendeligt ville se... Og som jeg slet ikke ville forlade... Så vidste jeg næsten ingenting og kunne ikke gøre andet end det, jeg selv kunne forstå og lære, og jeg ville virkelig gerne lære i det mindste noget af hende, mens der stadig var sådan en mulighed.
- Kom venligst til mig! – Stella, pludselig ked af det, hviskede stille, "du ved godt, at du ikke kan blive her endnu... Bedstemor sagde, at du ikke bliver i meget, meget lang tid... At du ikke kan dø endnu." Men du kommer...
Alt omkring blev pludselig mørkt og koldt, som om sorte skyer pludselig havde dækket sådan en farverig og lys Stella-verden...
- Åh, tænk ikke på sådanne forfærdelige ting! – Pigen var indigneret, og som en kunstner med en pensel på et lærred "malede" hun hurtigt det hele igen i en lys og glad farve.
- Er det virkelig bedre? – spurgte hun tilfreds.
"Var det virkelig bare mine tanker?.." Jeg troede ikke på det igen.
- Nå, selvfølgelig! – Stella grinede. "Du er stærk, så du skaber alt omkring dig på din egen måde."
– Hvordan skal man så tænke?.. – Jeg kunne stadig ikke "indtræde" i det uforståelige.
"Bare hold kæft og vis kun det, du vil vise," sagde min fantastiske ven som en selvfølge. "Min bedstemor lærte mig det."
Jeg tænkte, at det åbenbart også var på tide, at jeg også skulle "chokere" min "hemmelige" bedstemor lidt, som (det var jeg næsten sikker på!) nok vidste noget, men af ​​en eller anden grund ikke ville lære mig noget endnu. ...
"Så du vil se, hvad der skete med Harolds kære?" – spurgte den lille pige utålmodigt.
For at være ærlig havde jeg ikke for meget lyst, da jeg ikke var sikker på, hvad jeg kunne forvente af dette "show". Men for ikke at støde den gavmilde Stella, sagde hun ja.
– Jeg vil ikke vise dig i lang tid. Jeg lover! Men du burde kende til dem, ikke?.. – sagde pigen med glad stemme. - Se, sønnen bliver først...

