Magnetisk permeabilitet av luft enn stål. Materiens magnetiske egenskaper

Alle stoffer er magnetiske og magnetiseres i et eksternt magnetfelt.

Basert på deres magnetiske egenskaper deles materialer inn i svakt magnetiske ( diamagnetiske materialer Og paramagneter) og svært magnetisk ( ferromagneter Og ferrimagneter).

Diamagneterμ r < 1, значение которой не зависит от напряженности внешнего magnetfelt. Diamagneter er stoffer hvis atomer (molekyler) i fravær av et magnetiserende felt har et magnetisk moment lik null: hydrogen, inerte gasser, de fleste organiske forbindelser og noen metaller ( Cu, Zn, Ag, Au, Hg), så vel som I Jeg, Ga, Sb.

Paramagneter– stoffer med magnetisk permeabilitetμ r> 1, som er svake felt er ikke avhengig av styrken til det eksterne magnetfeltet. Paramagnetiske stoffer inkluderer stoffer hvis atomer (molekyler) i fravær av et magnetiserende felt har et magnetisk moment forskjellig fra null: oksygen, nitrogenoksid, salter av jern, kobolt, nikkel og sjeldne jordartsmetaller, alkalimetaller, aluminium, platina.

Diamagnetiske og paramagnetiske materialer har magnetisk permeabilitetμ rer nær enhet. Anvendelse i teknologi som magnetiske materialer er begrenset.

I svært magnetiske materialer er den magnetiske permeabiliteten betydelig større enn enhet (μ r >> 1) og avhenger av magnetfeltstyrken. Disse inkluderer: jern, nikkel, kobolt og deres legeringer, samt legeringer av krom og mangan, gadolinium, ferritter av forskjellige sammensetninger.

6.1. Magnetiske egenskaper til materialer

De magnetiske egenskapene til materialer vurderes av fysiske størrelser kalt magnetiske egenskaper.

Magnetisk permeabilitet

Skille slektning Og absolutt magnetiske permeabiliteter stoffer (materialer) som er sammenkoblet av forholdet

μa = μ o ·μ, Gn/m

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

μ – relativ magnetisk permeabilitet (dimensjonsløs mengde).

Relativ magnetisk permeabilitet brukes til å beskrive egenskapene til magnetiske materialer.μ (oftere kalt magnetisk permeabilitet), og for praktiske beregninger brukes absolutt magnetisk permeabilitetμa, beregnet av ligningen

μa = I /N,Gn/m

N– intensiteten til det magnetiserende (eksterne) magnetfeltet, A/m

I – magnetfeltinduksjon i en magnet.

Stor verdiμ viser at materialet lett magnetiseres i svake og sterke magnetfelt. Den magnetiske permeabiliteten til de fleste magneter avhenger av styrken til det magnetiserende magnetfeltet.

For å karakterisere magnetiske egenskaper kalles en dimensjonsløs mengde magnetisk følsomhet χ .

μ = 1 + χ

Temperaturkoeffisient for magnetisk permeabilitet

De magnetiske egenskapene til et stoff avhenger av temperaturenμ = μ (T) .

For å beskrive endringens naturmagnetiske egenskaper med temperaturbruk temperaturkoeffisienten for magnetisk permeabilitet.

Avhengighet av den magnetiske følsomheten til paramagnetiske materialer av temperaturTbeskrevet av Curies lov

Hvor C - Curie konstant .

Magnetiske egenskaper til ferromagneter

Avhengigheten av de magnetiske egenskapene til ferromagneter har mer kompleks natur, vist i figuren, og når et maksimum ved en temperatur nærQ Til.

Temperaturen der den magnetiske følsomheten synker kraftig, nesten til null, kalles Curie-temperaturen -Q Til. Ved høyere temperaturerQ Til prosessen med magnetisering av en ferromagnet blir forstyrret på grunn av den intense termiske bevegelsen av atomer og molekyler, og materialet slutter å være ferromagnetisk og blir paramagnetisk.

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

Over Curie-temperaturen, avhengigheten av den magnetiske følsomheten til en ferromagnet av temperaturenTbeskrevet av Curie-Weiss-loven

Prosessen med magnetisering av høymagnetiske materialer (ferromagneter) har hysterese. Hvis en avmagnetisert ferromagnet magnetiseres i et eksternt felt, blir den magnetisert iht magnetiseringskurve B = B(H) . Hvis da, med utgangspunkt i en verdiHbegynne å redusere feltstyrken, deretter induksjonBvil avta med noe forsinkelse ( hysterese) i forhold til magnetiseringskurven. Etter hvert som feltet øker motsatt retning ferromagneten er da avmagnetisert remagnetiserer, og med en ny endring i magnetfeltets retning, kan det gå tilbake til utgangspunktet der avmagnetiseringsprosessen startet. Den resulterende løkken vist i figuren kalles hystereseløkke.

Med en viss maksimal spenningN m magnetiseringsfelt, magnetiseres stoffet til en metningstilstand, der induksjonen når verdienI N, som kallesinduksjon av metning.

Resterende magnetisk induksjon I OM – observert i et ferromagnetisk materiale, magnetisert til metning, under dets avmagnetisering, når magnetfeltstyrken er null. For å avmagnetisere en materialprøve, må magnetfeltstyrken endre retning til motsatt retning (-N). FeltstyrkeN TIL , hvor induksjon er lik null, kalles tvangskraft(holdekraft) .

Magnetiseringsreversering av en ferromagnet i vekslende magnetiske felt er alltid ledsaget av termiske energitap, som er forårsaket av tap av hysterese Og dynamiske tap. Dynamiske tap er assosiert med virvelstrømmer indusert i volumet av materialet og er avhengig av elektrisk motstand materiale, avtar med økende motstand. Tap av hystereseW i en bestemt av området til hystereseløkken

og kan beregnes for en enhetsvolum av et stoff ved hjelp av den empiriske formelen

J/m 3

Hvor η – koeffisient avhengig av materialet,B N – maksimal induksjon oppnådd i løpet av syklusen,n– eksponent lik 1,6 avhengig av materialet¸ 2.

Spesifikke energitap på grunn av hysterese R G – tap brukt på magnetiseringsreversering av en masseenhet per volumenhet materiale per sekund.

