Permeabilità magnetica dell'aria rispetto all'acciaio. Proprietà magnetiche della materia

6. MATERIALI MAGNETICI

Tutte le sostanze sono magnetiche e vengono magnetizzate in un campo magnetico esterno.

In base alle loro proprietà magnetiche, i materiali si dividono in debolmente magnetici ( materiali diamagnetici E paramagneti) e altamente magnetico ( ferromagneti E ferrimagneti).

Diamagnetiμr < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего campo magnetico. I diamagneti sono sostanze i cui atomi (molecole) in assenza di campo magnetizzante hanno un momento magnetico pari a zero: idrogeno, gas inerti, la maggior parte composti organici e alcuni metalli ( Cu, Zn, Ag, Au, Hg), nonché IN io, Ga, Sb.

Paramagneti– sostanze con permeabilità magneticaμr> 1, cioè campi deboli non dipende dall'intensità del campo magnetico esterno. Le sostanze paramagnetiche includono sostanze i cui atomi (molecole) in assenza di un campo magnetizzante hanno un momento magnetico diverso da zero: ossigeno, ossido di azoto, sali di ferro, cobalto, nichel e terre rare, metalli alcalini, alluminio, platino.

I materiali diamagnetici e paramagnetici hanno permeabilità magneticaμrè prossimo all’unità. L'applicazione nella tecnologia come materiali magnetici è limitata.

Nei materiali altamente magnetici, la permeabilità magnetica è significativamente maggiore dell’unità (μr >> 1) e dipende dall'intensità del campo magnetico. Questi includono: ferro, nichel, cobalto e loro leghe, nonché leghe di cromo e manganese, gadolinio, ferriti di varie composizioni.

6.1. Caratteristiche magnetiche dei materiali

Le proprietà magnetiche dei materiali sono valutate da quantità fisiche chiamate caratteristiche magnetiche.

Permeabilità magnetica

Distinguere relativo E assoluto permeabilità magnetiche sostanze (materiali) che sono interconnesse dalla relazione

μa = μ o ·μ, Gn/m

μo– costante magnetica,μo = 4π ·10 -7 H/m;

μ – permeabilità magnetica relativa (quantità adimensionale).

La permeabilità magnetica relativa viene utilizzata per descrivere le proprietà dei materiali magnetici.μ (più spesso chiamata permeabilità magnetica), e per i calcoli pratici viene utilizzata la permeabilità magnetica assolutaμa, calcolato dall'equazione

μa = IN /N,Gn/m

N– intensità del campo magnetico magnetizzante (esterno), A/m

IN – Induzione del campo magnetico in un magnete.

Grande valoreμ mostra che il materiale si magnetizza facilmente in campi magnetici deboli e forti. La permeabilità magnetica della maggior parte dei magneti dipende dalla forza del campo magnetico magnetizzante.

Per caratterizzare le proprietà magnetiche, una quantità adimensionale chiamata suscettibilità magnetica χ .

μ = 1 + χ

Coefficiente di temperatura della permeabilità magnetica

Le proprietà magnetiche di una sostanza dipendono dalla temperaturaμ = μ (T) .

Per descrivere la natura del cambiamentoproprietà magnetiche con la temperaturautilizzare il coefficiente di temperatura della permeabilità magnetica.

Dipendenza della suscettibilità magnetica dei materiali paramagnetici dalla temperaturaTdescritto dalla legge di Curie

Dove C - Costante di Curie .

Caratteristiche magnetiche dei ferromagneti

La dipendenza dalle proprietà magnetiche dei ferromagneti è maggiore carattere complesso, mostrato in figura, e raggiunge il massimo a una temperatura vicina aQ A.

La temperatura alla quale la suscettibilità magnetica diminuisce bruscamente, quasi fino a zero, è chiamata temperatura di Curie -Q A. A temperature più alteQ A il processo di magnetizzazione di un ferromagnete viene interrotto a causa dell'intenso movimento termico di atomi e molecole e il materiale cessa di essere ferromagnetico e diventa paramagnetico.

Per ferro Q k = 768 ° C, per il nichel Q k = 358 ° C, per cobalto Q k = 1131 ° C.

Al di sopra della temperatura di Curie, la dipendenza della suscettibilità magnetica di un ferromagnete dalla temperaturaTdescritto dalla legge di Curie-Weiss

Il processo di magnetizzazione di materiali altamente magnetici (ferromagneti) ha isteresi. Se un ferromagnete smagnetizzato viene magnetizzato in un campo esterno, viene magnetizzato secondo curva di magnetizzazione B = B(H) . Se poi, a partire da qualche valoreHiniziare a ridurre l'intensità del campo, quindi l'induzioneBdiminuirà con un certo ritardo ( isteresi) in relazione alla curva di magnetizzazione. Man mano che il campo aumenta direzione opposta il ferromagnete è quindi smagnetizzato rimagnetizza, e con un nuovo cambiamento nella direzione del campo magnetico, può tornare al punto di partenza da dove è iniziato il processo di smagnetizzazione. Viene chiamato il ciclo risultante mostrato in figura ciclo di isteresi.

Ad una certa tensione massimaN M campo magnetizzante, la sostanza viene magnetizzata fino ad uno stato di saturazione, in cui l'induzione raggiunge il valoreIN N, che si chiamainduzione di saturazione.

Induzione magnetica residua IN DI – osservato in un materiale ferromagnetico, magnetizzato fino alla saturazione, durante la sua smagnetizzazione, quando l'intensità del campo magnetico è zero. Per smagnetizzare un campione di materiale, l'intensità del campo magnetico deve cambiare la sua direzione nella direzione opposta (-N). Intensità del campoN A , in cui l'induzione è uguale a zero, si chiama forza coercitiva(forza di tenuta) .

L'inversione della magnetizzazione di un ferromagnete in campi magnetici alternati è sempre accompagnata da perdite di energia termica, causate da perdite per isteresi E perdite dinamiche. Le perdite dinamiche sono associate alle correnti parassite indotte nel volume del materiale e dipendono da resistenza elettrica materiale, diminuendo all'aumentare della resistenza. Perdite per isteresiW in un ciclo di inversione di magnetizzazione determinato dall'area del ciclo di isteresi

e può essere calcolato per un'unità di volume di una sostanza utilizzando la formula empirica

J/m 3

Dove η – coefficiente a seconda del materiale,B N – massima induzione raggiunta durante il ciclo,N– esponente pari a 1,6 a seconda del materiale¸ 2.

Perdite di energia specifica dovute all'isteresi R G – perdite spese per l'inversione della magnetizzazione di un'unità di massa per unità di volume di materiale al secondo.

Dove F – Frequenza CA,T– periodo di oscillazione.

Magnetostrizione

Magnetostrizione – il fenomeno dei cambiamenti nelle dimensioni geometriche e nella forma di un ferromagnete quando cambia l’entità del campo magnetico, cioè. quando magnetizzato. Variazione relativa delle dimensioni del materialeΔ l/ lpuò essere positivo e negativo. Per il nichel la magnetostrizione è inferiore a zero e raggiunge il valore dello 0,004%.

Secondo il principio di Le Chatelier di contrastare l'influenza del sistema fattori esterni, cercando di cambiare questo stato, la deformazione meccanica del ferromagnete, che porta ad un cambiamento nelle sue dimensioni, dovrebbe influenzare la magnetizzazione di questi materiali.

Se durante la magnetizzazione un corpo sperimenta una riduzione delle sue dimensioni in una data direzione, allora l'applicazione di uno stress meccanico di compressione in questa direzione favorisce la magnetizzazione, mentre lo stiramento rende difficile la magnetizzazione.

6.2. Classificazione dei materiali ferromagnetici

Tutto ferro materiali magnetici In base al loro comportamento in un campo magnetico si dividono in due gruppi.

Magnetico morbido – con elevata permeabilità magneticaμ e bassa forza coercitivaN A< 10Sono. Sono facilmente magnetizzati e smagnetizzati. Hanno perdite di isteresi basse, vale a dire ciclo di isteresi stretto.

Le caratteristiche magnetiche dipendono dalla purezza chimica e dal grado di distorsione della struttura cristallina. Meno impurità(CON, R, S, O, N) , maggiore è il livello delle caratteristiche del materiale, quindi è necessario rimuoverli e gli ossidi durante la produzione di un ferromagnete e cercare di non distorcere la struttura cristallina del materiale.