Til min store overraskelse, i modsætning til hvad jeg havde set før, befandt vi os i en helt anden tid og sted, som lignede Frankrig, og i tøj, der minder om det attende århundrede. En smuk overdækket vogn kørte ad en bred asfalteret gade, hvori der sad en ung mand og en kvinde i meget dyre jakkesæt, og tilsyneladende i meget dårligt humør... Den unge mand beviste stædigt noget for pigen, og hun , ikke lyttede til ham overhovedet, svævede roligt et sted i dine drømme end ung mand meget irriterende...
- Ser du, det er ham! Dette er det samme" lille dreng"... først efter mange, mange år," hviskede Stella stille.
- Hvordan ved du, at det virkelig er ham? – stadig ikke helt forstået, spurgte jeg.
- Nå, selvfølgelig, det er meget enkelt! – den lille pige stirrede overrasket på mig. – Vi har alle en essens, og essensen har sin egen "nøgle", som hver enkelt af os kan findes, du skal bare vide, hvordan du ser ud. Se...
Hun viste mig babyen igen, Harolds søn.
– Tænk på hans essens, og du vil se...
Og jeg så straks en gennemsigtig, klart glødende, overraskende kraftfuld enhed, på hvis bryst en usædvanlig "diamant" energistjerne brændte. Denne "stjerne" skinnede og glitrede med alle regnbuens farver, nu aftagende, nu tiltagende, som om den langsomt pulserede, og funklede så klart, som om den virkelig var blevet skabt af de mest fantastiske diamanter.
– Ser du denne mærkelige omvendte stjerne på hans bryst? - Dette er hans "nøgle". Og hvis du prøver at følge ham, som en tråd, så vil det føre dig direkte til Axel, som har den samme stjerne - dette er den samme essens, kun i dens næste inkarnation.
Jeg så på hende med alle mine øjne, og da jeg tilsyneladende bemærkede dette, grinede Stella og indrømmede muntert:
– Tro ikke, at det var mig selv – det var min bedstemor, der lærte mig!
Jeg skammede mig meget over at føle mig som en fuldstændig inkompetent, men ønsket om at vide mere var hundrede gange stærkere end nogen skam, så jeg skjulte min stolthed så dybt som muligt og spurgte omhyggeligt:
- Hvad med alle disse fantastiske "virkeligheder", som vi ser her nu? Det er jo en andens specifikke liv, og du skaber dem ikke på samme måde, som du skaber alle dine verdener?
- Åh nej! – den lille pige var igen glad for at få muligheden for at forklare mig noget. - Selvfølgelig ikke! Dette er bare fortiden, som alle disse mennesker engang levede i, og jeg tager bare dig og mig derhen.
- Og Harold? Hvordan ser han alt dette?
- Åh, det er nemt for ham! Han er ligesom mig, død, så han kan flytte, hvorhen han vil. Det har han ikke længere fysisk krop, så hans essens kender ingen forhindringer her og kan gå hvorhen den vil... ligesom mig... – sluttede den lille pige mere trist.
Jeg troede desværre, at det, der for hende blot var en "simpel overførsel til fortiden", for mig, tilsyneladende i lang tid, vil være et "mysterium bag syv låse"... Men Stella, som om hun hørte mine tanker, skyndte sig straks at berolige mig:
- Du skal se, det er meget enkelt! Du skal bare prøve.
– Og disse "nøgler", bliver de aldrig gentaget af andre? – Jeg besluttede at fortsætte mine spørgsmål.
“Nej, men nogle gange sker der noget andet...” af en eller anden grund, svarede den lille og smilede sjovt. "Det var præcis sådan, jeg blev fanget i begyndelsen, og de slog mig endda meget hårdt for... Åh, det var så dumt!..."
- Hvordan? – spurgte jeg meget interesseret.
Stella svarede straks muntert:
- Åh, det var meget sjovt! - og efter at have tænkt lidt, tilføjede hun, "men det er også farligt... Jeg ledte på alle "gulvene" efter min bedstemors tidligere inkarnation, og i stedet for hende kom der en helt anden enhed langs hendes "tråd" , som på en eller anden måde formåede at "kopiere" min bedstemors "blomst" (tilsyneladende også en "nøgle"!), og lige som jeg havde tid til at glæde mig over, at jeg endelig havde fundet den, ramte denne ukendte enhed mig nådesløst i brystet. Ja, så meget, at min sjæl næsten fløj væk!
- Hvordan kom du af med hende? – Jeg var overrasket.
"Nå, for at være ærlig, så slap jeg ikke af med det..." blev pigen flov. - Jeg har lige ringet til min bedstemor...
– Hvad kalder du "gulve"? - Jeg kunne stadig ikke falde til ro.
– Jamen, det er forskellige "verdener", hvor de dødes essenser lever... I det smukkeste og højeste lever de, der var gode... og sandsynligvis også de stærkeste.
- Folk som dig? – spurgte jeg smilende.
- Åh nej, selvfølgelig! Jeg er nok kommet hertil ved en fejl. – sagde pigen helt oprigtigt. – Ved du, hvad der er mest interessant? Fra denne "etage" kan vi gå overalt, men fra de andre kan ingen komme her... Er det ikke interessant?..
Ja, det var meget mærkeligt og meget spændende interessant for min "udsultede" hjerne, og jeg ville virkelig gerne vide mere!.. Måske fordi der indtil den dag aldrig var nogen, der havde forklaret mig noget, men bare nogle gange - gav nogen (som f.eks. for eksempel mine "stjernevenner"), og derfor gjorde selv en så simpel barnlig forklaring mig allerede usædvanlig glad og tvang mig til at dykke endnu mere rasende ned i mine eksperimenter, konklusioner og fejl... som sædvanligt at finde i alt, hvad der foregik endnu mere uklart. Mit problem var, at jeg meget nemt kunne lave eller skabe "usædvanligt", men hele problemet var, at jeg også ville forstå, hvordan jeg skaber det hele... Og det er netop det, jeg ikke har haft særlig succes med endnu ...