Hvor f – AC frekvens,T– svingningsperiode.

Magnetostriksjon

Magnetostriksjon – fenomenet endringer i de geometriske dimensjonene og formen til en ferromagnet når størrelsen på magnetfeltet endres, dvs. når magnetisert. Relativ endring i materialdimensjonerΔ l/ lkan være positiv og negativ. For nikkel er magnetostriksjonen mindre enn null og når en verdi på 0,004 %.

I samsvar med Le Chateliers prinsipp om å motvirke systemets påvirkning eksterne faktorer, som søker å endre denne tilstanden, bør mekanisk deformasjon av ferromagneten, som fører til en endring i størrelsen, påvirke magnetiseringen av disse materialene.

Hvis et legeme under magnetisering opplever en reduksjon i størrelsen i en gitt retning, vil påføringen av en mekanisk trykkspenning i denne retningen fremme magnetisering, og strekking gjør magnetisering vanskelig.

6.2. Klassifisering av ferromagnetiske materialer

Alle ferro magnetiske materialer Basert på deres oppførsel i et magnetfelt deles de inn i to grupper.

Myk magnetisk – med høy magnetisk permeabilitetμ og lav tvangskraftN TIL< 10Er. De kan lett magnetiseres og avmagnetiseres. De har lave hysterese-tap, dvs. smal hystereseløkke.

Magnetiske egenskaper avhenger av den kjemiske renheten og graden av forvrengning av krystallstrukturen. Jo mindre urenheter(MED, R, S, O, N) , jo høyere nivå av egenskaper til materialet, derfor er det nødvendig å fjerne dem og oksider under produksjonen av en ferromagnet, og prøv å ikke forvrenge den krystallinske strukturen til materialet.

Harde magnetiske materialer – ha det flottN K > 0,5 MA/m og gjenværende induksjon (I OM ≥ 0,1T). De tilsvarer en bred hystereseløkke. De magnetiseres med stor vanskelighet, men de kan beholde magnetisk energi i flere år, d.v.s. tjene som en kilde til konstant magnetfelt. Derfor lages permanente magneter av dem.

Basert på deres sammensetning er alle magnetiske materialer delt inn i:

· metall;

· ikke-metallisk;

· magnetoelektrikk.

Metallmagnetiske materialer - dette er rene metaller (jern, kobolt, nikkel) og magnetiske legeringer av noen metaller.

Til ikke-metallisk materialer inkluderer ferritter, hentet fra pulver av jernoksider og andre metaller. De presses og brennes ved 1300 - 1500 °C og de blir til solide monolittiske magnetiske deler. Ferritter, som metallmagnetiske materialer, kan være myke magnetiske eller harde magnetiske.

Magnetoelektrikk – disse er komposittmaterialer fra 60–80 % pulverisert magnetisk materiale og 40–20 % organisk dielektrisk. Ferritter og magnetoelektrikk ha veldig viktig elektrisk resistivitet (ρ = 10 ÷ 10 8 Ohm m), den høye motstanden til disse materialene sikrer lave dynamiske energitap i vekslende elektromagnetiske felt og gjør at de kan brukes mye i høyfrekvent teknologi.

6.3. Metallmagnetiske materialer

6.3.1. Metall myk magnetisk materialer

Metalliske myke magnetiske materialer inkluderer karbonyljern, permalloy, alsifer og lavkarbon silisiumstål.

Karbonyljern – oppnådd ved termisk dekomponering av jernpentakarbonylvæskeF e( CO) 5 for å oppnå partikler av rent pulverisert jern:

F e( CO) 5 → Fe+ 5 СО,

ved en temperatur på ca 200°Cog trykk 15 MPa. Jernpartikler har en sfærisk form med en størrelse på 1 – 10 mikron. For å fjerne karbonpartikler blir jernpulver utsatt for varmebehandling i et miljø N 2 .

Den magnetiske permeabiliteten til karbonyljern når 20 000, tvangskraften er 4,5¸ 6,2Er. Jernpulver brukes til å lage høyfrekvente magnetoelektrisk kjerner, som fyllstoff i magnetbånd.

Permalloi –duktile jern-nikkel-legeringer. For å forbedre egenskaper, legg til Mo, MED r, Cu, produsere dopede permalloys. De har høy duktilitet og rulles enkelt til ark og strimler opp til 1 mikron.

Hvis nikkelinnholdet i permalloy er 40 - 50%, kalles det lavt nikkel, hvis 60 - 80% - høy nikkel.

Permalloys har høy level magnetiske egenskaper, som sikres ikke bare av sammensetningen og høy kjemisk renhet av legeringen, men også av spesiell termisk vakuumbehandling. Permalloys har et veldig høyt nivå av initial magnetisk permeabilitet fra 2000 til 30000 (avhengig av sammensetning) i området med svake felt, noe som skyldes den lave magnetostriksjonen og isotropien til magnetiske egenskaper. Spesielt høy ytelse har en supermalloy, hvis initiale magnetiske permeabilitet er 100 000, og maksimum når 1,5· 10 6 kl B= 0,3 T.

Permalloy leveres i form av strimler, ark og stenger. Lav-nikkel permalloys brukes til fremstilling av induktorkjerner, små transformatorer og magnetiske forsterkere, høy nikkel permalloi – for utstyrsdeler som opererer ved soniske og supersoniske frekvenser. De magnetiske egenskapene til permalloys er stabile ved –60 +60°C.

Alsifera – ikke formbar skjør legeringer med sammensetning Al – Si– Fe , bestående av 5,5 – 13 %Al, 9 – 10 % Si, resten er jern. Alsifer ligner i egenskaper permalloy, men er billigere. Støpte kjerner er laget av det, magnetiske skjermer og andre hule deler med en veggtykkelse på minst 2 - 3 mm støpes. Skjørheten til alsifer begrenser bruksområdene. Ved å utnytte skjørheten til alsifer males den til pulver, som brukes som ferromagnetisk fyllstoff i presset høyfrekvens magnetoelektrikk(kjerner, ringer).

Silisium lavkarbonstål (elektrisk stål) – legering av jern og silisium (0,8 - 4,8 %Si). Det viktigste myke magnetiske materialet for massebruk. Det rulles enkelt til ark og strimler på 0,05 - 1 mm og er et billig materiale. Silisium, funnet i stål i oppløst tilstand, utfører to funksjoner.