Materiali magnetici duri – avere grandeN K > 0,5 MA/m e induzione residua (IN DI ≥ 0,1T). Corrispondono ad un ampio ciclo di isteresi. Sono magnetizzati con grande difficoltà, ma possono trattenere l'energia magnetica per diversi anni, ad es. fungere da fonte di campo magnetico costante. Pertanto, da essi vengono realizzati magneti permanenti.

In base alla loro composizione, tutti i materiali magnetici si dividono in:

· metallo;

· non metallico;

· magnetodielettrici.

Materiali magnetici metallici - si tratta di metalli puri (ferro, cobalto, nichel) e leghe magnetiche di alcuni metalli.

A non metallico i materiali includono ferriti, ottenuto da polveri di ossidi di ferro e altri metalli. Vengono pressati e cotti a 1300 - 1500 °C e si trasformano in solide parti magnetiche monolitiche. Le ferriti, come i materiali magnetici metallici, possono essere magnetiche morbide o magnetiche dure.

Magnetodielettrici – si tratta di materiali compositi costituiti per il 60–80% da polvere di materiale magnetico e per il 40–20% da dielettrico organico. Ferriti e magnetodielettrici Avere grande valore resistività elettrica (ρ = 10 ÷ 10 8 Ohm m), l'elevata resistenza di questi materiali garantisce basse perdite di energia dinamica nei campi elettromagnetici alternati e ne consente un ampio utilizzo nella tecnologia ad alta frequenza.

6.3. Materiali magnetici metallici

6.3.1. Metallo magnetico morbido materiali

I materiali magnetici morbidi metallici includono ferro carbonilico, permalloy, alsifer e acciaio al silicio a basso tenore di carbonio.

Ferro carbonilico – ottenuto per decomposizione termica del ferro pentacarbonilico liquidoF e( CO) 5 per ottenere particelle di ferro puro in polvere:

F e( CO ) 5 → Fe+ 5 СО,

ad una temperatura di circa 200°Ce pressione 15 MPa. Le particelle di ferro hanno una forma sferica con una dimensione di 1 – 10 micron. Per rimuovere le particelle di carbonio, la polvere di ferro viene sottoposta a trattamento termico in un ambiente N 2 .

La permeabilità magnetica del ferro carbonilico raggiunge 20000, la forza coercitiva è 4,5¸ 6,2Sono. La polvere di ferro viene utilizzata per produrre l'alta frequenza magnetodielettrico nuclei, come riempitivo nei nastri magnetici.

Permalloi –leghe duttili ferro-nichel. Per migliorare le proprietà, aggiungi Mo, CON R, Cu, produzione di permaleghe drogate. Hanno un'elevata duttilità e possono essere facilmente arrotolati in fogli e strisce fino a 1 micron.

Se il contenuto di nichel nel permalloy è del 40 - 50%, allora è detto a basso contenuto di nichel, se è del 60 - 80% - ad alto contenuto di nichel.

I permalloy lo hanno fatto alto livello caratteristiche magnetiche, garantite non solo dalla composizione e dall'elevata purezza chimica della lega, ma anche dallo speciale trattamento termico sotto vuoto. I permalloy hanno un livello molto elevato di permeabilità magnetica iniziale da 2000 a 30000 (a seconda della composizione) nella regione dei campi deboli, dovuto alla bassa entità della magnetostrizione e all'isotropia delle proprietà magnetiche. Particolarmente alte prestazioni ha una supermalloy, la cui permeabilità magnetica iniziale è 100.000 e il massimo raggiunge 1,5· 10 6 alle B= 0,3 T.

Il permalloy viene fornito sotto forma di strisce, fogli e barre. Le leghe a basso contenuto di nichel vengono utilizzate per la produzione di nuclei di induttori, trasformatori di piccole dimensioni e amplificatori magnetici, ad alto contenuto di nichel permalloi – per parti di apparecchiature funzionanti a frequenze soniche e supersoniche. Le caratteristiche magnetiche delle permalloy sono stabili a –60 +60°C.

Alsifera – fragile non malleabile leghe di composizione Al – Sì– Fe , composto dal 5,5 – 13%Al, 9 – 10 % Sì, il resto è ferro. Alsifer ha proprietà simili al permalloy, ma è più economico. Da esso vengono ricavati nuclei fusi, vengono fusi schermi magnetici e altre parti cave con uno spessore di parete di almeno 2-3 mm. La fragilità di alsifer ne limita gli ambiti di applicazione. Sfruttando la fragilità dell'alsifer, viene macinato in polvere, che viene utilizzata come riempitivo ferromagnetico nelle presse ad alta frequenza magnetodielettrici(nuclei, anelli).

Acciaio al silicio a basso tenore di carbonio (acciaio elettrico) – lega di ferro e silicio (0,8 - 4,8%Sì). Il principale materiale magnetico morbido per l'uso di massa. Si arrotola facilmente in fogli e strisce di 0,05 - 1 mm ed è un materiale economico. Il silicio, presente nell'acciaio allo stato disciolto, svolge due funzioni.

· Aumentando la resistività dell'acciaio, il silicio provoca una riduzione delle perdite dinamiche associate alle correnti parassite. La resistenza aumenta a causa di formazione di silice SiO 2 come risultato della reazione

2 FeO + S i→ 2Fe+ SiO 2 .

· La presenza di silicio disciolto nell'acciaio favorisce la decomposizione della cementite Fe3C – impurità nocive che riducono le caratteristiche magnetiche e il rilascio di carbonio sotto forma di grafite. In questo caso si forma ferro puro, la cui crescita di cristalli aumenta il livello delle caratteristiche magnetiche dell'acciaio.

Si sconsiglia l'introduzione di silicio nell'acciaio in quantità superiore al 4,8% poiché, pur contribuendo a migliorare le caratteristiche magnetiche, il silicio aumenta notevolmente la fragilità dell'acciaio e la riduce proprietà meccaniche.

6.3.2. Materiali magnetici duri metallici

Materiali magnetici duri - si tratta di ferromagneti con elevata forza coercitiva (più di 1 kA/m) e un grande valore di induzione magnetica residuaIN DI. Utilizzato per la fabbricazione di magneti permanenti.

A seconda della composizione, delle condizioni e del metodo di produzione, sono suddivisi in:

· acciai martensitici legati;

· fusione di leghe magnetiche dure.

Acciai martensitici legati – si tratta di acciai al carbonio e acciai legatiCr, W, Co, Mo . Carbonio l'acciaio invecchia rapidamente e cambiano le loro proprietà, quindi sono usati raramente per la produzione di magneti permanenti. Per la produzione di magneti permanenti vengono utilizzati acciai legati: tungsteno e cromo (N C ≈ 4800 Sono,IN O ≈ 1 T), che sono fabbricati sotto forma di aste con varie forme sezioni. L'acciaio al cobalto ha una coercività maggiore (N C ≈ 12000 Sono,IN O ≈ 1 T) rispetto al tungsteno e al cromo. Forza coercitiva N CON l'acciaio al cobalto aumenta con l'aumentare del contenuto CON O.

Leghe magnetiche dure fuse. Le proprietà magnetiche migliorate delle leghe sono dovute ad una composizione appositamente selezionata e a un trattamento speciale: raffreddamento dei magneti dopo la fusione in un forte campo magnetico, nonché uno speciale trattamento termico a più stadi sotto forma di tempra e rinvenimento in combinazione con magnete trattamento, chiamato indurimento per dispersione.

Per la fabbricazione dei magneti permanenti vengono utilizzati tre gruppi principali di leghe:

· Lega ferro – cobalto – molibdeno tipo rimalloy con forza coercitivaN K = 12 – 18 kA/m.

· Gruppo di leghe:

§ rame – nichel – ferro;

§ rame – nichel – cobalto;

§ ferro - manganese, legatoalluminio o titanio;

§ ferro – cobalto – vanadio (F e– Co – V).

Si chiama la lega rame - nichel - ferro kunife (CON tu– Ni - Fe). Lega F e– Co – V (ferro - cobalto - vanadio) si chiama vikala . Le leghe di questo gruppo hanno una forza coercitiva N A = 24 – 40 kA/m. Disponibile in filo e lamiera.