Talrige eksperimenter indikerer, at alle stoffer, der er placeret i et magnetfelt, magnetiseres og skaber deres eget magnetfelt, hvis virkning føjes til virkningen af ​​et eksternt magnetfelt:

$$\boldsymbol(\vec(B)=(\vec(B))_(0)+(\vec(B))_(1))$$

hvor $\boldsymbol(\vec(B))$ er magnetfeltinduktionen i stoffet; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - magnetisk induktion af feltet i vakuum, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - magnetisk induktion af feltet, der opstår på grund af magnetisering af stof. I dette tilfælde kan stoffet enten styrke eller svække magnetfeltet. Et stofs indflydelse på et eksternt magnetfelt er karakteriseret ved størrelsen μ , som kaldes magnetisk permeabilitet af et stof

$$ \boldsymbol(\mu =\frac(B)((B)_(0)))$$

• Magnetisk permeabilitet er en fysisk skalar størrelse, der viser, hvor mange gange magnetfeltinduktionen i et givent stof adskiller sig fra magnetfeltinduktionen i et vakuum.

Alle stoffer er opbygget af molekyler, molekyler er opbygget af atomer. Atomers elektronskaller kan konventionelt betragtes som bestående af cirkulære elektriske strømme dannet af bevægelige elektroner. Cirkulær elektriske strømme atomer skal skabe deres egne magnetfelter. Elektriske strømme skal være påvirket af et ydre magnetfelt, som følge heraf kan man forvente enten en stigning i magnetfeltet, når de atomare magnetfelter er på linje med det ydre magnetfelt, eller en svækkelse, når de er i den modsatte retning.
Hypotese vedr eksistensen af ​​magnetiske felter i atomer og muligheden for at ændre magnetfeltet i stof er fuldstændig sand. Alle stoffer ved påvirkning af et eksternt magnetfelt på dem kan opdeles i tre hovedgrupper: diamagnetiske, paramagnetiske og ferromagnetiske.

Diamagneter kaldes stoffer, hvori det ydre magnetfelt er svækket. Dette betyder, at magnetfelterne af atomerne af sådanne stoffer i et eksternt magnetfelt er rettet modsat det eksterne magnetfelt (µ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает magnetisk permeabilitet µ = 0,999826.

For at forstå karakteren af ​​diamagnetisme overvej bevægelsen af ​​en elektron, der flyver ind med en hastighed v ind i et ensartet magnetfelt vinkelret på vektoren I magnetisk felt.

Under indflydelse Lorentz styrker elektronen vil bevæge sig i en cirkel, dens rotationsretning bestemmes af Lorentz-kraftvektorens retning. Den resulterende cirkulære strøm skaber sit eget magnetfelt I" . Dette er et magnetfelt I" rettet modsat magnetfeltet I. Derfor skal ethvert stof, der indeholder frit bevægelige ladede partikler, have diamagnetiske egenskaber.
Selvom elektronerne i et stofs atomer ikke er frie, viser ændringen i deres bevægelse inde i atomerne under påvirkning af et eksternt magnetfelt sig at svare til frie elektroners cirkulære bevægelse. Derfor har ethvert stof i et magnetfelt nødvendigvis diamagnetiske egenskaber.
Imidlertid er diamagnetiske effekter meget svage og findes kun i stoffer, hvis atomer eller molekyler ikke har deres eget magnetfelt. Eksempler på diamagnetiske materialer er bly, zink, bismuth (μ = 0,9998).

Den første forklaring på årsagerne til, at legemer har magnetiske egenskaber, blev givet af Henri Ampère (1820). Ifølge hans hypotese cirkulerer elementære elektriske strømme inde i molekyler og atomer, som bestemmer de magnetiske egenskaber af ethvert stof.

