Permeabilità magnetica del legno. Materiali magnetici

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

Se conduci un esperimento con un solenoide collegato a un galvanometro balistico, quando accendi la corrente nel solenoide, puoi determinare il valore 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 è pieno di ferro, cioè l'avvolgimento è 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

Il valore $\mu$, che caratterizza proprietà magnetiche ambiente 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 correlata 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.

Suscettibilità 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:

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

Facciamo i calcoli:

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

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

Permeabilità magnetica assoluta – si tratta di un coefficiente di proporzionalità che tiene conto dell'influenza dell'ambiente in cui si trovano i cavi.

Per avere un'idea delle proprietà magnetiche del mezzo, abbiamo confrontato il campo magnetico attorno a un filo con la corrente in un dato mezzo con il campo magnetico attorno allo stesso filo, ma situato nel vuoto. Si è riscontrato che in alcuni casi il campo è più intenso che nel vuoto, in altri lo è meno.

Ci sono:

v Materiali paramagnetici e ambienti in cui si ottiene un MF più forte (sodio, potassio, alluminio, platino, manganese, aria);

v Materiali diamagnetici e ambienti in cui il campo magnetico è più debole (argento, mercurio, acqua, vetro, rame);

v Materiali ferromagnetici in cui viene creato il campo magnetico più forte (ferro, nichel, cobalto, ghisa e loro leghe).

Permeabilità magnetica assoluta per sostanze diverse ha dimensioni diverse.

Costante magnetica – Questa è la permeabilità magnetica assoluta del vuoto.

Permeabilità magnetica relativa del mezzo- una quantità adimensionale che mostra quante volte la permeabilità magnetica assoluta di una sostanza è maggiore o minore della costante magnetica:

Per le sostanze diamagnetiche - , per le sostanze paramagnetiche - (per i calcoli tecnici dei corpi diamagnetici e paramagnetici è considerato uguale all'unità), per i materiali ferromagnetici - .

Tensione MP N caratterizza le condizioni per l'eccitazione MF. L'intensità in un mezzo omogeneo non dipende dalle proprietà magnetiche della sostanza in cui viene creato il campo, ma tiene conto dell'influenza dell'intensità della corrente e della forma dei conduttori sull'intensità del campo magnetico ad un dato punto.

L'intensità MF è una quantità vettoriale. Direzione del vettore N per mezzi isotropi (mezzi con identiche proprietà magnetiche in tutte le direzioni) , coincide con la direzione del campo magnetico o del vettore in un dato punto.

L'intensità del campo magnetico creato da varie sorgenti è mostrata in Fig. 13.

Il flusso magnetico è numero totale linee magnetiche passanti per tutta la superficie considerata. Flusso magnetico F o flusso MI attraverso l'area S , perpendicolare linee magnetiche uguale al prodotto dell'induzione magnetica IN dalla quantità di area penetrata da questo flusso magnetico.

42) Quando un nucleo di ferro viene introdotto in una bobina, il campo magnetico aumenta e il nucleo si magnetizza. Questo effetto è stato scoperto da Ampere. Scoprì inoltre che l'induzione di un campo magnetico in una sostanza può essere maggiore o minore dell'induzione del campo stesso. Tali sostanze vennero chiamate magneti.

Magnetici– si tratta di sostanze che possono modificare le proprietà di un campo magnetico esterno.

Permeabilità magnetica la sostanza è determinata dal rapporto:

B 0 è l'induzione del campo magnetico esterno, B è l'induzione all'interno della sostanza.

A seconda del rapporto tra B e B 0, le sostanze sono divise in tre tipi:

1) Diamagneti(M<1), к ним относятся elementi chimici: Cu, Ag, Au, Hg. La permeabilità magnetica m=1-(10 -5 - 10 -6) differisce leggermente dall'unità.

Questa classe di sostanze è stata scoperta da Faraday. Queste sostanze vengono “spinte” fuori dal campo magnetico. Se appendi un'asta diamagnetica vicino al polo di un forte elettromagnete, ne verrà respinta. Le linee di induzione del campo e del magnete sono quindi dirette in direzioni diverse.

2) Paramagneti hanno una permeabilità magnetica m>1, e in questo caso supera anche di poco l'unità: m=1+(10 -5 - 10 -6). Questo tipo di materiale magnetico comprende gli elementi chimici Na, Mg, K, Al.

La permeabilità magnetica dei materiali paramagnetici dipende dalla temperatura e diminuisce all'aumentare di questa. Senza un campo magnetizzante, i materiali paramagnetici non creano il proprio campo magnetico. In natura non esistono paramagneti permanenti.