· Sistema delle leghe ferro – nichel – alluminio(F e – Ni– Al), precedentemente noto come lega alni. La lega contiene il 20 - 33% Ni + 11 – 17% Al, il resto è ferro. L'aggiunta di cobalto, rame, titanio, silicio e niobio alle leghe ne migliora le proprietà magnetiche, facilita la tecnologia di produzione, garantisce la ripetibilità dei parametri e migliora le proprietà meccaniche. La marcatura moderna del marchio contiene lettere che indicano i metalli aggiunti (Y - alluminio, N - nichel, D - rame, K - cobalto, T - titanio, B - niobio, C - silicio), numeri - il contenuto dell'elemento, il la cui lettera appare prima del numero, ad esempio UNDC15.

Le leghe hanno un alto valore di coercività N A = 40 – 140 kA/m e grande energia magnetica immagazzinata.

6.4. Materiali magnetici non metallici. Ferriti

Le ferriti sono materiali ferromagnetici ceramici con bassa conduttività elettronica. La bassa conduttività elettrica combinata con elevate caratteristiche magnetiche consente alle ferriti di essere ampiamente utilizzate alte frequenze OH.

Le ferriti sono costituite da una miscela di polveri composta da ossido di ferro e ossidi di altri metalli appositamente selezionati. Vengono pressati e poi sinterizzati alte temperature. Generale formula chimica ha la forma:

MeO Fe 2 O 3 o MeFe 2 O 4,

Dove Mahsimbolo di metallo bivalente.

Per esempio,

ZnO Fe2O3 o

NiO Fe2O3 o NiFe 2O4

Le ferriti hanno un reticolo cubico di tipo spinelloMgOAl 2O3 - alluminato di magnesio.Non tutte le ferriti sono magnetiche. La presenza di proprietà magnetiche è associata alla disposizione degli ioni metallici nel reticolo cubico dello spinello. Quindi il sistemaZnFe 2O4 non ha proprietà ferromagnetiche.

Le ferriti sono prodotte secondo tecnologia ceramica. Gli ossidi metallici in polvere originali vengono macinati in mulini a sfere, pressati e cotti in forni. Le bricchette sinterizzate vengono macinate fino a ottenere una polvere fine e viene aggiunto un plastificante, ad esempio una soluzione di alcol polivinilico. Dalla massa risultante vengono pressati i prodotti di ferrite: nuclei, anelli, che vengono cotti in aria a 1000 - 1400 ° C. I prodotti risultanti, duri, fragili e per lo più neri, possono essere lavorati solo mediante molatura e lucidatura.

Magnetico morbido ferriti

Magnetico morbidoLe ferriti sono ampiamente utilizzate nel campo dell'elettronica ad alta frequenza e nella costruzione di strumenti per la produzione di filtri, trasformatori per amplificatori a bassa e alta frequenza, antenne per dispositivi di trasmissione e ricezione radio, trasformatori di impulsi e modulatori magnetici. Prodotto dall'industria i seguenti tipi ferriti magnetiche morbide con ampia gamma proprietà magnetiche ed elettriche: nichel - zinco, manganese - zinco e litio - zinco. La frequenza limite superiore di utilizzo della ferrite dipende dalla loro composizione e varia con marche diverse ferriti da 100 kHz a 600 MHz, la coercività è di circa 16 A/m.

Il vantaggio delle ferriti è la stabilità delle caratteristiche magnetiche e la relativa facilità di produzione di componenti radio. Come tutti i materiali ferromagnetici, le ferriti mantengono le loro proprietà magnetiche solo fino alla temperatura di Curie, che dipende dalla composizione delle ferriti e va da 45° a 950°C.

Ferriti magnetiche dure

Per la fabbricazione di magneti permanenti, vengono utilizzate più ampiamente le ferriti magnetiche dure (;VaO 6Fe2O3 ). Hanno una struttura cristallina esagonale di grandi dimensioniN A . Le ferriti di bario sono un materiale policristallino. Possono essere isotropi: le stesse proprietà della ferrite in tutte le direzioni sono dovute al fatto che le particelle cristalline sono orientate arbitrariamente. Se, durante il processo di pressatura dei magneti, la massa polverosa viene esposta a un campo magnetico esterno di elevata intensità, le particelle cristalline di ferrite saranno orientate in una direzione e il magnete sarà anisotropo.

Le ferriti di bario sono caratterizzate da una buona stabilità delle loro caratteristiche, ma sono sensibili agli sbalzi di temperatura e alle sollecitazioni meccaniche. I magneti in ferrite di bario sono economici.

6.5. Magnetodielettrici

Magnetodielettrici - sono materiali compositi costituiti da particelle fini di materiale magnetico dolce legate tra loro da un dielettrico organico o inorganico. Come materiali magnetici morbidi vengono utilizzati ferro carbonilico, alsifer e alcuni tipi di permalloy, frantumati allo stato di polvere.

Come dielettrici vengono utilizzati polistirolo, resine di bachelite, vetro liquido, ecc.

Lo scopo di un dielettrico non è solo quello di collegare le particelle di materiale magnetico, ma anche di isolarle le une dalle altre e, di conseguenza, di aumentare notevolmente il valore di resistività elettrica magnetodielettrico. Resistività elettricaRmagnetodielettriciè 10 3 – 10 4 Ohm× M

Magnetodielettriciutilizzato per la fabbricazione di nuclei per componenti di apparecchiature radio ad alta frequenza. Il processo di produzione dei prodotti è più semplice rispetto a quello delle ferriti, perché non necessitano di trattamento termico ad alta temperatura. Prodotti da magnetodielettrici sono caratterizzati da un'elevata stabilità delle proprietà magnetiche, alta classe pulizia della superficie e precisione dimensionale.

I magnetodielettrici riempiti con permallo di molibdeno o ferro carbonilico hanno le più elevate caratteristiche magnetiche.

Se negli esperimenti sopra descritti, invece di un nucleo di ferro, prendiamo nuclei di altri materiali, allora si può rilevare anche un cambiamento nel flusso magnetico. È naturale aspettarsi che l’effetto più evidente sia prodotto da materiali simili nelle loro proprietà magnetiche al ferro, cioè nichel, cobalto e alcune leghe magnetiche. Infatti, quando si introduce nella bobina un nucleo costituito da questi materiali, l'aumento del flusso magnetico risulta piuttosto significativo. In altre parole possiamo dire che la loro permeabilità magnetica è elevata; per il nichel, ad esempio, può raggiungere il valore 50, per il cobalto 100. Tutti questi materiali con grandi valori combinati in un unico gruppo di materiali ferromagnetici.

Tuttavia, anche tutti gli altri materiali “non magnetici” hanno qualche effetto flusso magnetico, sebbene l'influenza sia significativamente inferiore a quella dei materiali ferromagnetici. Con l'aiuto di misurazioni molto accurate è possibile rilevare questo cambiamento e determinare la permeabilità magnetica vari materiali. Bisogna però tenere presente che nell'esperimento sopra descritto abbiamo confrontato il flusso magnetico in una bobina la cui cavità è riempita di ferro con il flusso in una bobina con aria all'interno. Finché si parlava di materiali altamente magnetici come ferro, nichel, cobalto, ciò non aveva importanza, poiché la presenza di aria ha un effetto minimo sul flusso magnetico. Ma quando si studiano le proprietà magnetiche di altre sostanze, in particolare dell'aria stessa, dobbiamo ovviamente fare un confronto con una bobina all'interno della quale non c'è aria (vuoto). Pertanto, per la permeabilità magnetica prendiamo il rapporto tra i flussi magnetici nella sostanza in esame e nel vuoto. In altre parole, prendiamo la permeabilità magnetica per il vuoto come una (se , allora ).

Le misurazioni mostrano che la permeabilità magnetica di tutte le sostanze è diversa dall'unità, sebbene nella maggior parte dei casi questa differenza sia molto piccola. Ma ciò che è particolarmente notevole è il fatto che per alcune sostanze la permeabilità magnetica è maggiore di uno, mentre per altre è inferiore a uno, cioè riempiendo la bobina con alcune sostanze aumenta il flusso magnetico, e riempiendo la bobina con altre sostanze si riduce questo flusso. La prima di queste sostanze è chiamata paramagnetica () e la seconda diamagnetica (). Come mostra la tabella. 7, la differenza di permeabilità dall'unità sia per le sostanze paramagnetiche che per quelle diamagnetiche è piccola.

