Magnetisk permeabilitet af træ. Magnetiske materialer

Bestemmelse af et stofs magnetiske permeabilitet. Hendes rolle i beskrivelsen magnetfelt

Hvis du udfører et eksperiment med en solenoide, der er forbundet til et ballistisk galvanometer, kan du bestemme værdien, når du tænder for strømmen i solenoiden magnetisk 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

Værdien $\mu $, som kendetegner magnetiske egenskaber miljø 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 $\overhøjrepil(B)$ i kernen er det samme antal gange større end i vakuum med samme strøm i solenoiden. Derfor kan vi skrive at:

\[\overrightarrow(B)=\mu (\overrightarrow(B))_0\left(2\right),\]

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 :

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

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

Absolut magnetisk permeabilitet – dette er en proportionalitetskoefficient, der tager højde for indflydelsen fra det miljø, hvori ledningerne er placeret.

For at få en idé om mediets magnetiske egenskaber blev magnetfeltet omkring en ledning med strøm i et givent medium sammenlignet med magnetfeltet omkring den samme ledning, men placeret i et vakuum. Det viste sig, at feltet i nogle tilfælde er mere intenst end i et vakuum, i andre er det mindre.

Der er:

v Paramagnetiske materialer og miljøer, hvori der opnås en stærkere MF (natrium, kalium, aluminium, platin, mangan, luft);

v Diamagnetiske materialer og miljøer, hvor magnetfeltet er svagere (sølv, kviksølv, vand, glas, kobber);

v Ferromagnetiske materialer, hvori det stærkeste magnetfelt dannes (jern, nikkel, kobolt, støbejern og deres legeringer).

Absolut magnetisk permeabilitet for forskellige stoffer har forskellige størrelser.

Magnetisk konstant - Dette er den absolutte magnetiske permeabilitet af vakuum.

Mediets relative magnetiske permeabilitet- en dimensionsløs størrelse, der viser, hvor mange gange den absolutte magnetiske permeabilitet af et stof er større eller mindre end den magnetiske konstant:

For diamagnetiske stoffer - , for paramagnetiske stoffer - (for tekniske beregninger af diamagnetiske og paramagnetiske legemer tages lig med enhed), for ferromagnetiske materialer - .

MP spænding N karakteriserer betingelserne for MF excitation. Intensiteten i et homogent medie afhænger ikke af de magnetiske egenskaber af det stof, hvori feltet skabes, men tager højde for indflydelsen af strømmens størrelse og ledernes form på intensiteten af magnetfeltet ved en givet point.

MF-intensitet er en vektorstørrelse. Vektor retning N for isotrope medier (medier med de samme magnetiske egenskaber i alle retninger) , falder sammen med retningen af magnetfeltet eller vektoren i et givet punkt.

Den magnetiske feltstyrke skabt af forskellige kilder er vist i fig. 13.

Magnetisk flux er samlet antal magnetiske linjer, der går gennem hele overfladen under overvejelse. Magnetisk flux F eller MI flow gennem området S , vinkelret magnetiske linjer lig med produktet af magnetisk induktion I af mængden af areal, der gennemtrænges af denne magnetiske flux.

42) Når en jernkerne indføres i en spole, øges magnetfeltet, og kernen bliver magnetiseret. Denne effekt blev opdaget af Ampere. Han opdagede også, at induktionen af et magnetfelt i et stof kan være større eller mindre end induktionen af selve feltet. Sådanne stoffer blev kaldt magneter.

Magnetik– det er stoffer, der kan ændre egenskaberne ved et eksternt magnetfelt.

Magnetisk permeabilitet stof bestemmes af forholdet:

B 0 er induktionen af det ydre magnetfelt, B er induktionen inde i stoffet.

Afhængigt af forholdet mellem B og B 0 er stoffer opdelt i tre typer:

1) Diamagneter(m<1), к ним относятся kemiske elementer: Cu, Ag, Au, Hg. Magnetisk permeabilitet m=1-(10 -5 - 10 -6) afviger meget lidt fra enhed.

Denne klasse af stoffer blev opdaget af Faraday. Disse stoffer "skubbes" ud af magnetfeltet. Hvis du hænger en diamagnetisk stang nær stangen på en stærk elektromagnet, vil den blive afvist fra den. Feltets og magnetens induktionslinjer er derfor rettet i forskellige retninger.

2) Paramagneter har en magnetisk permeabilitet m>1, og i dette tilfælde overstiger den også en smule enhed: m=1+(10 -5 - 10 -6). Denne type magnetisk materiale omfatter de kemiske grundstoffer Na, Mg, K, Al.