· Ved å øke motstanden til stål, forårsaker silisium en reduksjon i dynamiske tap knyttet til virvelstrømmer. Motstanden øker pga silika dannelse SiO 2 som et resultat av reaksjonen

2 FeO + S i→ 2Fe+ SiO 2 .

· Tilstedeværelsen av silisium oppløst i stål fremmer nedbrytningen av sementitt Fe 3 C – skadelige urenheter som reduserer magnetiske egenskaper, og frigjøring av karbon i form av grafitt. I dette tilfellet dannes rent jern, hvorav veksten av krystaller øker nivået av magnetiske egenskaper til stål.

Innføring av silisium i stål i en mengde som overstiger 4,8 % anbefales ikke, siden silisium, mens det bidrar til å forbedre magnetiske egenskaper, kraftig øker stålets sprøhet og reduserer den. mekaniske egenskaper.

6.3.2. Metalliske harde magnetiske materialer

Harde magnetiske materialer - dette er ferromagneter med høy tvangskraft (mer enn 1 kA/m) og en stor verdi av gjenværende magnetisk induksjonI OM. Brukes til fremstilling av permanente magneter.

Avhengig av sammensetning, tilstand og produksjonsmetode, er de delt inn i:

· legert martensittisk stål;

· støpte harde magnetiske legeringer.

Legerte martensittiske stål – dette handler om karbonstål og legert stålCr, W, Co, Mo . Karbon stål eldes raskt og endre egenskapene deres, slik at de sjelden brukes til fremstilling av permanente magneter. For fremstilling av permanente magneter brukes legert stål - wolfram og krom (N C ≈ 4800 Er,I O ≈ 1 T), som er produsert i form av stenger med ulike former seksjoner. Koboltstål har en høyere tvangsevne (N C ≈ 12000 Er,I O ≈ 1 T) sammenlignet med wolfram og krom. Tvangskraft N MED koboltstål øker med økende innhold MED O .

Støpte harde magnetiske legeringer. De forbedrede magnetiske egenskapene til legeringene skyldes en spesielt valgt sammensetning og spesialbehandling - kjøling av magnetene etter støping i et sterkt magnetfelt, samt spesiell flertrinns varmebehandling i form av bråkjøling og temperering i kombinasjon med magnetisk behandling, kalt dispersjonsherding.

Tre hovedgrupper av legeringer brukes til fremstilling av permanente magneter:

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

· Legeringsgruppe:

§ kobber - nikkel - jern;

§ kobber - nikkel - kobolt;

§ jern - mangan, legertaluminium eller titan;

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

Legeringen kobber - nikkel - jern kalles kunife (MED u– Ni - Fe). Legering F e– Co – V (jern - kobolt - vanadium) kalles vikala . Legeringer av denne gruppen har en tvangskraft N TIL = 24 – 40 kA/m. Tilgjengelig i tråd- og arkform.

· Legeringssystem jern – nikkel – aluminium(F e – Ni– Al), tidligere kjent som legering alni. Legering inneholder 20 - 33 % Ni + 11 – 17 % Al, resten er jern. Tilsetning av kobolt, kobber, titan, silisium og niob til legeringer forbedrer deres magnetiske egenskaper, letter produksjonsteknologi, sikrer repeterbarhet av parametere og forbedrer mekaniske egenskaper. Moderne merking av merkevaren inneholder bokstaver som indikerer tilsatte metaller (Y - aluminium, N - nikkel, D - kobber, K - kobolt, T - titan, B - niob, C - silisium), tall - innholdet av elementet, bokstaven som vises foran nummeret, for eksempel UNDC15.

Legeringer har høy tvangsverdi N TIL = 40 – 140 kA/m og stor lagret magnetisk energi.

6.4. Ikke-metalliske magnetiske materialer. Ferritter

Ferritter er keramiske ferromagnetiske materialer med lav elektronisk ledningsevne. Lav elektrisk ledningsevne kombinert med høye magnetiske egenskaper gjør at ferritter kan brukes mye i høye frekvenserÅh.

Ferritter er laget av en pulverblanding bestående av jernoksid og spesielt utvalgte oksider av andre metaller. De presses og sintres deretter kl høye temperaturer. Generell kjemisk formel har formen:

MeO Fe 2 O 3 eller MeFe 2 O 4,

Hvor Mehtoverdig metallsymbol.

For eksempel,

ZnO Fe 2 O 3 eller

NiO Fe 2 O 3 eller NiFe 2 O 4

Ferritter har et kubisk spinellgitterMgOAl 2 O 3 - magnesiumaluminat.Ikke alle ferritter er magnetiske. Tilstedeværelsen av magnetiske egenskaper er assosiert med arrangementet av metallioner i det kubiske spinellgitteret. Så systemetZnFe 2 O 4 har ikke ferromagnetiske egenskaper.

Ferritter produseres iht keramisk teknologi. De originale pulveriserte metalloksidene males i kulemøller, presses og brennes i ovner. De sintrede brikettene males til et fint pulver, og en mykner, for eksempel en løsning av polyvinylalkohol, tilsettes. Fra den resulterende massen presses ferrittprodukter - kjerner, ringer, som skytes i luft ved 1000 - 1400 ° C. De resulterende harde, sprø, for det meste sorte produktene kan bare behandles ved sliping og polering.

Myk magnetisk ferritter

Myk magnetiskFerritter er mye brukt innen høyfrekvent elektronikk og instrumentproduksjon for produksjon av filtre, transformatorer for lav- og høyfrekvente forsterkere, antenner for radiosendere og mottaksenheter, pulstransformatorer og magnetiske modulatorer. Produsert av industri følgende typer myke magnetiske ferritter med bred rekkevidde magnetiske og elektriske egenskaper: nikkel - sink, mangan - sink og litium - sink. Den øvre grensefrekvensen for ferrittbruk avhenger av deres sammensetning og varierer med forskjellige merker ferritter fra 100 kHz til 600 MHz, er koerciviteten ca. 16 A/m.