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

Queste sostanze possono trovarsi in uno stato magnetizzato senza un campo esterno. Esistenza magnetismo residuo una delle proprietà importanti dei ferromagneti. Quando riscaldato a alta temperatura le proprietà ferromagnetiche della sostanza scompaiono. Viene chiamata la temperatura alla quale queste proprietà scompaiono Temperatura di Curie(ad esempio per il ferro T Curie = 1043 K).

A temperature inferiori al punto di Curie, un ferromagnete è costituito da domini. Domini– si tratta di aree di magnetizzazione spontanea spontanea (Fig. 9.21). La dimensione del dominio è di circa 10 -4 -10 -7 m. L'esistenza dei magneti è dovuta alla comparsa di regioni di magnetizzazione spontanea nella materia. Un magnete di ferro può conservare a lungo le sue proprietà magnetiche, poiché i domini in esso contenuti sono disposti in modo ordinato (predomina una direzione). Le proprietà magnetiche scompariranno se il magnete viene colpito con forza o riscaldato troppo. Come risultato di queste influenze, i domini diventano “disordinati”.

Fig.9.21. La forma dei domini: a) in assenza di campo magnetico, b) in presenza di campo magnetico esterno.

I domini possono essere rappresentati come correnti chiuse in microvolumi di materiali magnetici. Il dominio è ben illustrato nella Figura 9.21, da cui si può vedere che la corrente nel dominio si muove lungo un anello chiuso spezzato. Le correnti di elettroni chiusi portano alla comparsa di un campo magnetico perpendicolare al piano orbitale dell'elettrone. In assenza di un campo magnetico esterno, il campo magnetico dei domini è diretto in modo caotico. Questo campo magnetico cambia direzione sotto l'influenza di un campo magnetico esterno. I magneti, come già notato, sono divisi in gruppi a seconda di come il campo magnetico del dominio reagisce all'azione di un campo magnetico esterno. Nei materiali diamagnetici, il campo magnetico Di più domini è diretto nella direzione opposta all'azione del campo magnetico esterno e, nei materiali paramagnetici, al contrario, nella direzione dell'azione del campo magnetico esterno. Tuttavia, il numero di domini i cui campi magnetici sono diretti in direzioni opposte differisce di poco. Pertanto, la permeabilità magnetica m nei dia- e nei paramagneti differisce dall'unità di una quantità dell'ordine di 10 -5 - 10 -6. Nei ferromagneti il numero di domini con un campo magnetico nella direzione del campo esterno è molte volte maggiore del numero di domini con la direzione opposta del campo magnetico.

Curva di magnetizzazione. Ciclo di isteresi. Il fenomeno della magnetizzazione è dovuto all'esistenza di magnetismo residuo sotto l'azione di un campo magnetico esterno su una sostanza.

Isteresi magneticaè il fenomeno del ritardo nelle variazioni dell'induzione magnetica in un ferromagnete rispetto alle variazioni dell'intensità del campo magnetico esterno.

La Figura 9.22 mostra la dipendenza del campo magnetico in una sostanza dal campo magnetico esterno B=B(B 0). Inoltre, lungo l'asse del Bue hanno messo campo esterno, lungo l'asse Oy – la magnetizzazione della sostanza. Un aumento del campo magnetico esterno porta ad un aumento del campo magnetico nella sostanza lungo la linea fino a un valore. La riduzione del campo magnetico esterno a zero porta ad una diminuzione del campo magnetico nella sostanza (nel punto Con) al valore Verso est(magnetizzazione residua, il cui valore è maggiore di zero). Questo effetto è una conseguenza del ritardo nella magnetizzazione del campione.

Il valore di induzione del campo magnetico esterno richiesto per la completa smagnetizzazione della sostanza (punto d in Fig. 9.21) è chiamato forza coercitiva. Il valore zero della magnetizzazione del campione si ottiene modificando la direzione del campo magnetico esterno in un valore. Continuando ad aumentare il campo magnetico esterno nella direzione opposta al valore massimo, lo portiamo al valore. Quindi, cambiamo la direzione del campo magnetico, aumentandolo nuovamente al valore. In questo caso la nostra sostanza rimane magnetizzata. Solo l'entità dell'induzione del campo magnetico ha la direzione opposta rispetto al valore nel punto. Continuando ad aumentare il valore dell'induzione magnetica nella stessa direzione, otteniamo la completa smagnetizzazione della sostanza nel punto , per poi ritrovarci di nuovo nel punto . Pertanto, otteniamo una funzione chiusa che descrive il ciclo di completa inversione della magnetizzazione. Viene chiamata tale dipendenza dell'induzione del campo magnetico di un campione dall'entità del campo magnetico esterno durante un ciclo di completa inversione della magnetizzazione ciclo di isteresi. La forma del ciclo di isteresi è una delle caratteristiche principali di qualsiasi sostanza ferromagnetica. Tuttavia è impossibile arrivare al punto in questo modo.