Den magnetiske permeabilitet af paramagnetiske materialer afhænger af temperaturen og falder, når den stiger. Uden et magnetiserende felt skaber paramagnetiske materialer ikke deres eget magnetfelt. Der er ingen permanente paramagneter i naturen.

3) Ferromagneter(m>>1): Fe, Co, Ni, Cd.

Disse stoffer kan være i magnetiseret tilstand uden et eksternt felt. Eksistens resterende magnetisme en af de vigtige egenskaber ved ferromagneter. Ved opvarmning til høj temperatur stoffets ferromagnetiske egenskaber forsvinder. Den temperatur, ved hvilken disse egenskaber forsvinder, kaldes Curie temperatur(for eksempel for jern T Curie = 1043 K).

Ved temperaturer under Curie-punktet består en ferromagnet af domæner. Domæner– disse er områder med spontan spontan magnetisering (fig. 9.21). Domænestørrelsen er ca. 10 -4 -10 -7 m. Eksistensen af magneter skyldes forekomsten af områder med spontan magnetisering i stof. En jernmagnet kan bevare sine magnetiske egenskaber i lang tid, da domænerne i den er arrangeret på en ordnet måde (en retning dominerer). De magnetiske egenskaber forsvinder, hvis magneten rammes hårdt eller opvarmes for meget. Som et resultat af disse påvirkninger bliver domænerne "uorden".

Fig.9.21. Domænernes form: a) i fravær af et magnetfelt, b) i nærvær af et eksternt magnetfelt.

Domæner kan repræsenteres som lukkede strømme i mikrovolumener af magnetiske materialer. Domænet er godt illustreret i fig. 9.21, hvoraf det kan ses, at strømmen i domænet bevæger sig langs en brudt lukket sløjfe. Lukkede elektronstrømme fører til fremkomsten af et magnetfelt vinkelret på elektronomløbsplanet. I fravær af et eksternt magnetfelt er domænernes magnetiske felt rettet kaotisk. Dette magnetfelt ændrer retning under påvirkning af et eksternt magnetfelt. Magneter er som allerede nævnt opdelt i grupper afhængigt af, hvordan domænets magnetfelt reagerer på virkningen af et eksternt magnetfelt. I diamagnetiske materialer, magnetfeltet mere domæner er rettet i retning modsat virkningen af det ydre magnetfelt, og i paramagnetiske materialer tværtimod i retning af virkningen af det ydre magnetfelt. Antallet af domæner, hvis magnetiske felter er rettet i modsatte retninger, afviger dog med en meget lille mængde. Derfor adskiller den magnetiske permeabilitet m i dia- og paramagneter sig fra enhed med en mængde i størrelsesordenen 10 -5 - 10 -6. I ferromagneter er antallet af domæner med et magnetfelt i retning af det ydre felt mange gange større end antallet af domæner med den modsatte retning af magnetfeltet.

Magnetiseringskurve. Hysterese loop. Fænomenet magnetisering skyldes eksistensen af resterende magnetisme under påvirkning af et eksternt magnetfelt på et stof.

Magnetisk hysterese er fænomenet forsinkelse i ændringer i magnetisk induktion i en ferromagnet i forhold til ændringer i styrken af det eksterne magnetfelt.

Figur 9.22 viser magnetfeltets afhængighed i et stof af det ydre magnetfelt B=B(B 0). Desuden sætter de langs Ox-aksen ydre felt, langs Oy-aksen – magnetiseringen af stoffet. En stigning i det eksterne magnetfelt fører til en stigning i det magnetiske felt i stoffet langs linjen til en værdi. Reduktion af det eksterne magnetfelt til nul fører til et fald i magnetfeltet i stoffet (på punktet Med) til værdien Mod øst(restmagnetisering, hvis værdi er større end nul). Denne effekt er en konsekvens af forsinkelsen i magnetiseringen af prøven.

Induktionsværdien af det eksterne magnetfelt, der kræves for fuldstændig afmagnetisering af stoffet (punkt d i fig. 9.21), kaldes tvangskraft. Nulværdien af prøvemagnetisering opnås ved at ændre retningen af det eksterne magnetfelt til en værdi. Ved at fortsætte med at øge det eksterne magnetfelt i den modsatte retning til den maksimale værdi, bringer vi det til værdien. Derefter ændrer vi retningen af magnetfeltet og øger det tilbage til værdien. I dette tilfælde forbliver vores stof magnetiseret. Kun størrelsen af magnetfeltinduktionen har den modsatte retning sammenlignet med værdien ved punktet. Ved at fortsætte med at øge værdien af magnetisk induktion i samme retning opnår vi fuldstændig afmagnetisering af stoffet ved punkt , og så befinder vi os igen ved punkt . Således opnår vi en lukket funktion, der beskriver cyklussen af fuldstændig magnetiseringsvending. En sådan afhængighed af magnetfeltinduktionen af en prøve af størrelsen af det eksterne magnetfelt under en cyklus med fuldstændig magnetiseringsvending kaldes hysterese loop. Formen på hysteresesløjfen er en af de vigtigste egenskaber ved ethvert ferromagnetisk stof. Det er dog umuligt at komme til sagen på denne måde.