Fordelen med ferritter er stabiliteten til magnetiske egenskaper og den relative enkle produksjonen av radiokomponenter. Som alle ferromagnetiske materialer beholder ferrittene sine magnetiske egenskaper bare opp til Curie-temperaturen, som avhenger av sammensetningen av ferrittene og varierer fra 45 ° til 950 ° C.

Harde magnetiske ferritter

For fremstilling av permanente magneter brukes harde magnetiske ferritter mest (;VaO 6 Fe 2 O 3 ). De har en sekskantet krystallstruktur med storeN TIL . Bariumferritter er et polykrystallinsk materiale. De kan være isotrope - de samme egenskapene til ferritt i alle retninger skyldes det faktum at de krystallinske partiklene er vilkårlig orientert. Hvis, under prosessen med å presse magneter, pulvermassen blir utsatt for et eksternt magnetfelt med høy intensitet, vil de krystallinske ferrittpartiklene bli orientert i én retning, og magneten vil være anisotropisk.

Bariumferritter kjennetegnes ved god stabilitet av sine egenskaper, men er følsomme for temperaturendringer og mekanisk stress. Bariumferrittmagneter er billige.

6.5. Magnetoelektrikk

Magnetoelektrikk - dette er komposittmaterialer som består av fine partikler av mykt magnetisk materiale bundet til hverandre av et organisk eller uorganisk dielektrikum. Karbonyljern, alsifer og noen typer permalloy, knust til pulverform, brukes som myke magnetiske materialer.

Polystyren, bakelittharpikser, flytende glass osv. brukes som dielektrikum.

Hensikten med et dielektrikum er ikke bare å koble partikler av magnetisk materiale, men også å isolere dem fra hverandre, og følgelig å øke den elektriske resistivitetsverdien kraftig. magnetoelektrisk. Elektrisk resistivitetrmagnetoelektrikker 10 3 – 10 4 Ohm× m

Magnetoelektrikkbrukes til fremstilling av kjerner for høyfrekvente radioutstyrskomponenter. Prosessen med å produsere produkter er enklere enn fra ferritter, fordi de krever ikke varmebehandling ved høy temperatur. Produkter fra magnetoelektrikk er preget av høy stabilitet av magnetiske egenskaper, høy klasse overflaterenhet og dimensjonsnøyaktighet.

Magnetoelektrikk fylt med molybdenpermalloy eller karbonyljern har de høyeste magnetiske egenskapene.

Hvis vi i forsøkene beskrevet ovenfor, i stedet for en jernkjerne, tar kjerner fra andre materialer, kan en endring i den magnetiske fluksen også oppdages. Det er mest naturlig å forvente at den mest merkbare effekten vil bli produsert av materialer som i sine magnetiske egenskaper ligner jern, det vil si nikkel, kobolt og noen magnetiske legeringer. Faktisk, når en kjerne laget av disse materialene introduseres i spolen, viser økningen i magnetisk fluks seg å være ganske betydelig. Med andre ord kan vi si at deres magnetiske permeabilitet er høy; for nikkel, for eksempel, kan den nå en verdi på 50, for kobolt 100. Alle disse materialene med store verdier kombinert til en gruppe ferromagnetiske materialer.

Men alle andre "ikke-magnetiske" materialer har også en viss effekt på magnetisk fluks, selv om påvirkningen er betydelig mindre enn for ferromagnetiske materialer. Ved hjelp av svært nøye målinger kan denne endringen oppdages og den magnetiske permeabiliteten kan bestemmes ulike materialer. Det må imidlertid huskes at i eksperimentet beskrevet ovenfor sammenlignet vi den magnetiske fluksen i en spole hvis hulrom er fylt med jern med fluksen i en spole med luft inni. Så lenge vi snakket om så høymagnetiske materialer som jern, nikkel, kobolt, spilte dette ingen rolle, siden tilstedeværelsen av luft har svært liten effekt på den magnetiske fluksen. Men når vi studerer de magnetiske egenskapene til andre stoffer, spesielt luften i seg selv, må vi selvfølgelig gjøre en sammenligning med en spole der det ikke er luft (vakuum). For magnetisk permeabilitet tar vi derfor forholdet mellom magnetiske flukser i stoffet som studeres og i vakuum. Med andre ord tar vi den magnetiske permeabiliteten for vakuum som en (hvis , da ).

Målinger viser at den magnetiske permeabiliteten til alle stoffer er forskjellig fra enhet, selv om denne forskjellen i de fleste tilfeller er veldig liten. Men det som er spesielt bemerkelsesverdig er det faktum at for noen stoffer er den magnetiske permeabiliteten større enn én, mens den for andre er mindre enn én, dvs. fylling av spolen med noen stoffer øker den magnetiske fluksen, og fylling av spolen med andre stoffer reduserer denne fluksen. Den første av disse stoffene kalles paramagnetisk (), og den andre - diamagnetisk (). Som tabellen viser. 7 er forskjellen i permeabilitet fra enhet for både paramagnetiske og diamagnetiske stoffer liten.

Det skal spesielt understrekes at for paramagnetiske og diamagnetiske legemer er magnetisk permeabilitet ikke avhengig av den magnetiske induksjonen av et eksternt, magnetiserende felt, det vil si at det er en konstant verdi som karakteriserer et gitt stoff. Som vi vil se i § 149, er dette ikke tilfellet for jern og andre lignende (ferromagnetiske) legemer.

Tabell 7. Magnetisk permeabilitet for noen paramagnetiske og diamagnetiske stoffer

Paramagnetiske stoffer		Diamagnetiske stoffer
Nitrogen (gassformig)		Hydrogen (gassformig)
Luft (gassformig)		Hydrogen (gassformig)
Oksygen (gassformig)
Oksygen (flytende)

Aluminium
Wolfram

Påvirkningen av paramagnetiske og diamagnetiske stoffer på den magnetiske fluksen forklares, akkurat som påvirkningen av ferromagnetiske stoffer, ved at den magnetiske fluksen som skapes av strømmen i spoleviklingen, er forbundet med fluksen som kommer fra elementære amperestrømmer. Paramagnetiske stoffer øker den magnetiske fluksen til spolen. Denne økningen i fluks når spolen er fylt med et paramagnetisk stoff indikerer at i paramagnetiske stoffer, under påvirkning av et eksternt magnetfelt, er elementære strømmer orientert slik at deres retning faller sammen med retningen til viklingsstrømmen (fig. 276). En liten forskjell fra enhet indikerer bare at for paramagnetiske stoffer er denne ekstra magnetiske fluksen veldig liten, dvs. at paramagnetiske stoffer magnetiseres veldig svakt.