Al giorno d'oggi è abbastanza facile ottenere forti campi magnetici. Un gran numero di impianti e dispositivi funzionano su magneti permanenti. Raggiungono campi di 1 – 2 T a temperatura ambiente. In piccoli volumi, i fisici hanno imparato a ottenere campi magnetici costanti fino a 4 Tesla, utilizzando leghe speciali per questo scopo. A basse temperature, nell'ordine della temperatura dell'elio liquido, si ottengono campi magnetici superiori a 10 Tesla.

43) Legge dell'induzione elettromagnetica (legge di Faraday-Maxwell). Le regole di Lenz

Riassumendo i risultati dei suoi esperimenti, Faraday formulò la legge dell'induzione elettromagnetica. Ha dimostrato che con qualsiasi cambiamento nel flusso magnetico in un circuito conduttivo chiuso, viene eccitata una corrente di induzione. Di conseguenza, nel circuito si verifica una fem indotta.

La fem indotta è direttamente proporzionale alla velocità di variazione del flusso magnetico nel tempo. La notazione matematica di questa legge è stata elaborata da Maxwell e per questo è chiamata legge di Faraday-Maxwell (legge dell'induzione elettromagnetica).

Esistono correnti circolari microscopiche ( correnti molecolari). Questa idea venne poi confermata, dopo la scoperta dell'elettrone e della struttura dell'atomo: queste correnti sono create dal movimento degli elettroni attorno al nucleo e, poiché sono orientate nello stesso modo, complessivamente formano un campo interno e attorno al magnete.

Sull'immagine UN i piani in cui si trovano le correnti elettriche elementari sono orientati in modo casuale a causa del caotico movimento termico degli atomi e la sostanza non presenta proprietà magnetiche. In uno stato magnetizzato (sotto l'influenza, ad esempio, di un campo magnetico esterno) (Fig B) questi piani sono orientati in modo identico e le loro azioni sono riassunte.

Permeabilità magnetica.

La reazione del mezzo all'influenza di un campo magnetico esterno con induzione B0 (campo nel vuoto) è determinata dalla suscettibilità magnetica μ :

Dove IN— induzione del campo magnetico in una sostanza. La permeabilità magnetica è simile alla costante dielettrica ɛ .

In base alle loro proprietà magnetiche, le sostanze sono suddivise in materiali diamagnetici, paramagneti E ferromagnets. Per i materiali diamagnetici il coefficiente μ , che caratterizza le proprietà magnetiche del mezzo, è inferiore all'unità (ad esempio, per il bismuto μ = 0,999824); nei materiali paramagnetici μ > 1 (per platino μ -1.00036); nei ferromagneti μ ≫ 1 (ferro, nichel, cobalto).

I diamagneti vengono respinti da un magnete, i materiali paramagnetici ne sono attratti. Per queste caratteristiche possono essere distinti l'uno dall'altro. Per molte sostanze, la permeabilità magnetica è quasi uguale all'unità, ma per i ferromagneti la supera notevolmente, raggiungendo diverse decine di migliaia di unità.

Ferromagneti.

I ferromagneti mostrano le proprietà magnetiche più forti. I campi magnetici creati dai ferromagneti sono molto più forti del campo magnetizzante esterno. È vero, i campi magnetici dei ferromagneti non vengono creati come risultato della rotazione degli elettroni attorno ai nuclei - momento magnetico orbitale, e a causa della rotazione dell'elettrone - il suo momento magnetico, chiamato rotazione.

Temperatura di Curie ( TCon) è la temperatura al di sopra della quale i materiali ferromagnetici perdono le loro proprietà magnetiche. È diverso per ogni ferromagnete. Ad esempio, per il ferro Ts= 753 °C, per il nichel Ts= 365 °C, per il cobalto Ts= 1000°C. Ci sono leghe ferromagnetiche in cui Ts < 100 °С.

I primi studi dettagliati sulle proprietà magnetiche dei ferromagneti furono condotti dall'eccezionale fisico russo A. G. Stoletov (1839-1896).

I ferromagneti sono ampiamente utilizzati: come magneti permanenti (negli strumenti di misura elettrici, altoparlanti, telefoni, ecc.), nuclei di acciaio nei trasformatori, generatori, motori elettrici (per potenziare il campo magnetico e risparmiare elettricità). I nastri magnetici, realizzati con materiali ferromagnetici, registrano suoni e immagini per registratori e videoregistratori. Le informazioni vengono registrate su sottili pellicole magnetiche per i dispositivi di memorizzazione nei computer elettronici.