Va sottolineato in particolare che per i corpi paramagnetici e diamagnetici la permeabilità magnetica non dipende dall'induzione magnetica di un campo magnetizzante esterno, cioè è un valore costante che caratterizza una data sostanza. Come vedremo nel § 149, questo non è il caso del ferro e di altri corpi simili (ferromagnetici).

Tabella 7. Permeabilità magnetica per alcune sostanze paramagnetiche e diamagnetiche

Sostanze paramagnetiche		Sostanze diamagnetiche
Azoto (gassoso)		Idrogeno (gassoso)
Aria (gassosa)
Ossigeno (gassoso)
Ossigeno (liquido)
Alluminio
Tungsteno

L'influenza delle sostanze paramagnetiche e diamagnetiche sul flusso magnetico è spiegata, proprio come l'influenza delle sostanze ferromagnetiche, dal fatto che al flusso magnetico creato dalla corrente nell'avvolgimento della bobina si unisce il flusso emanato dalle correnti elementari di ampere. Le sostanze paramagnetiche aumentano il flusso magnetico della bobina. Questo aumento del flusso quando la bobina è riempita con una sostanza paramagnetica indica che nelle sostanze paramagnetiche, sotto l'influenza di un campo magnetico esterno, le correnti elementari sono orientate in modo tale che la loro direzione coincida con la direzione della corrente di avvolgimento (Fig. 276). Una leggera differenza rispetto all'unità indica soltanto che nel caso delle sostanze paramagnetiche questo flusso magnetico aggiuntivo è molto piccolo, cioè che le sostanze paramagnetiche vengono magnetizzate molto debolmente.

Una diminuzione del flusso magnetico quando si riempie la bobina con una sostanza diamagnetica significa che in questo caso il flusso magnetico delle correnti elementari di ampere è diretto in direzione opposta al flusso magnetico della bobina, cioè quello delle sostanze diamagnetiche, sotto l'influenza di una fonte esterna campo magnetico, sorgono correnti elementari, dirette in modo opposto alle correnti di avvolgimento (Fig. 277). L'esiguità delle deviazioni dall'unità in questo caso indica anche che il flusso aggiuntivo di queste correnti elementari è piccolo.

Riso. 277. Le sostanze diamagnetiche all'interno della bobina indeboliscono il campo magnetico del solenoide. Le correnti elementari in essi contenute sono dirette in modo opposto alla corrente nel solenoide

Determinazione della permeabilità magnetica di una sostanza. Il suo ruolo nella descrizione del campo magnetico

Se conduci un esperimento con un solenoide collegato a un galvanometro balistico, quando la corrente nel solenoide viene accesa, puoi determinare il valore del flusso magnetico F, che sarà proporzionale alla deflessione dell'ago del galvanometro. Eseguiamo l'esperimento due volte e impostiamo la stessa corrente (I) nel galvanometro, ma nel primo esperimento il solenoide sarà senza nucleo e nel secondo esperimento, prima di accendere la corrente, introdurremo un nucleo di ferro nel solenoide. Si scopre che nel secondo esperimento il flusso magnetico è notevolmente maggiore che nel primo (senza nucleo). Quando si ripete l'esperimento con nuclei di diverso spessore, si scopre che il flusso massimo si ottiene nel caso in cui l'intero solenoide sia riempito di ferro, cioè l'avvolgimento sia strettamente avvolto attorno al nucleo di ferro. Puoi condurre un esperimento con nuclei diversi. Il risultato è che:

dove $Ф$ è il flusso magnetico in una bobina con nucleo, $Ф_0$ è il flusso magnetico in una bobina senza nucleo. L'aumento del flusso magnetico quando si introduce un nucleo nel solenoide è spiegato dal fatto che al flusso magnetico che crea la corrente nell'avvolgimento del solenoide si aggiunge un flusso magnetico creato da un insieme di correnti molecolari di ampere orientate. Sotto l'influenza di un campo magnetico, le correnti molecolari vengono orientate e il loro momento magnetico totale cessa di essere uguale a zero e si forma un campo magnetico aggiuntivo.

Definizione

La quantità $\mu$, che caratterizza le proprietà magnetiche del mezzo, è chiamata permeabilità magnetica (o permeabilità magnetica relativa).

Questa è una caratteristica adimensionale di una sostanza. Un aumento del flusso Ф di $\mu $ volte (1) significa che l'induzione magnetica $\overrightarrow(B)$ nel nucleo è tante volte maggiore che nel vuoto con la stessa corrente nel solenoide. Pertanto possiamo scrivere che:

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

dove $(\overrightarrow(B))_0$ è l'induzione del campo magnetico nel vuoto.

Insieme all'induzione magnetica, che è la forza principale caratteristica del campo, come intensità del campo magnetico viene utilizzata una quantità vettoriale ausiliaria ($\overrightarrow(H)$), che è legata a $\overrightarrow(B)$ dalla seguente relazione :

\[\overrightarrow(B)=\mu \overrightarrow(H)\left(3\right).\]

Se si applica la formula (3) all'esperimento con nucleo, si ottiene che in assenza di nucleo:

\[(\overrightarrow(B))_0=(\mu )_0\overrightarrow(H_0)\left(4\right),\]

dove $\mu $=1. Se c'è un nucleo, otteniamo:

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

Ma poiché la (2) è soddisfatta, risulta che:

\[\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)=(\mu m)_0\overrightarrow(H_0)\to \overrightarrow(H)=\overrightarrow(H_0)\left(6\right).\]

Abbiamo scoperto che l'intensità del campo magnetico non dipende dal tipo di sostanza omogenea di cui è pieno lo spazio. La permeabilità magnetica della maggior parte delle sostanze riguarda l'unità, ad eccezione dei ferromagneti.

Suscettività magnetica di una sostanza

Solitamente il vettore di magnetizzazione ($\overrightarrow(J)$) è associato al vettore di intensità in ogni punto del magnete:

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

dove $\varkappa $ è la suscettibilità magnetica, una quantità adimensionale. Per le sostanze non ferromagnetiche e in piccoli campi $\varkappa $ non dipende dalla forza ed è una quantità scalare. Nei mezzi anisotropi, $\varkappa $ è un tensore e le direzioni di $\overrightarrow(J)$ e $\overrightarrow(H)$ non coincidono.

Relazione tra suscettibilità magnetica e permeabilità magnetica

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

Sostituiamo l'espressione del vettore magnetizzazione (7) nella (8), e otteniamo:

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

Esprimendo la tensione, otteniamo:

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

Confrontando le espressioni (5) e (10), otteniamo:

\[\mu =1+\varkappa \sinistra(11\destra).\]

La suscettibilità magnetica può essere positiva o negativa. Dalla (11) segue che la permeabilità magnetica può essere maggiore o minore dell'unità.

Esempio 1

Obiettivo: Calcolare la magnetizzazione al centro di una bobina circolare di raggio R=0,1 m con una corrente di intensità I=2A, se è immersa in ossigeno liquido. La suscettibilità magnetica dell'ossigeno liquido è pari a $\varkappa =3,4\cdot (10)^(-3).$

Come base per risolvere il problema, prenderemo un'espressione che riflette la relazione tra l'intensità del campo magnetico e la magnetizzazione:

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

Troviamo il campo al centro della bobina con corrente, poiché a questo punto dobbiamo calcolare la magnetizzazione.