En reduksjon i den magnetiske fluksen når spolen fylles med et diamagnetisk stoff betyr at i dette tilfellet er den magnetiske fluksen fra elementære amperestrømmer rettet motsatt av spolens magnetiske fluks, dvs. den i diamagnetiske stoffer, under påvirkning av en ekstern magnetfelt oppstår elementære strømmer, rettet motsatt av viklingsstrømmene (fig. 277). Små avvik fra enhet i dette tilfellet indikerer også at tilleggsstrømmen til disse elementære strømmene er liten.

Ris. 277. Diamagnetiske stoffer inne i spolen svekker magnetfeltet til solenoiden. De elementære strømmene i dem er rettet motsatt av strømmen i solenoiden

Bestemmelse av den magnetiske permeabiliteten til et stoff. Dens rolle i å beskrive magnetfeltet

Hvis du utfører et eksperiment med en solenoid som er koblet til et ballistisk galvanometer, så når strømmen i solenoiden er slått på, kan du bestemme verdien av den magnetiske fluksen F, som vil være proporsjonal med avbøyningen av galvanometernålen. La oss utføre eksperimentet to ganger, og sette strømmen (I) i galvanometeret til å være den samme, men i det første eksperimentet vil solenoiden være uten kjerne, og i det andre eksperimentet, før vi slår på strømmen, vil vi introdusere en jernkjerne inn i solenoiden. Det er oppdaget at i det andre eksperimentet er den magnetiske fluksen betydelig større enn i det første (uten kjerne). Når du gjentar eksperimentet med kjerner av forskjellige tykkelser, viser det seg at den maksimale strømningen oppnås i tilfellet når hele solenoiden er fylt med jern, det vil si at viklingen er viklet tett rundt jernkjernen. Du kan utføre et eksperiment med forskjellige kjerner. Resultatet er at:

der $Ф$ er den magnetiske fluksen i en spole med en kjerne, er $Ф_0$ den magnetiske fluksen i en spole uten en kjerne. Økningen i magnetisk fluks når en kjerne introduseres i solenoiden forklares av det faktum at til den magnetiske fluksen som skaper strømmen i solenoidviklingen, ble en magnetisk fluks skapt av et sett med orienterte ampere molekylstrømmer lagt til. Under påvirkning av et magnetfelt blir molekylære strømmer orientert, og deres totale magnetiske moment slutter å være lik null, og et ekstra magnetfelt oppstår.

Definisjon

Mengden $\mu $, som karakteriserer de magnetiske egenskapene til mediet, kalles magnetisk permeabilitet (eller relativ magnetisk permeabilitet).

Dette er en dimensjonsløs egenskap ved et stoff. En økning i fluksen Ф med $\mu $ ganger (1) betyr at den magnetiske induksjonen $\overrightarrow(B)$ i kjernen er like mange ganger større enn i vakuum med samme strøm i solenoiden. Derfor kan vi skrive at:

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

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

Sammen med magnetisk induksjon, som er hovedkraftkarakteristikken til feltet, brukes en hjelpevektormengde som magnetisk feltstyrke ($\overrightarrow(H)$), som er relatert til $\overrightarrow(B)$ ved følgende relasjon :

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

Hvis formel (3) brukes på eksperimentet med en kjerne, får vi det i fravær av en kjerne:

\[(\overrightarrow(B))_0=(\mu )_0\overrightarrow(H_0)\venstre(4\høyre),\]

hvor $\mu $=1. Hvis det er en kjerne, får vi:

\[\overrightarrow(B)=\mu (\mu )_0\overrightarrow(H)\venstre(5\høyre).\]

Men siden (2) er fornøyd, viser det seg at:

\[\mu (\mu )_0\overhøyrepil(H)=(\mu m)_0\overhøyrepil(H_0)\til \overhøyrepil(H)=\overhøyrepil(H_0)\venstre(6\høyre).\]

Vi fant at magnetfeltstyrken ikke er avhengig av hva slags homogent stoff rommet er fylt med. Den magnetiske permeabiliteten til de fleste stoffer handler om enhet, med unntak av ferromagneter.

Magnetisk følsomhet for et stoff

Vanligvis er magnetiseringsvektoren ($\overrightarrow(J)$) assosiert med intensitetsvektoren ved hvert punkt på magneten:

\[\overrightarrow(J)=\varkappa \overrightarrow(H)\venstre(7\høyre),\]

hvor $\varkappa $ er magnetisk susceptibilitet, en dimensjonsløs størrelse. For ikke-ferromagnetiske stoffer og i små felt er $\varkappa $ ikke avhengig av styrken og er en skalar mengde. I anisotropiske medier er $\varkappa $ en tensor og retningene til $\overrightarrow(J)$ og $\overrightarrow(H)$ faller ikke sammen.

Sammenheng mellom magnetisk følsomhet og magnetisk permeabilitet

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

La oss erstatte uttrykket for magnetiseringsvektoren (7) med (8), og få:

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

Når vi uttrykker spenningen, får vi:

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

Ved å sammenligne uttrykk (5) og (10), får vi:

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

Magnetisk følsomhet kan være enten positiv eller negativ. Fra (11) følger det at den magnetiske permeabiliteten enten kan være større enn enhet eller mindre enn den.

Eksempel 1

Oppgave: Regn ut magnetiseringen i sentrum av en sirkulær spole med radius R=0,1 m med en strømstyrke I=2A, hvis den er nedsenket i flytende oksygen. Den magnetiske følsomheten til flytende oksygen er lik $\varkappa =3.4\cdot (10)^(-3).$

Som grunnlag for å løse oppgaven vil vi ta et uttrykk som gjenspeiler forholdet mellom magnetisk feltstyrke og magnetisering:

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

La oss finne feltet i midten av spolen med strøm, siden vi må beregne magnetiseringen på dette punktet.