I dag er det ret nemt at opnå stærke magnetfelter. Et stort antal af installationer og enheder fungerer på permanente magneter. De opnår felter på 1 – 2 T ved stuetemperatur. I små mængder har fysikere lært at opnå konstante magnetiske felter på op til 4 Tesla ved at bruge specielle legeringer til dette formål. På lave temperaturer, i størrelsesordenen af temperaturen af flydende helium, opnås magnetiske felter over 10 Tesla.

43) Lov om elektromagnetisk induktion (Faraday-Maxwell lov). Lenz' regler

Ved at opsummere resultaterne af sine eksperimenter formulerede Faraday loven om elektromagnetisk induktion. Han viste, at med enhver ændring i den magnetiske flux i et lukket ledende kredsløb, exciteres en induktionsstrøm. Som følge heraf opstår der en induceret emk i kredsløbet.

Den inducerede emk er direkte proportional med hastigheden af ændring af magnetisk flux over tid. Den matematiske notation af denne lov blev udarbejdet af Maxwell, og derfor kaldes den Faraday-Maxwell-loven (loven om elektromagnetisk induktion).

Der er mikroskopiske cirkulære strømme ( molekylære strømme). Denne idé blev senere bekræftet, efter opdagelsen af elektronen og atomets struktur: disse strømme skabes af elektronernes bevægelse omkring kernen, og da de er orienteret på samme måde, danner de i alt et felt indeni og rundt om magneten.

På billedet EN planerne, hvori elementære elektriske strømme er placeret, er tilfældigt orienteret på grund af atomernes kaotiske termiske bevægelse, og stoffet udviser ikke magnetiske egenskaber. I en magnetiseret tilstand (under indflydelse, for eksempel af et eksternt magnetfelt) (figur b) disse planer er orienteret identisk, og deres handlinger er opsummeret.

Magnetisk permeabilitet.

Mediets reaktion på påvirkningen af et eksternt magnetfelt med induktion B0 (felt i et vakuum) bestemmes af den magnetiske susceptibilitet μ :

Hvor I— magnetisk feltinduktion i et stof. Magnetisk permeabilitet svarer til dielektrisk konstant ɛ .

Baseret på deres magnetiske egenskaber opdeles stoffer i diamagnetiske materialer, paramagneter Og ferromagneter. For diamagnetiske materialer koefficienten μ , som karakteriserer mediets magnetiske egenskaber, er mindre end enhed (for eksempel for bismuth μ = 0,999824); i paramagnetiske materialer μ > 1 (for platin μ - 1,00036); i ferromagneter μ ≫ 1 (jern, nikkel, kobolt).

Diamagneter frastødes af en magnet, paramagnetiske materialer tiltrækkes af den. Ved disse egenskaber kan de skelnes fra hinanden. For mange stoffer er den magnetiske permeabilitet næsten det samme som enhed, men for ferromagneter overskrider den den meget og når op på flere titusinder af enheder.

Ferromagneter.

Ferromagneter udviser de stærkeste magnetiske egenskaber. De magnetiske felter skabt af ferromagneter er meget stærkere end det eksterne magnetiseringsfelt. Det er sandt, at de magnetiske felter af ferromagneter ikke skabes som et resultat af rotationen af elektroner omkring kernerne - orbitalt magnetisk moment, og på grund af elektronens egen rotation - dens eget magnetiske moment, kaldet spin.

Curie temperatur ( TMed) er den temperatur, over hvilken ferromagnetiske materialer mister deres magnetiske egenskaber. Det er forskelligt for hver ferromagnet. For eksempel til jern T s= 753 °C, for nikkel T s= 365 °C, for kobolt T s= 1000 °C. Der er ferromagnetiske legeringer, hvori T s < 100 °С.

De første detaljerede undersøgelser af ferromagneters magnetiske egenskaber blev udført af den fremragende russiske fysiker A. G. Stoletov (1839-1896).

Ferromagneter bruges ret bredt: som permanente magneter (i elektriske måleinstrumenter, højttalere, telefoner osv.), stålkerner i transformere, generatorer, elektriske motorer (for at forstærke magnetfeltet og spare elektricitet). Magnetiske bånd, som er lavet af ferromagnetiske materialer, optager lyd og billeder til båndoptagere og videooptagere. Information optages på tynde magnetiske film til lagringsenheder i elektroniske computere.