Selezioniamo una sezione elementare sul conduttore che trasporta corrente (Fig. 1), come base per risolvere il problema, utilizziamo la formula per la resistenza dell'elemento della bobina che trasporta corrente:

dove $\ \overrightarrow(r)$ è il raggio vettore tracciato dall'elemento corrente al punto in esame, $\overrightarrow(dl)$ è l'elemento del conduttore con corrente (la direzione è specificata dalla direzione della corrente ), $\vartheta$ è l'angolo tra $ \overrightarrow(dl)$ e $\overrightarrow(r)$. Sulla base della Fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, quindi (1.1) verrà semplificata, inoltre, la distanza dal centro del cerchio (il punto in cui cerchiamo il campo magnetico) dell'elemento conduttore con corrente è costante e uguale al raggio della sterzata (R), quindi abbiamo:

Il vettore dell'intensità del campo magnetico risultante è diretto lungo l'asse X, può essere trovato come la somma dei singoli vettori $\ \ \overrightarrow(dH),$ poiché tutti gli elementi attuali creano campi magnetici al centro della svolta, diretti lungo l'asse X. normale del turno. Quindi, secondo il principio di sovrapposizione, l’intensità totale del campo magnetico può essere ottenuta passando all’integrale:

Sostituendo la (1.3) nella (1.4), otteniamo:

Troviamo la magnetizzazione se sostituiamo l'intensità dalla (1.5) nella (1.1), otteniamo:

Tutte le unità sono indicate nel sistema SI, eseguiamo i calcoli:

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

Esempio 2

Obiettivo: calcolare la frazione del campo magnetico totale in una barra di tungsteno che si trova in un campo magnetico esterno uniforme, determinato dalle correnti molecolari. La permeabilità magnetica del tungsteno è $\mu =1.0176.$

L'induzione del campo magnetico ($B"$), che tiene conto delle correnti molecolari, può essere trovata come:

dove $J$ è la magnetizzazione. È legato all'intensità del campo magnetico dall'espressione:

dove la suscettibilità magnetica di una sostanza può essere trovata come:

\[\varkappa =\mu -1\ \sinistra(2.3\destra).\]

Pertanto, troviamo il campo magnetico delle correnti molecolari come:

Il campo totale nell'asta si calcola secondo la formula:

Usiamo le espressioni (2.4) e (2.5) per trovare la relazione richiesta:

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

Eseguiamo i calcoli:

\[\frac(B")(B)=\frac(1,0176-1)(1,0176)=0,0173.\]

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

Permeabilità magnetica- grandezza fisica, coefficiente (a seconda delle proprietà del mezzo) che caratterizza la relazione tra l'induzione magnetica texvc non trovato; Vedi matematica/README per la guida alla configurazione.): (B) e l'intensità del campo magnetico Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi matematica/README per la guida alla configurazione.): (H) in materia. Per ambienti diversi questo coefficiente è diverso, quindi parlano della permeabilità magnetica di un particolare mezzo (intendendo la sua composizione, stato, temperatura, ecc.).

Trovato per la prima volta nell'opera di Werner Siemens del 1881 "Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus" ("Contributo alla teoria dell'elettromagnetismo").

Di solito indicato Lettera greca Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc . Può essere uno scalare (per sostanze isotrope) o un tensore (per sostanze anisotrope).

In generale, viene introdotta la relazione tra induzione magnetica e intensità del campo magnetico attraverso la permeabilità magnetica

Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi math/README per la guida alla configurazione.): \vec(B) = \mu\vec(H),

E Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi math/README per la guida alla configurazione.): \mu nel caso generale questo è da intendersi come un tensore, che nella notazione delle componenti corrisponde a:

Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi matematica/README - aiuto con la configurazione.): \ B_i = \mu_(ij)H_j

Per le sostanze isotrope il rapporto:

Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi math/README per la guida alla configurazione.): \vec(B) = \mu\vec(H)

può essere inteso nel senso di moltiplicare un vettore per uno scalare (la permeabilità magnetica si riduce in questo caso a uno scalare).

Spesso la designazione Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi math/README per la guida alla configurazione.): \muè usato diversamente da qui, vale a dire per la permeabilità magnetica relativa (in questo caso Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi math/README per la guida alla configurazione.): \mu coincide con quello del GHS).

La dimensione della permeabilità magnetica assoluta in SI è la stessa della dimensione della costante magnetica, cioè Gn / o / 2.

La permeabilità magnetica relativa nel SI è correlata alla suscettibilità magnetica χ dalla relazione

Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi matematica/README - aiuto con la configurazione.): \mu_r = 1 + \chi,

Classificazione delle sostanze in base al valore di permeabilità magnetica

La stragrande maggioranza delle sostanze appartiene alla classe dei diamagneti ( Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi matematica/README per la guida alla configurazione.): \mu \lessabout 1), o alla classe dei paramagneti ( Impossibile analizzare l'espressione (file eseguibile texvc non trovato; Vedi math/README per la guida alla configurazione.): \mu \gtrabout 1). Ma un certo numero di sostanze (ferromagneti), ad esempio il ferro, hanno proprietà magnetiche più pronunciate.

Nei ferromagneti, a causa dell'isteresi, il concetto di permeabilità magnetica in senso stretto non è applicabile. Tuttavia, in un certo intervallo di variazioni del campo magnetizzante (così che la magnetizzazione residua può essere trascurata, ma prima della saturazione), è ancora possibile, con migliore o peggiore approssimazione, presentare questa dipendenza come lineare (e per i campi magnetici dolci). materiali, la limitazione dal basso potrebbe non essere eccessiva nella pratica) e in questo senso anche per essi può essere misurato il valore della permeabilità magnetica.

Permeabilità magnetica di alcune sostanze e materiali

Suscettibilità magnetica di alcune sostanze

Suscettività magnetica e permeabilità magnetica di alcuni materiali

Medio	Suscettibilità χ m (volume, SI)	Permeabilità μ [H/m]	Permeabilità relativa μ/μ 0	Campo magnetico	Frequenza massima
Metglas (inglese) Metglas )		1,25	1 000 000	a 0,5 T	100 chilocicli
Nanopermanente Nanopermanente )		10×10 -2	80 000	a 0,5 T	10kHz
Mu metallo		2,5×10 -2	20 000	a 0,002 t
Mu metallo			50 000
Permallo		1,0×10 -2	70 000	a 0,002 t
Acciaio elettrico		5,0×10 -3	4000	a 0,002 t
Ferrite (nichel-zinco)		2,0×10 -5 - 8,0×10 -4	16-640		100kHz~1MHz [[K:Wikipedia:Articoli senza fonti (paese: Errore Lua: callParserFunction: la funzione "#property" non è stata trovata. )]][[K:Wikipedia:Articoli senza fonti (paese: Errore Lua: callParserFunction: la funzione "#property" non è stata trovata. )]]
Ferrite (manganese-zinco)		>8.0×10 -4	640 (o più)		100kHz~1MHz
Acciaio		8,75×10 -4	100	a 0,002 t
Nichel		1,25×10 -4	100 - 600	a 0,002 t
Magnete al neodimio			1.05	fino a 1,2-1,4 T
Platino		1.2569701×10 -6	1,000265
Alluminio	2,22×10 -5	1.2566650×10 -6	1,000022
Albero			1,00000043
Aria			1,00000037
Calcestruzzo			1
Vuoto	0	1.2566371×10 -6 (μ0)	1
Idrogeno	-2,2×10 -9	1.2566371×10 -6	1,0000000
Teflon		1.2567×10 -6	1,0000
Zaffiro	-2,1×10 -7	1.2566368×10 -6	0,99999976
Rame	-6,4×10 -6 o -9,2×10 -6	1.2566290×10 -6	0,999994
Acqua	-8,0×10 -6	1.2566270×10 -6	0,999992
Bismuto	-1,66×10 -4		0,999834
Superconduttori	−1	0	0