La oss velge en elementær seksjon på den strømførende lederen (fig. 1 som grunnlag for å løse problemet, vi bruker formelen for styrken til det strømførende spoleelementet):

der $\ \overrightarrow(r)$ er radiusvektoren trukket fra det aktuelle elementet til det aktuelle punktet, $\overrightarrow(dl)$ er elementet til lederen med strøm (retningen er spesifisert av strømmens retning ), $\vartheta$ er vinkelen mellom $ \overrightarrow(dl)$ og $\overrightarrow(r)$. Basert på fig. 1 $\vartheta=90()^\circ $, derfor vil (1.1) forenkles, i tillegg vil avstanden fra sentrum av sirkelen (punktet der vi leter etter magnetfeltet) til lederelementet med strøm er konstant og lik radiusen til svingen (R), derfor har vi:

Den resulterende magnetfeltstyrkevektoren er rettet langs X-aksen, den kan finnes som summen av individuelle vektorer $\ \ \overrightarrow(dH),$ siden alle strømelementer skaper magnetiske felt i midten av svingen, rettet langs normalen for svingen. Deretter, i henhold til superposisjonsprinsippet, kan den totale magnetiske feltstyrken oppnås ved å gå til integralet:

Ved å erstatte (1.3) med (1.4), får vi:

La oss finne magnetiseringen hvis vi erstatter intensiteten fra (1.5) til (1.1), får vi:

Alle enheter er gitt i SI-systemet, la oss utføre beregningene:

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

Eksempel 2

Oppgave: Regn ut brøkdelen av det totale magnetfeltet i en wolframstav som er i et eksternt ensartet magnetfelt, som bestemmes av molekylære strømmer. Den magnetiske permeabiliteten til wolfram er $\mu =1,0176.$

Magnetfeltinduksjonen ($B"$), som står for de molekylære strømmene, kan finnes som:

der $J$ er magnetisering. Det er relatert til magnetfeltstyrken ved uttrykket:

hvor den magnetiske følsomheten til et stoff kan finnes som:

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

Derfor finner vi magnetfeltet til molekylære strømmer som:

Det totale feltet i stangen beregnes i henhold til formelen:

Vi bruker uttrykk (2.4) og (2.5) for å finne den nødvendige sammenhengen:

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

La oss utføre beregningene:

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

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

Magnetisk permeabilitet- fysisk mengde, koeffisient (avhengig av egenskapene til mediet) som karakteriserer forholdet mellom magnetisk induksjon texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): (B) og magnetisk feltstyrke Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): (H) i materien. Til ulike miljøer denne koeffisienten er forskjellig, så de snakker om den magnetiske permeabiliteten til et bestemt medium (som betyr dets sammensetning, tilstand, temperatur, etc.).

Først funnet i Werner Siemens sitt verk fra 1881 "Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus" ("Bidrag til teorien om elektromagnetisme").

Vanligvis betegnet Gresk bokstav Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc . Det kan enten være en skalar (for isotrope stoffer) eller en tensor (for anisotrope stoffer).

Generelt introduseres forholdet mellom magnetisk induksjon og magnetisk feltstyrke gjennom magnetisk permeabilitet som

Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \vec(B) = \mu\vec(H),

Og Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \mu i det generelle tilfellet skal dette forstås som en tensor, som i komponentnotasjon tilsvarer:

Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README - hjelp med oppsett.): \ B_i = \mu_(ij)H_j

For isotrope stoffer forholdet:

Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \vec(B) = \mu\vec(H)

kan forstås i betydningen å multiplisere en vektor med en skalar (magnetisk permeabilitet reduseres i dette tilfellet til en skalar).

Ofte betegnelsen Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \mu brukes annerledes enn her, nemlig for relativ magnetisk permeabilitet (i dette tilfellet Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \mu sammenfaller med det i GHS).

Dimensjonen for absolutt magnetisk permeabilitet i SI er den samme som dimensjonen til den magnetiske konstanten, det vil si Gn / eller / 2.

Relativ magnetisk permeabilitet i SI er relatert til magnetisk susceptibilitet χ ved relasjonen

Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README - hjelp med oppsett.): \mu_r = 1 + \chi,

Klassifisering av stoffer etter magnetisk permeabilitetsverdi

De aller fleste stoffene tilhører enten klassen diamagneter ( Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \mu \lessapprox 1), eller til klassen av paramagneter ( Kan ikke analysere uttrykk (kjørbar fil texvc ikke funnet; Se matematikk/README for oppsetthjelp.): \mu \gtrapprox 1). Men en rekke stoffer (ferromagneter), for eksempel jern, har mer uttalte magnetiske egenskaper.

I ferromagneter, på grunn av hysterese, er konseptet magnetisk permeabilitet strengt tatt ikke aktuelt. Imidlertid, i et visst område av endringer i magnetiseringsfeltet (slik at den gjenværende magnetiseringen kan neglisjeres, men før metning), er det fortsatt mulig, til en bedre eller dårligere tilnærming, å presentere denne avhengigheten som lineær (og for myk magnetisk materialer, kan begrensningen nedenfra ikke være for betydelig i praksis), og i denne forstand kan verdien av magnetisk permeabilitet også måles for dem.