Lad os overveje årsagerne til atomernes magnetisme mere detaljeret:

Lad os tage noget fast stof. Dens magnetisering er relateret til de magnetiske egenskaber af de partikler (molekyler og atomer), som den er sammensat af. Lad os overveje, hvilke strømkredsløb der er mulige på mikroniveau. Atomers magnetisme skyldes to hovedårsager:

1) elektronernes bevægelse rundt om kernen i lukkede baner ( orbitalt magnetisk moment(fig. 1);

Ris. 2

2) den iboende rotation (spin) af elektroner ( spin magnetisk moment) (Fig. 2).

For de nysgerrige. Magnetisk moment af kredsløbet lig med produktet strømstyrke i kredsløbet pr. område dækket af kredsløbet. Dens retning falder sammen med retningen af ​​magnetfeltinduktionsvektoren i midten af ​​det strømførende kredsløb.

Da kredsløbsplanerne for forskellige elektroner i et atom ikke falder sammen, er magnetfeltinduktionsvektorerne skabt af dem (omløbs- og spinmagnetiske momenter) rettet i forskellige vinkler til hinanden. Den resulterende induktionsvektor af et multielektronatom er lig med vektorsummen af ​​feltinduktionsvektorerne skabt af individuelle elektroner. Atomer med delvist fyldte elektronskaller har ukompenserede felter. I atomer med fyldte elektronskaller er den resulterende induktionsvektor 0.

I alle tilfælde er ændringen i magnetfeltet forårsaget af udseendet af magnetiseringsstrømme (fænomenet elektromagnetisk induktion observeres). Med andre ord, princippet om superposition for magnetfeltet forbliver gyldigt: feltet inde i magneten er en superposition af det eksterne felt $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ og feltet $\boldsymbol (\vec(B"))$ af magnetiseringsstrømme jeg" , som opstår under påvirkning af et eksternt felt. Hvis feltet af magnetiseringsstrømme er rettet på samme måde som ydre felt, så vil induktionen af ​​det samlede felt være større end det ydre felt (fig. 3, a) - i dette tilfælde siger vi, at stoffet forstærker feltet; hvis feltet af magnetiseringsstrømme er rettet modsat det ydre felt, så vil det samlede felt være mindre end det ydre felt (fig. 3, b) - det er i den forstand, vi siger, at stoffet svækker magnetfeltet.

Ris. 3

I diamagnetiske materialer molekyler har ikke deres eget magnetfelt. Under påvirkning af et eksternt magnetfelt i atomer og molekyler er feltet af magnetiseringsstrømme rettet modsat det eksterne felt, derfor vil modulet af den magnetiske induktionsvektor $ \boldsymbol(\vec(B))$ af det resulterende felt være mindre end modulet af den magnetiske induktionsvektor $ \boldsymbol((\vec(B ))_(0)) $ ydre felt.

Stoffer, hvori det ydre magnetfelt forstærkes som følge af tilføjelsen af ​​de elektroniske skaller af stoffets atomer til magnetfelterne på grund af orienteringen af ​​atomare magnetfelter i retning af det ydre magnetfelt, kaldes paramagnetisk(µ > 1).

Paramagneter meget svagt forstærke det eksterne magnetfelt. Den magnetiske permeabilitet af paramagnetiske materialer adskiller sig fra enhed med kun en brøkdel af en procent. For eksempel er den magnetiske permeabilitet af platin 1,00036. På grund af de meget små værdier af den magnetiske permeabilitet af paramagnetiske og diamagnetiske materialer er deres indflydelse på et eksternt felt eller virkningen af ​​et eksternt felt på paramagnetiske eller diamagnetiske legemer meget vanskeligt at opdage. Derfor betragtes paramagnetiske og diamagnetiske stoffer i almindelig hverdagspraksis i teknologien som ikke-magnetiske, det vil sige stoffer, der ikke ændrer magnetfeltet og ikke påvirkes af magnetfeltet. Eksempler på paramagnetiske materialer er natrium, oxygen, aluminium (μ = 1,00023).

I paramagneter molekyler har deres eget magnetfelt. I mangel af et eksternt magnetfelt, på grund af termisk bevægelse, er induktionsvektorerne for magnetfelterne af atomer og molekyler tilfældigt orienteret, så deres gennemsnitlige magnetisering er nul (fig. 4, a). Når et eksternt magnetfelt påføres atomer og molekyler, begynder et kraftmoment at virke, som har en tendens til at rotere dem, så deres felter er orienteret parallelt med det eksterne felt. Orienteringen af ​​de paramagnetiske molekyler fører til, at stoffet er magnetiseret (fig. 4, b).