Vedi anche

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Note

Estratto che caratterizza la permeabilità magnetica

Mi dispiaceva tanto per lui!... Ma sfortunatamente non ero in mio potere per aiutarlo. E sinceramente volevo davvero sapere come questa straordinaria ragazzina lo avesse aiutato...
- Li abbiamo trovati! – ripeté ancora Stella. – Non sapevo come fare, ma mia nonna mi ha aiutato!
Si è scoperto che Harold, durante la sua vita, non ha nemmeno avuto il tempo di scoprire quanto terribilmente abbia sofferto la sua famiglia morendo. Era un cavaliere guerriero, e morì prima che la sua città cadesse nelle mani dei “carnefici”, come aveva predetto la moglie.
Ma non appena si è trovato in questo mondo sconosciuto e meraviglioso di persone "andate", ha immediatamente potuto vedere come il destino malvagio e spietato e crudele si è occupato dei suoi "unici e cari". Poi, come un ossesso, trascorse un'eternità cercando in qualche modo, da qualche parte, di trovare queste persone, le più care a lui in tutto il mondo... E le cercò per molto tempo, più di mille anni, finché un giorno, una persona completamente sconosciuta, la dolce ragazza Stella, non si è offerta di "renderlo felice" e non ha aperto quell'"altra" porta per trovarli finalmente per lui...
- Vuoi che te lo mostri? - suggerì ancora la bambina,
Ma non ero più così sicuro di voler vedere qualcos'altro... Perché le visioni che aveva appena mostrato mi ferivano l'anima, ed era impossibile liberarmene così in fretta da volerne vedere una sorta di continuazione...
"Ma vuoi vedere cosa è successo loro!" – la piccola Stella affermava con sicurezza il “fatto”.
Ho guardato Harold e ho visto nei suoi occhi la completa comprensione di ciò che avevo appena inaspettatamente vissuto.
– So cosa hai visto... l'ho guardato molte volte. Ma adesso sono felici, andiamo a vederli molto spesso... E anche i loro “ex”... - disse piano il “cavaliere triste”.
E solo allora ho capito che Stella, semplicemente, quando lo voleva, lo trasferiva nel suo passato, proprio come aveva appena fatto!!! E lo faceva quasi per gioco!... Non mi ero nemmeno accorto di come questa meravigliosa, brillante ragazza cominciasse a “legarmi a sé” sempre di più, diventando per me quasi un vero miracolo, che volevo guardare all'infinito... E che non volevo assolutamente lasciare... Allora non sapevo quasi nulla e non potevo fare altro che quello che potevo capire e imparare da solo, e volevo davvero imparare almeno qualcosa da lei mentre c'era ancora tale un'opportunità.
- Per favore, vieni da me! – Stella, improvvisamente rattristata, sussurrò piano: “lo sai che non puoi restare qui ancora… La nonna ha detto che non rimarrai per molto, molto tempo… Che non puoi ancora morire”. Ma tu vieni...
Tutto intorno divenne improvvisamente buio e freddo, come se nuvole nere avessero improvvisamente coperto un mondo Stella così colorato e luminoso...
- Oh, non pensare a cose così terribili! – la ragazza era indignata e, come un artista con un pennello su una tela, ha rapidamente “ridipinto” tutto di nuovo con un colore leggero e gioioso.
- Beh, è ​​davvero meglio così? – chiese soddisfatta.
“Erano davvero solo i miei pensieri?..” Non ci credevo più.
- Beh, certo! – Stella rise. "Sei forte, quindi crei tutto intorno a te a modo tuo."
– Come pensare allora?.. – Non riuscivo ancora a “entrare” nell’incomprensibile.
"Stai zitto e mostra solo quello che vuoi mostrare", ha detto il mio fantastico amico, come se fosse una cosa ovvia. “Me lo ha insegnato mia nonna”.
Ho pensato che a quanto pare era giunto il momento anche per me di "scioccare" un po' la mia nonna "segreta", che (ne ero quasi sicuro!) probabilmente sapeva qualcosa, ma per qualche motivo non voleva ancora insegnarmi nulla .. .
"Quindi vuoi vedere cosa è successo ai cari di Harold?" – chiese impaziente la bambina.
A dire il vero non ne avevo troppa voglia, dato che non sapevo bene cosa aspettarmi da questo “spettacolo”. Ma per non offendere la generosa Stella, accettò.
– Non te lo mostrerò per molto tempo. Prometto! Ma dovresti conoscerli, vero?.. – disse la ragazza con voce allegra. - Guarda, il figlio sarà il primo...

Con mia grande sorpresa, a differenza di quanto avevo visto prima, ci siamo ritrovati in un tempo e in un luogo completamente diversi, simili alla Francia, e nell'abbigliamento che ricordava il XVIII secolo. Una bella carrozza coperta percorreva un'ampia strada asfaltata, all'interno della quale sedevano un giovane uomo e una donna vestiti con abiti molto costosi e apparentemente di pessimo umore... Il giovane ostinatamente dimostrò qualcosa alla ragazza, e lei , senza ascoltarlo affatto, aleggiava tranquillamente da qualche parte nei tuoi sogni giovane molto fastidioso...
- Vedi, è lui! Questo è lo stesso" ragazzino"... solo dopo molti, molti anni", sussurrò Stella a bassa voce.
- Come fai a sapere che è proprio lui? – ancora non capisco del tutto, ho chiesto.
- Beh, certo, è molto semplice! – la bambina mi guardò sorpresa. – Tutti noi abbiamo un’essenza, e l’essenza ha una sua “chiave” attraverso la quale ognuno di noi può essere trovato, basta saperla guardare. Aspetto...
Mi ha mostrato di nuovo il bambino, il figlio di Harold.
– Pensa alla sua essenza, e vedrai…
E ho subito visto un'entità trasparente, brillantemente luminosa e sorprendentemente potente, sul cui petto bruciava un'insolita stella energetica "diamante". Questa "stella" brillava e brillava di tutti i colori dell'arcobaleno, ora diminuendo, ora aumentando, come se pulsasse lentamente, e brillava così intensamente, come se fosse stata davvero creata dai diamanti più straordinari.
– Vedi questa strana stella rovesciata sul suo petto? - Questa è la sua "chiave". E se provi a seguirlo, come un filo, ti condurrà direttamente ad Axel, che ha la stessa stella: questa è la stessa essenza, solo nella sua prossima incarnazione.
L'ho guardata con tutti i miei occhi e, apparentemente, notando questo, Stella ha riso e ha ammesso allegramente:
– Non pensare che sono stato io stesso – è stata mia nonna che me lo ha insegnato!..
Mi vergognavo moltissimo di sentirmi un completo incompetente, ma il desiderio di saperne di più era cento volte più forte di qualsiasi vergogna, quindi ho nascosto il mio orgoglio il più profondamente possibile e ho chiesto con attenzione:
– Ma che dire di tutte queste straordinarie “realtà” che stiamo vedendo qui adesso? Dopotutto, questa è la vita specifica di qualcun altro e tu non la crei nello stesso modo in cui crei tutti i tuoi mondi?
- Oh no! – la bambina è stata di nuovo contenta di avere l’opportunità di spiegarmi qualcosa. - Ovviamente no! Questo è solo il passato in cui una volta vivevano tutte queste persone, e sto semplicemente portando me e te lì.
- E Harold? Come vede tutto questo?
- Oh, è facile per lui! È proprio come me, morto, quindi può spostarsi dove vuole. Non ce l'ha più corpo fisico, quindi la sua essenza qui non conosce ostacoli e può camminare dove vuole... proprio come me... – terminò più tristemente la bambina.
Pensavo con tristezza che quello che per lei era solo un “semplice trasferimento nel passato”, per me, a quanto pare, per molto tempo sarà un “mistero dietro sette serrature”... Ma Stella, come se avesse ascoltato i miei pensieri, si è subito affrettata a rassicurami:
- Vedrai, è semplicissimo! Devi solo provare.
– E queste “chiavi”, non vengono mai ripetute da altri? – Ho deciso di continuare con le mie domande.
"No, ma a volte succede qualcos'altro..." per qualche motivo, rispose il piccolo, sorridendo divertito. “È proprio così che mi hanno beccato all’inizio, per cui sono stato “picchiato” molto duramente… Oh, che stupidaggine!…
- Come? – chiesi, molto interessato.
Stella rispose subito allegramente:
- Oh, è stato molto divertente! - e dopo averci pensato un po', aggiunse, “ma è anche pericoloso... stavo cercando su tutti i “piani” l'incarnazione passata di mia nonna, e invece di lei, lungo il suo “filo” è arrivata un'entità completamente diversa , che in qualche modo è riuscito a “copiare” il “fiore” di mia nonna (a quanto pare anche una “chiave”!) e, proprio quando ho avuto il tempo di rallegrarmi di averlo finalmente trovato, questa entità sconosciuta mi ha colpito senza pietà al petto. Sì, tanto che quasi mi è volata l'anima!..
- Come ti sei sbarazzato di lei? – Sono rimasto sorpreso.
"Beh, a dire il vero, non me ne sono liberata..." la ragazza si imbarazzò. - Ho appena chiamato mia nonna...
– Come si chiamano “pavimenti”? – Non riuscivo ancora a calmarmi.
– Ebbene, questi sono “mondi” diversi dove vivono le essenze dei morti... Nel più bello e più alto abitano coloro che erano buoni... e, probabilmente, anche i più forti.
- Persone come te? – chiesi sorridendo.
-Oh, no, certo! Probabilmente sono arrivato qui per sbaglio. – Disse la ragazza in tutta sincerità. – Sai qual è la cosa più interessante? Da questo “piano” possiamo camminare ovunque, ma dagli altri qui non arriva nessuno... Non è interessante?..
Sì, è stato molto strano e molto interessante per il mio cervello “affamato”, e volevo davvero saperne di più!.. Forse perché fino a quel giorno nessuno mi aveva mai veramente spiegato niente, ma solo a volte qualcuno - mi dava (tipo , ad esempio, i miei "amici stellari"), e quindi anche una spiegazione così semplice e infantile mi ha già reso insolitamente felice e mi ha costretto ad approfondire ancora più furiosamente i miei esperimenti, conclusioni ed errori... come al solito, trovando in tutto ciò che stava accadendo in modo ancora più poco chiaro. Il mio problema era che potevo fare o creare qualcosa di "insolito" molto facilmente, ma il problema era anche che volevo capire come creo il tutto... Ed è proprio in questo che non sono ancora riuscito molto bene...