Magnetisk permeabilitet for enkelte stoffer og materialer

Magnetisk følsomhet for noen stoffer

Magnetisk følsomhet og magnetisk permeabilitet for noen materialer

Medium	Følsomhet χ m (volum, SI)	Permeabilitet μ [H/m]	Relativ permeabilitet μ/μ 0	Et magnetfelt	Maksimal frekvens
Metglas (engelsk) Metglas )		1,25	1 000 000	ved 0,5 T	100 kHz
Nanoperm Nanoperm )		10×10 -2	80 000	ved 0,5 T	10 kHz
Mu metall		2,5×10 -2	20 000	ved 0,002 T
Mu metall			50 000
Permalloy		1,0×10 -2	70 000	ved 0,002 T
Elektrisk stål		5,0×10 -3	4000	ved 0,002 T
Ferritt (nikkel-sink)		2,0×10 -5 - 8,0×10 -4	16-640		100 kHz ~ 1 MHz [[K:Wikipedia:Artikler uten kilder (land: Lua-feil: callParserFunction: funksjonen "#property" ble ikke funnet. )]][[K:Wikipedia:Artikler uten kilder (land: Lua-feil: callParserFunction: funksjonen "#property" ble ikke funnet. )]]
Ferritt (mangan-sink)		>8,0×10 -4	640 (eller mer)		100 kHz ~ 1 MHz
Stål		8,75×10 -4	100	ved 0,002 T
Nikkel		1,25×10 -4	100 - 600	ved 0,002 T
Neodymmagnet			1.05	opptil 1,2-1,4 T
Platina		1,2569701×10 -6	1,000265
Aluminium	2,22×10 -5	1,2566650×10 -6	1,000022
Tre			1,00000043
Luft			1,00000037
Betong			1
Vakuum	0	1,2566371×10 -6 (μ 0)	1
Hydrogen	-2,2×10 -9	1,2566371×10 -6	1,0000000
Teflon		1,2567×10 -6	1,0000
Safir	-2,1×10 -7	1,2566368×10 -6	0,99999976
Kobber	-6,4×10 -6 eller -9,2×10 -6	1,2566290×10 -6	0,999994
Vann	-8,0×10 -6	1,2566270×10 -6	0,999992
Vismut	-1,66×10 -4		0,999834
Superledere	−1	0	0

se også

Skriv en anmeldelse om artikkelen "Magnetisk permeabilitet"

Notater

Utdrag som karakteriserer magnetisk permeabilitet

Jeg syntes så synd på ham!.. Men, dessverre, jeg var ikke i min makt til å hjelpe ham. Og jeg, ærlig talt, ville virkelig vite hvordan denne ekstraordinære lille jenta hjalp ham...
- Vi fant dem! – Repeterte Stella igjen. – Jeg visste ikke hvordan jeg skulle gjøre det, men bestemoren min hjalp meg!
Det viste seg at Harold i løpet av livet ikke engang hadde tid til å finne ut hvor forferdelig familien hans led mens han døde. Han var en krigeridder, og døde før byen hans falt i hendene på «bødlene», slik kona spådde.
Men så snart han befant seg i denne ukjente, fantastiske verdenen av «borte» mennesker, kunne han umiddelbart se hvor nådeløst og grusomt den onde skjebnen behandlet hans «eneste og kjære». Etterpå, som en besatt, brukte han en evighet på et eller annet sted å prøve å finne disse menneskene, de mest kjære for ham i hele den vide verden... Og han søkte etter dem i veldig lang tid, mer enn tusen år, inntil en dag, en helt ukjent person, søte jente Stella tilbød seg ikke å "gjøre ham glad" og åpnet ikke den "andre" døren for endelig å finne dem for ham ...
– Vil du at jeg skal vise deg? - foreslo den lille jenta igjen,
Men jeg var ikke lenger så sikker på om jeg ville se noe annet... For visjonene hun nettopp hadde vist gjorde vondt i sjelen min, og det var umulig å bli kvitt dem så raskt å ville se en slags fortsettelse...
"Men du vil se hva som skjedde med dem!" – lille Stella uttalte selvsikkert "faktumet".
Jeg så på Harold og så i øynene hans fullstendig forståelse av det jeg nettopp uventet hadde opplevd.
– Jeg vet hva du så... Jeg så det mange ganger. Men de er glade nå, vi går for å se på dem veldig ofte... Og på deres "tidligere" også... - sa den "triste ridderen" stille.
Og først da skjønte jeg at Stella, rett og slett, når han ønsket det, overførte ham til sin egen fortid, akkurat som hun nettopp hadde gjort!!! Og hun gjorde det nesten lekent! .. Jeg la ikke engang merke til hvordan denne fantastiske, lyse jenta begynte å "binde meg til henne" mer og mer, og ble for meg nesten et ekte mirakel, som jeg uendelig ønsket å se... Og som jeg ikke ville forlate i det hele tatt... Da visste jeg nesten ingenting og kunne ikke gjøre noe annet enn det jeg kunne forstå og lære selv, og jeg ville egentlig lære i det minste noe av henne mens det fortsatt var slikt en mulighet.
- Vær så snill og kom til meg! – Stella, plutselig trist, hvisket stille, "du vet at du ikke kan bli her ennå... Bestemor sa at du ikke blir på veldig, veldig lenge... At du ikke kan dø ennå." Men du kommer...
Alt rundt ble plutselig mørkt og kaldt, som om svarte skyer plutselig hadde dekket en så fargerik og lys Stella-verden...
– Å, ikke tenk på slike forferdelige ting! – jenta var indignert, og som en kunstner med pensel på et lerret «malte» hun raskt alt igjen i en lys og gledelig farge.
– Vel, er dette virkelig bedre? – spurte hun fornøyd.
"Var det virkelig bare mine tanker?..." Jeg trodde det ikke igjen.
- Sikkert! – Stella lo. "Du er sterk, så du skaper alt rundt deg på din egen måte."
– Hvordan da tenke?.. – Jeg klarte fortsatt ikke å «skrive inn» i det uforståelige.
"Bare hold kjeft og vis bare det du vil vise," sa min fantastiske venn, som en selvfølge. "Min bestemor lærte meg det."
Jeg tenkte at det tydeligvis var på tide for meg også å "sjokkere" min "hemmelige" bestemor litt, som (jeg var nesten sikker på dette!) sikkert visste noe, men av en eller annen grunn ikke ville lære meg noe ennå ...
"Så du vil se hva som skjedde med Harolds kjære?" – spurte den lille jenta utålmodig.
For å være ærlig hadde jeg ikke så mye lyst, siden jeg ikke var sikker på hva jeg kunne forvente av dette "showet". Men for ikke å fornærme den rause Stella, sa hun ja.
– Jeg skal ikke vise deg på lenge. Jeg lover! Men du burde vite om dem, ikke sant?.. – sa jenta med glad stemme. - Se, sønnen blir først...