Ris. 4

Den fuldstændige orientering af molekyler i et magnetfelt forhindres af deres termiske bevægelse, derfor afhænger den magnetiske permeabilitet af paramagnetiske materialer af temperaturen. Det er indlysende, at med stigende temperatur falder den magnetiske permeabilitet af paramagnetiske materialer.

Ferromagneter

Stoffer, der væsentligt forstærker et eksternt magnetfelt kaldes ferromagneter(nikkel, jern, kobolt osv.). Eksempler på ferromagneter er kobolt, nikkel, jern (μ når en værdi på 8·10 3).

Selve navnet på denne klasse af magnetiske materialer kommer fra latinsk navn jern - Ferrum. Hovedtræk Disse stoffer er i stand til at opretholde magnetisering i fravær af et eksternt magnetfelt alle permanente magneter tilhører klassen af ​​ferromagneter. Ud over jern har dets "naboer" i det periodiske system - kobolt og nikkel - ferromagnetiske egenskaber. Ferromagneter finder brede praktisk anvendelse inden for videnskab og teknologi er der derfor udviklet et betydeligt antal legeringer med forskellige ferromagnetiske egenskaber.

Alle de givne eksempler på ferromagneter refererer til overgangsgruppemetaller, elektronskal som indeholder flere uparrede elektroner, hvilket fører til, at disse atomer har et betydeligt magnetfelt i sig selv. I krystallinsk tilstand På grund af interaktionen mellem atomer i krystaller opstår områder med spontan magnetisering - domæner -. Dimensionerne af disse domæner er tiendedele og hundrededele af en millimeter (10 -4 - 10 -5 m), hvilket væsentligt overstiger størrelsen af ​​et individuelt atom (10 -9 m). Inden for et domæne er atomernes magnetiske felter orienteret strengt parallelt. Orienteringen af ​​magnetfelterne i andre domæner ændres vilkårligt i fravær af et eksternt magnetfelt (fig. 5).

Ris. 5

Selv i en ikke-magnetiseret tilstand eksisterer der således stærke magnetiske felter inde i en ferromagnet, hvis orientering ændres på en tilfældig, kaotisk måde under overgangen fra et domæne til et andet. Hvis dimensionerne af et legeme væsentligt overstiger dimensionerne af individuelle domæner, så er det gennemsnitlige magnetiske felt skabt af domænerne i denne krop praktisk talt fraværende.

Hvis du placerer en ferromagnet i et eksternt magnetfelt B 0 , så begynder domænernes magnetiske momenter at omarrangere. Der forekommer dog ikke mekanisk rumrotation af sektioner af stoffet. Processen med magnetiseringsvending er forbundet med en ændring i elektronernes bevægelse, men ikke med en ændring i atomernes position ved knudepunkter krystalgitter. Domæner, der har den mest gunstige orientering i forhold til feltets retning, øger deres størrelse på bekostning af nabodomæner, der "forkert orienterede" absorberer dem. I dette tilfælde øges feltet i stoffet ganske betydeligt.

Egenskaber af ferromagneter

1) et stofs ferromagnetiske egenskaber vises kun, når det tilsvarende stof er lokaliseret V krystallinsk tilstand ;

2) ferromagneternes magnetiske egenskaber afhænger stærkt af temperaturen, da orienteringen af ​​domænernes magnetfelter forhindres af termisk bevægelse. For hver ferromagnet er der en bestemt temperatur, hvor domænestrukturen er fuldstændig ødelagt og ferromagneten bliver til en paramagnet. Denne temperaturværdi kaldes Curie point . Så for rent jern er Curie-temperaturen cirka 900°C;

3) ferromagneter magnetiseres indtil mætning i svage magnetfelter. Figur 6 viser, hvordan magnetfeltets induktionsmodul ændres B i stål med en ændring i ydre felt B 0 :

Ris. 6

4) den magnetiske permeabilitet af en ferromagnet afhænger af det eksterne magnetfelt (fig. 7).