Numerosi esperimenti indicano che tutte le sostanze poste in un campo magnetico sono magnetizzate e creano il proprio campo magnetico, la cui azione si aggiunge all'azione di un campo magnetico esterno:

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

dove $\boldsymbol(\vec(B))$ è l'induzione del campo magnetico nella sostanza; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - induzione magnetica del campo nel vuoto, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - induzione magnetica del campo che si forma dovuto alla magnetizzazione della materia. In questo caso, la sostanza può rafforzare o indebolire il campo magnetico. L'influenza di una sostanza su un campo magnetico esterno è caratterizzata dalla grandezza μ , che si chiama permeabilità magnetica di una sostanza

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

• Permeabilità magnetica è una quantità fisica scalare che mostra quante volte l'induzione del campo magnetico in una data sostanza differisce dall'induzione del campo magnetico nel vuoto.

Tutte le sostanze sono costituite da molecole, le molecole sono costituite da atomi. I gusci elettronici degli atomi possono essere convenzionalmente considerati costituiti da correnti elettriche circolari formate da elettroni in movimento. Circolare correnti elettriche gli atomi devono creare i propri campi magnetici. Le correnti elettriche devono essere influenzate da un campo magnetico esterno, per cui ci si può aspettare un aumento del campo magnetico quando i campi magnetici atomici sono allineati con il campo magnetico esterno, o un indebolimento quando sono nella direzione opposta.
Ipotesi su Esistenza dei campi magnetici negli atomi e la possibilità di modificare il campo magnetico nella materia è del tutto vera. Tutto sostanze mediante l'azione di un campo magnetico esterno su di esse possono essere suddivisi in tre gruppi principali: diamagnetico, paramagnetico e ferromagnetico.

Diamagneti sono chiamate sostanze in cui il campo magnetico esterno è indebolito. Ciò significa che i campi magnetici degli atomi di tali sostanze in un campo magnetico esterno sono diretti in direzione opposta al campo magnetico esterno (μ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает permeabilità magnetica µ = 0,999826.

Comprendere la natura del diamagnetismo consideriamo il movimento di un elettrone che vola ad una certa velocità v in un campo magnetico uniforme perpendicolare al vettore IN campo magnetico.

Sotto l'influenza Forze di Lorentz l'elettrone si muoverà in un cerchio, la direzione della sua rotazione è determinata dalla direzione del vettore forza di Lorentz. La corrente circolare risultante crea il proprio campo magnetico IN" . Questo è un campo magnetico IN" diretto in direzione opposta al campo magnetico IN. Di conseguenza, qualsiasi sostanza contenente particelle cariche che si muovono liberamente deve avere proprietà diamagnetiche.
Sebbene gli elettroni negli atomi di una sostanza non siano liberi, la variazione del loro movimento all'interno degli atomi sotto l'influenza di un campo magnetico esterno risulta essere equivalente al movimento circolare degli elettroni liberi. Pertanto, qualsiasi sostanza in un campo magnetico ha necessariamente proprietà diamagnetiche.
Tuttavia, gli effetti diamagnetici sono molto deboli e si riscontrano solo in sostanze i cui atomi o molecole non hanno un proprio campo magnetico. Esempi di materiali diamagnetici sono piombo, zinco, bismuto (μ = 0,9998).

La prima spiegazione delle ragioni per cui i corpi hanno proprietà magnetiche fu data da Henri Ampère (1820). Secondo la sua ipotesi, all'interno delle molecole e degli atomi circolano correnti elettriche elementari, che determinano le proprietà magnetiche di qualsiasi sostanza.

Consideriamo le ragioni del magnetismo degli atomi in modo più dettagliato:

Prendiamo una sostanza solida. La sua magnetizzazione è legata alle proprietà magnetiche delle particelle (molecole e atomi) di cui è composto. Consideriamo quali circuiti attuali sono possibili a livello micro. Il magnetismo degli atomi è dovuto a due ragioni principali:

1) il movimento degli elettroni attorno al nucleo in orbite chiuse ( momento magnetico orbitale) (Fig. 1);

Riso. 2

2) la rotazione intrinseca (spin) degli elettroni ( momento magnetico di rotazione) (figura 2).

Per i curiosi. Momento magnetico del circuito uguale al prodotto intensità di corrente nel circuito per area coperta dal circuito. La sua direzione coincide con la direzione del vettore di induzione del campo magnetico al centro del circuito percorso da corrente.

Poiché i piani orbitali dei diversi elettroni in un atomo non coincidono, i vettori di induzione del campo magnetico da essi creati (momenti magnetici orbitali e di spin) sono diretti ad angoli diversi tra loro. Il vettore di induzione risultante di un atomo multielettronico è uguale alla somma vettoriale dei vettori di induzione di campo creati dai singoli elettroni. Gli atomi con gusci elettronici parzialmente riempiti hanno campi non compensati. Negli atomi con gusci elettronici pieni, il vettore di induzione risultante è 0.

In tutti i casi, la variazione del campo magnetico è causata dalla comparsa di correnti di magnetizzazione (si osserva il fenomeno dell'induzione elettromagnetica). In altre parole, resta valido il principio di sovrapposizione del campo magnetico: il campo interno al magnete è una sovrapposizione del campo esterno $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ e del campo $\boldsymbol (\vec(B"))$ delle correnti magnetizzanti io" , che sorgono sotto l'influenza di un campo esterno. Se il campo delle correnti di magnetizzazione è diretto allo stesso modo di campo esterno, allora l'induzione del campo totale sarà maggiore del campo esterno (Fig. 3, a) - in questo caso diciamo che la sostanza esalta il campo; se il campo delle correnti di magnetizzazione è diretto in modo opposto al campo esterno, il campo totale sarà inferiore al campo esterno (Fig. 3, b) - è in questo senso che diciamo che la sostanza indebolisce il campo magnetico.

Riso. 3

IN materiali diamagnetici le molecole non hanno un proprio campo magnetico. Sotto l'influenza di un campo magnetico esterno negli atomi e nelle molecole, il campo delle correnti di magnetizzazione è diretto in direzione opposta al campo esterno, pertanto il modulo del vettore di induzione magnetica $ \boldsymbol(\vec(B))$ del campo risultante sarà essere inferiore al modulo del vettore di induzione magnetica $ \boldsymbol((\vec(B ))_(0)) $ campo esterno.

Vengono chiamate sostanze in cui il campo magnetico esterno viene potenziato a seguito dell'aggiunta dei gusci elettronici degli atomi della sostanza ai campi magnetici dovuti all'orientamento dei campi magnetici atomici nella direzione del campo magnetico esterno paramagnetico(μ > 1).

Paramagneti aumentare molto debolmente il campo magnetico esterno. La permeabilità magnetica dei materiali paramagnetici differisce dall'unità solo di una frazione percentuale. Ad esempio, la permeabilità magnetica del platino è 1,00036. A causa dei valori molto piccoli della permeabilità magnetica dei materiali paramagnetici e diamagnetici, la loro influenza su un campo esterno o l'effetto di un campo esterno su corpi paramagnetici o diamagnetici è molto difficile da rilevare. Pertanto, nella pratica quotidiana, in tecnologia, le sostanze paramagnetiche e diamagnetiche sono considerate non magnetiche, cioè sostanze che non modificano il campo magnetico e non sono influenzate dal campo magnetico. Esempi di materiali paramagnetici sono sodio, ossigeno, alluminio (μ = 1.00023).