Chiamata permeabilità magnetica . Magnetico assolutopermeabilità l'ambiente è il rapporto tra B e H. Secondo Sistema internazionale unità si misura in unità chiamate 1 henry per metro.

Valore numericoè espresso dal rapporto tra il suo valore e il valore della permeabilità magnetica del vuoto ed è indicato con µ. Questo valore è chiamato relativo magneticopermeabilità(o semplicemente permeabilità magnetica) dell'ambiente. Essendo una quantità relativa, non ha un'unità di misura.

Di conseguenza, la permeabilità magnetica relativa µ è un valore che mostra quante volte l'induzione del campo di un dato mezzo è inferiore (o maggiore) dell'induzione di un campo magnetico nel vuoto.

Quando una sostanza è esposta a un campo magnetico esterno, si magnetizza. Come avviene questo? Secondo l'ipotesi di Ampere, in ogni sostanza circolano costantemente correnti elettriche microscopiche, causate dal movimento degli elettroni nelle loro orbite e dalla presenza dei propri. In condizioni normali, questo movimento è disordinato ei campi si “spengono” (si compensano). . Quando un corpo è posto in un campo esterno, le correnti vengono ordinate e il corpo viene magnetizzato (cioè ha un proprio campo).

La permeabilità magnetica di tutte le sostanze è diversa. In base alle sue dimensioni, le sostanze possono essere divise in tre grandi gruppi.

U materiali diamagnetici il valore della permeabilità magnetica µ è leggermente inferiore all'unità. Ad esempio, il bismuto ha µ = 0,9998. I diamagneti includono zinco, piombo, quarzo, rame, vetro, idrogeno, benzene e acqua.

Permeabilità magnetica paramagnetico poco più di uno (per l'alluminio µ = 1.000023). Esempi di materiali paramagnetici sono nichel, ossigeno, tungsteno, ebanite, platino, azoto, aria.

Infine, il terzo gruppo comprende una serie di sostanze (principalmente metalli e leghe), la cui permeabilità magnetica supera significativamente (diversi ordini di grandezza) l'unità. Queste sostanze sono ferromagneti. Ciò include principalmente nichel, ferro, cobalto e loro leghe. Per l'acciaio µ = 8∙10^3, per una lega di nichel con ferro µ=2,5∙10^5. I ferromagneti hanno proprietà che li distinguono dalle altre sostanze. Innanzitutto, hanno magnetismo residuo. In secondo luogo, la loro permeabilità magnetica dipende dall'entità dell'induzione del campo esterno. In terzo luogo, per ciascuno di essi esiste una certa soglia di temperatura, chiamata Punto di curie, in cui perde le sue proprietà ferromagnetiche e diventa paramagnetico. Per il nichel il punto Curie è 360°C, per il ferro - 770°C.

Le proprietà dei ferromagneti sono determinate non solo dalla permeabilità magnetica, ma anche dal valore di I, chiamato magnetizzazione di questa sostanza. Questa è una complessa funzione non lineare dell'induzione magnetica; l'aumento della magnetizzazione è descritto da una linea chiamata curva di magnetizzazione. In questo caso, raggiunto un certo punto, la magnetizzazione praticamente smette di crescere (i saturazione magnetica). Viene chiamato il ritardo tra il valore di magnetizzazione di un ferromagnete rispetto al valore crescente dell'induzione del campo esterno isteresi magnetica. In questo caso, le caratteristiche magnetiche del ferromagnete dipendono non solo dal suo stato attuale, ma anche dalla sua precedente magnetizzazione. Si chiama la rappresentazione grafica della curva di questa dipendenza ciclo di isteresi.

Grazie alle loro proprietà, i ferromagneti sono ampiamente utilizzati nella tecnologia. Sono utilizzati nei rotori di generatori e motori elettrici, nella fabbricazione di nuclei di trasformatori e nella produzione di parti per computer elettronici. I ferromagneti sono utilizzati nei registratori, nei telefoni, nei nastri magnetici e in altri supporti.

Numerosi esperimenti indicano che tutte le sostanze poste in un campo magnetico vengono 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 risultante dalla 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 è chiamato 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 senso opposto 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 del 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 del campo esterno, l'induzione del campo totale sarà maggiore del campo esterno (Fig. 3, a) - in questo caso diciamo che la sostanza amplifica 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 uso pratico 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 crescerà. 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 la corrente attraverso il solenoide direzione opposta, 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 il 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 si magnetizzano e rimagnetizzano facilmente anche in campi deboli. Tali materiali sono chiamati magneticamente morbido e sono utilizzati in vari dispositivi elettrici: relè, trasformatori, circuiti magnetici, ecc.

Letteratura

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