Kaldes magnetisk permeabilitet . Absolut magnetiskpermeabilitet miljø er forholdet mellem B og H. Iflg Internationalt system enheder det måles i enheder kaldet 1 henry per meter.

Numerisk værdi det udtrykkes ved forholdet mellem dets værdi og værdien af den magnetiske permeabilitet af vakuumet og er angivet med µ. Denne værdi kaldes relativ magnetiskpermeabilitet(eller blot magnetisk permeabilitet) af mediet. Som en relativ størrelse har den ikke en måleenhed.

Følgelig er den relative magnetiske permeabilitet µ en værdi, der viser, hvor mange gange feltinduktionen af et givet medium er mindre (eller større) end induktionen af et vakuummagnetfelt.

Når et stof udsættes for et eksternt magnetfelt, bliver det magnetiseret. Hvordan sker dette? Ifølge Amperes hypotese cirkulerer mikroskopiske elektriske strømme konstant i ethvert stof, forårsaget af elektronernes bevægelser i deres baner og tilstedeværelsen af deres egne Under normale forhold er denne bevægelse uordnet, og felterne "slukker" (kompenserer) hinanden . Når et legeme placeres i et eksternt felt, ordnes strømmene, og kroppen bliver magnetiseret (dvs. har sit eget felt).

Den magnetiske permeabilitet af alle stoffer er forskellig. Baseret på dets størrelse kan stoffer opdeles i tre store grupper.

U diamagnetiske materialer værdien af magnetisk permeabilitet µ er lidt mindre end enhed. For eksempel har bismuth µ = 0,9998. Diamagneter omfatter zink, bly, kvarts, kobber, glas, brint, benzen og vand.

Magnetisk permeabilitet paramagnetisk lidt mere end én (for aluminium µ = 1,000023). Eksempler på paramagnetiske materialer er nikkel, oxygen, wolfram, hård gummi, platin, nitrogen, luft.

Endelig omfatter den tredje gruppe en række stoffer (hovedsageligt metaller og legeringer), hvis magnetiske permeabilitet væsentligt (flere størrelsesordener) overstiger enhed. Disse stoffer er ferromagneter. Dette omfatter hovedsageligt nikkel, jern, kobolt og deres legeringer. For stål µ = 8∙10^3, for en nikkel-jernlegering µ=2,5∙10^5. Ferromagneter har egenskaber, der adskiller dem fra andre stoffer. For det første har de restmagnetisme. For det andet afhænger deres magnetiske permeabilitet af størrelsen af den eksterne feltinduktion. For det tredje er der for hver af dem en vis temperaturtærskel, kaldet Curie point, hvorved den mister sine ferromagnetiske egenskaber og bliver paramagnetisk. For nikkel er Curie-punktet 360°C, for jern - 770°C.

Egenskaberne af ferromagneter bestemmes ikke kun af magnetisk permeabilitet, men også af værdien af I, kaldet magnetisering af dette stof. Dette er en kompleks ikke-lineær funktion af magnetisk induktion er beskrevet af en linje kaldet magnetiseringskurve. I dette tilfælde, efter at have nået et vist punkt, holder magnetiseringen praktisk talt op med at vokse (den magnetisk mætning). Forskydningen af magnetiseringsværdien af en ferromagnet fra den voksende værdi af den eksterne feltinduktion kaldes magnetisk hysterese. I dette tilfælde er der en afhængighed af en ferromagnets magnetiske egenskaber ikke kun af dens nuværende tilstand, men også af dens tidligere magnetisering. Den grafiske repræsentation af kurven for denne afhængighed kaldes hysterese loop.

På grund af deres egenskaber er ferromagneter meget brugt i teknologi. De bruges i rotorer af generatorer og elektriske motorer, i fremstillingen af transformatorkerner og i produktionen af dele til elektroniske computere. Ferromagneter bruges i båndoptagere, telefoner, magnetbånd og andre medier.

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 magnetfelt.

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, superpositionsprincippet 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 det 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. hovedfunktion 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 brug inden for videnskab og teknologi er der derfor udviklet et betydeligt antal legeringer med forskellige ferromagnetiske egenskaber.

Alle 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 ca. 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 af det faktum, 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. Hvornår 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 strøm gennem solenoiden modsatte retning, 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 induktionen af et magnetfelt, der afmagnetiserer en magnetiseret ferromagnet, kaldes 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 (modsatte 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

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.
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.
Slobodyanyuk A.I. Fysik 10. §13 Et magnetfelts vekselvirkning med stof