IN paramagneti le molecole hanno un proprio campo magnetico. In assenza di un campo magnetico esterno, a causa del movimento termico, i vettori di induzione dei campi magnetici di atomi e molecole sono orientati in modo casuale, quindi la loro magnetizzazione media è zero (Fig. 4, a). Quando un campo magnetico esterno viene applicato ad atomi e molecole, inizia ad agire un momento di forza che tende a farli ruotare in modo che i loro campi siano orientati parallelamente al campo esterno. L'orientamento delle molecole paramagnetiche porta al fatto che la sostanza è magnetizzata (Fig. 4, b).

Riso. 4

Il completo orientamento delle molecole in un campo magnetico è impedito dal loro movimento termico, quindi la permeabilità magnetica dei materiali paramagnetici dipende dalla temperatura. È ovvio che all’aumentare della temperatura diminuisce la permeabilità magnetica dei materiali paramagnetici.

Ferromagneti

Vengono chiamate sostanze che aumentano significativamente un campo magnetico esterno ferromagneti(nichel, ferro, cobalto, ecc.). Esempi di ferromagneti sono il cobalto, il nichel, il ferro (μ raggiunge il valore di 8·10 3).

Da qui deriva il nome stesso di questa classe di materiali magnetici Nome latino ferro - Ferrum. Caratteristica principale Queste sostanze sono in grado di mantenere la magnetizzazione in assenza di un campo magnetico esterno. Tutti i magneti permanenti appartengono alla classe dei ferromagneti. Oltre al ferro, i suoi "vicini" sulla tavola periodica - cobalto e nichel - hanno proprietà ferromagnetiche. I ferromagneti trovano ampio applicazione pratica nella scienza e nella tecnologia, quindi è stato sviluppato un numero significativo di leghe con varie proprietà ferromagnetiche.

Tutti gli esempi di ferromagneti forniti si riferiscono a metalli del gruppo di transizione, guscio elettronico che contiene diversi elettroni spaiati, il che porta al fatto che questi atomi hanno un proprio campo magnetico significativo. IN stato cristallino A causa dell'interazione tra gli atomi nei cristalli, si formano aree di magnetizzazione spontanea - domini. Le dimensioni di questi domini sono decimi e centesimi di millimetro (10 -4 − 10 -5 m), che superano notevolmente la dimensione di un singolo atomo (10 -9 m). All'interno di un dominio, i campi magnetici degli atomi sono orientati strettamente paralleli, l'orientamento dei campi magnetici di altri domini in assenza di un campo magnetico esterno cambia arbitrariamente (Fig. 5).

Riso. 5

Pertanto, anche in uno stato non magnetizzato, all'interno di un ferromagnete esistono forti campi magnetici, il cui orientamento cambia in modo casuale e caotico durante la transizione da un dominio all'altro. Se le dimensioni di un corpo superano significativamente le dimensioni dei singoli domini, allora il campo magnetico medio creato dai domini di questo corpo è praticamente assente.

Se posizioni un ferromagnete in un campo magnetico esterno B0 , allora i momenti magnetici dei domini cominciano a riorganizzarsi. Tuttavia, non si verifica la rotazione spaziale meccanica delle sezioni della sostanza. Il processo di inversione della magnetizzazione è associato a un cambiamento nel movimento degli elettroni, ma non a un cambiamento nella posizione degli atomi nei nodi reticolo cristallino. I domini che hanno l'orientamento più favorevole rispetto alla direzione del campo aumentano la loro dimensione a scapito dei domini vicini “erroneamente orientati”, assorbendoli. In questo caso, il campo nella sostanza aumenta in modo abbastanza significativo.

Proprietà dei ferromagneti

1) le proprietà ferromagnetiche di una sostanza compaiono solo quando si trova la sostanza corrispondente V stato cristallino ;

2) le proprietà magnetiche dei ferromagneti dipendono fortemente dalla temperatura, poiché l'orientamento dei campi magnetici dei domini è impedito dal movimento termico. Per ogni ferromagnete esiste una certa temperatura alla quale la struttura del dominio viene completamente distrutta e il ferromagnete si trasforma in un paramagnete. Questo valore di temperatura è chiamato Punto di curie . Quindi per il ferro puro la temperatura di Curie è di circa 900°C;

3) i ferromagneti sono magnetizzati fino a saturazione in campi magnetici deboli. La Figura 6 mostra come cambia il modulo di induzione del campo magnetico B in acciaio con variazione di campo esterno B0 :

Riso. 6

4) la permeabilità magnetica di un ferromagnete dipende dal campo magnetico esterno (Fig. 7).

Riso. 7

Ciò è spiegato dal fatto che inizialmente, con un aumento B0 induzione magnetica B diventa più forte, e quindi μ aumenterà. Quindi, al valore dell'induzione magnetica B"0 avviene la saturazione (μ in questo momento è massima) e con ulteriore aumento B0 induzione magnetica B1 nella sostanza cessa di cambiare e la permeabilità magnetica diminuisce (tende a 1):

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

5) i ferromagneti mostrano una magnetizzazione residua. Se ad esempio si inserisce un'asta ferromagnetica in un solenoide percorso da corrente e si magnetizza fino a saturazione (punto UN) (Fig. 8), quindi ridurre la corrente nel solenoide e con esso B0 , allora si può notare che il campo indotto nell'asta durante il processo di smagnetizzazione rimane sempre maggiore che durante il processo di magnetizzazione. Quando B0 = 0 (la corrente nel solenoide è spenta), l'induzione sarà uguale a Br (induzione residua). L'asta può essere rimossa dal solenoide e utilizzata come magnete permanente. Per smagnetizzare definitivamente l'asta, è necessario far passare una corrente nella direzione opposta attraverso il solenoide, cioè applicare un campo magnetico esterno con la direzione opposta del vettore di induzione. Ora aumentando il modulo di induzione di questo campo a B occ , smagnetizzare l'asta ( B = 0).

• Modulo B occ viene chiamata l'induzione di un campo magnetico che smagnetizza un ferromagnete magnetizzato forza coercitiva .

Riso. 8

Con ulteriore aumento B0 è possibile magnetizzare l'asta fino a saturazione (punto UN" ).

Riducendo adesso B0 a zero otteniamo di nuovo un magnete permanente, ma con induzione –Br (direzione opposta). Per smagnetizzare nuovamente l'asta, la corrente nella direzione originale deve essere riattivata nel solenoide e l'asta si smagnetizza quando l'induzione B0 diventeranno uguali B occ . Continuando ad aumentare I B0 , magnetizzare nuovamente la barretta fino a saturazione (punto UN ).

Pertanto, quando si magnetizza e smagnetizza un ferromagnete, l'induzione B resta indietro B 0. Questo ritardo si chiama fenomeno dell'isteresi . La curva mostrata nella Figura 8 si chiama ciclo di isteresi .

Isteresi (Greco ὑστέρησις - "in ritardo") - una proprietà dei sistemi che non seguono immediatamente le forze applicate.

La forma della curva di magnetizzazione (ciclo di isteresi) varia in modo significativo per i diversi materiali ferromagnetici, che si sono rivelati molto ampia applicazione nelle applicazioni scientifiche e tecniche. Alcuni materiali magnetici hanno un ampio anello valori elevati magnetizzazione residua e forza coercitiva, come vengono chiamati magneticamente duro e vengono utilizzati per realizzare magneti permanenti. Altre leghe ferromagnetiche sono caratterizzate da bassi valori di forza coercitiva, tali materiali sono facilmente magnetizzati e rimagnetizzati anche in campi deboli; Tali materiali sono chiamati magneticamente morbido e sono utilizzati in vari dispositivi elettrici: relè, trasformatori, circuiti magnetici, ecc.

Letteratura

1. Aksenovich L. A. Fisica in Scuola superiore: Teoria. Incarichi. Test: libro di testo. benefici per gli istituti che forniscono istruzione generale. ambiente, educazione / 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. Fisica: libro di testo. indennità per l'11° grado. istruzione generale scuola dal russo lingua formazione / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - pp. 291-297.
3. Slobodyanyuk A.I. Fisica 10. §13 Interazione del campo magnetico con la materia

Note

1. Consideriamo la direzione del vettore di induzione del campo magnetico solo al centro del circuito.