Ris. 7

Dette forklares ved, at i første omgang med en stigning B 0 magnetisk induktion B vokser sig stærkere, og derfor μ vil stige. Derefter ved værdien af ​​magnetisk induktion B" 0 mætning forekommer (μ i dette øjeblik er maksimum) og med yderligere stigning B 0 magnetisk induktion B 1 i stoffet ophører med at ændre sig, og den magnetiske permeabilitet falder (tender til 1):

$$\boldsymbol(\mu = \frac B(B_0) = \frac (B_0 + B_1)(B_0) = 1 + \frac (B_1)(B_0);) $$

5) ferromagneter udviser resterende magnetisering. Hvis for eksempel en ferromagnetisk stang placeres i en solenoide, hvorigennem strøm passerer og magnetiseres indtil mætning (punkt EN) (Fig. 8), og reducer derefter strømmen i solenoiden, og med den B 0 , så kan du bemærke, at feltinduktionen i stangen under processen med dens afmagnetisering altid forbliver større end under magnetiseringsprocessen. Når B 0 = 0 (strømmen i solenoiden er slukket), vil induktionen være lig med B r (restinduktion). Stangen kan fjernes fra solenoiden og bruges som permanent magnet. For endelig at afmagnetisere stangen skal du føre en strøm i modsat retning gennem solenoiden, dvs. påføre et eksternt magnetfelt med den modsatte retning af induktionsvektoren. Nu øger modulet af induktionen af ​​dette felt til B oc , afmagnetiser stangen ( B = 0).

• modul B oc kaldes induktionen af ​​et magnetfelt, der afmagnetiserer en magnetiseret ferromagnet tvangskraft .

Ris. 8

Med yderligere stigning B 0 du kan magnetisere stangen indtil mætning (punkt EN" ).

Reducerer nu B 0 til nul får vi en permanent magnet igen, men med induktion –B r (modsat retning). For at afmagnetisere stangen igen, skal strømmen i den oprindelige retning tændes igen i solenoiden, og stangen vil afmagnetisere, når induktionen B 0 vil blive lige B oc . Fortsætter med at øge I B 0 , magnetiser stangen igen indtil mætning (punkt EN ).

Ved magnetisering og afmagnetisering af en ferromagnet vil induktionen således B halter bagud B 0. Denne forsinkelse kaldes fænomenet hysterese . Kurven vist i figur 8 kaldes hysterese loop .

Hysterese (græsk ὑστέρησις - "halter bagud") - en egenskab ved systemer, der ikke umiddelbart følger de påførte kræfter.

Formen af ​​magnetiseringskurven (hysterese loop) varierer betydeligt for forskellige ferromagnetiske materialer, som har vist sig at være meget bred anvendelse i videnskabelige og tekniske anvendelser. Nogle magnetiske materialer har en bred sløjfe med høje værdier restmagnetisering og tvangskraft, kaldes de magnetisk hårdt og bruges til at lave permanente magneter. Andre ferromagnetiske legeringer er kendetegnet ved lave tvangskraftværdier. Sådanne materialer kan let magnetiseres og remagnetiseres selv i svage felter. Sådanne materialer kaldes magnetisk blød og bruges i forskellige elektriske enheder - relæer, transformere, magnetiske kredsløb mv.

Litteratur

1. Aksenovich L. A. Fysik i gymnasium: Teori. Opgaver. Prøver: Lærebog. tilskud til institutioner, der tilbyder almen uddannelse. miljø, uddannelse / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K. S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P.330-335.
2. Zhilko, V.V. Fysik: lærebog. tillæg til 11. klasse. almen uddannelse skole fra russisk sprog træning / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - s. 291-297.
3. Slobodyanyuk A.I. Fysik 10. §13 Et magnetfelts vekselvirkning med stof

Noter

1. Vi betragter retningen af ​​magnetfeltinduktionsvektoren kun i midten af ​​kredsløbet.