Til min største overraskelse, i motsetning til det jeg hadde sett før, befant vi oss i en helt annen tid og sted, som lignet Frankrike, og klærne minnet om det attende århundre. En vakker overbygd vogn kjørte langs en bred brosteinsbelagt gate, hvor det satt en ung mann og en kvinne i svært dyre dresser, og tilsynelatende i veldig dårlig humør... Den unge mannen beviste hardnakket noe for jenta, og hun , ikke lyttet til ham i det hele tatt, svevde rolig et sted i drømmene dine enn ung mann veldig irriterende...
- Du skjønner, det er han! Dette er det samme" en liten gutt"... først etter mange, mange år," hvisket Stella stille.
– Hvordan vet du at det virkelig er ham? – Forstår fortsatt ikke helt, spurte jeg.
– Vel, selvfølgelig, det er veldig enkelt! – den lille jenta stirret overrasket på meg. – Vi har alle en essens, og essensen har sin egen "nøkkel" som hver enkelt av oss kan bli funnet med, du trenger bare å vite hvordan du skal se ut. Se her...
Hun viste meg babyen igjen, Harolds sønn.
– Tenk på essensen hans, og du vil se...
Og jeg så umiddelbart en gjennomsiktig, sterkt glødende, overraskende kraftig enhet, på hvis bryst en uvanlig "diamant" energistjerne brant. Denne "stjernen" lyste og glitret med alle regnbuens farger, nå avtagende, nå økende, som om den sakte pulserte, og glitret så sterkt, som om den virkelig var skapt av de mest fantastiske diamanter.
– Ser du denne merkelige omvendte stjernen på brystet hans? - Dette er hans "nøkkel". Og hvis du prøver å følge ham, som en tråd, vil det føre deg rett til Axel, som har samme stjerne - dette er den samme essensen, bare i sin neste inkarnasjon.
Jeg så på henne med alle mine øyne, og da jeg tydeligvis la merke til dette, lo Stella og innrømmet muntert:
– Ikke tro at det var meg selv – det var bestemoren min som lærte meg!
Jeg skammet meg veldig over å føle meg som en fullstendig inkompetent, men ønsket om å vite mer var hundre ganger sterkere enn noen skam, så jeg skjulte min stolthet så dypt som mulig og spurte forsiktig:
– Men hva med alle disse fantastiske «realitetene» som vi ser her nå? Tross alt er dette noen andres, spesifikke liv, og du skaper dem ikke på samme måte som du skaper alle dine verdener?
- Å nei! – den lille jenta var igjen glad for å få muligheten til å forklare meg noe. – Selvfølgelig ikke! Dette er bare fortiden som alle disse menneskene en gang levde i, og jeg tar deg og meg dit.
- Og Harold? Hvordan ser han på alt dette?
– Å, det er lett for ham! Han er akkurat som meg, død, så han kan flytte hvor han vil. Han har det ikke lenger fysisk kropp, så essensen hans kjenner ingen hindringer her og kan gå hvor den vil... akkurat som meg... - avsluttet den lille jenta mer trist.
Jeg trodde dessverre at det som for henne bare var en "enkel overføring til fortiden", for meg, tilsynelatende i lang tid, vil være et "mysterium bak syv låser"... Men Stella, som om hun hørte tankene mine, skyndte seg umiddelbart til berolige meg:
– Du skal se, det er veldig enkelt! Du må bare prøve.
– Og disse «nøklene», blir de aldri gjentatt av andre? – Jeg bestemte meg for å fortsette spørsmålene mine.
«Nei, men noen ganger skjer det noe annet...» av en eller annen grunn, svarte den lille og smilte morsomt. "Det var akkurat slik jeg ble tatt i begynnelsen, som de til og med slo meg veldig stygt for... Å, det var så dumt!..."
- Men som? – Jeg spurte, veldig interessert.
Stella svarte umiddelbart muntert:
– Å, det var veldig morsomt! - og etter å ha tenkt litt, la hun til, "men det er også farlig ... jeg så på alle "gulvene" etter den siste inkarnasjonen av bestemoren min, og i stedet for henne kom en helt annen enhet langs "tråden" hennes , som på en eller annen måte klarte å "kopiere" min bestemors "blomst" (tilsynelatende også en "nøkkel"!), og akkurat da jeg hadde tid til å glede meg over at jeg endelig hadde funnet den, slo denne ukjente enheten meg nådeløst i brystet. Ja, så mye at sjelen min nesten fløy avgårde!..
– Hvordan ble du kvitt henne? - Jeg ble overrasket.
"Vel, for å være ærlig, jeg ble ikke kvitt det ..." jenta ble flau. - Jeg ringte nettopp bestemoren min...
– Hva kaller du «gulv»? – Jeg klarte fortsatt ikke å roe meg ned.
– Vel, dette er forskjellige «verdener» der de dødes essenser lever... I det vakreste og høyeste lever de som var gode... og sannsynligvis også de sterkeste.
– Folk som deg? – spurte jeg og smilte.
– Å nei, selvfølgelig! Jeg kom nok hit ved en feiltakelse. – sa jenta helt oppriktig. – Vet du hva som er mest interessant? Fra denne "etasjen" kan vi gå overalt, men fra de andre kan ingen komme hit... Er ikke det interessant?...
Ja, det var veldig rart og veldig spennende interessant for den "sultne" hjernen min, og jeg ville virkelig vite mer!.. Kanskje fordi inntil den dagen ingen egentlig hadde forklart meg noe, men noen ganger ga noen (som f.eks. , for eksempel mine "stjernevenner"), og derfor gjorde selv en så enkel barnslig forklaring meg allerede uvanlig glad og fikk meg til å fordype meg enda mer rasende i mine eksperimenter, konklusjoner og feil... som vanlig, å finne i alt som var skjer enda mer uklart. Problemet mitt var at jeg kunne gjøre eller lage "uvanlig" veldig enkelt, men hele problemet var at jeg også ønsket å forstå hvordan jeg lager det hele... Og det er nettopp dette jeg ikke har lykkes med enda ...

Tallrike eksperimenter indikerer at alle stoffer plassert i et magnetfelt magnetiseres og skaper sitt eget magnetfelt, hvis handling legges til handlingen til et eksternt magnetfelt:

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

hvor $\boldsymbol(\vec(B))$ er magnetfeltinduksjonen i stoffet; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - magnetisk induksjon av feltet i vakuum, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - magnetisk induksjon av feltet som resulterer fra magnetisering av materie. I dette tilfellet kan stoffet enten styrke eller svekke magnetfeltet. Påvirkningen av et stoff på et eksternt magnetfelt er preget av størrelsen μ , som kalles magnetisk permeabilitet til et stoff

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

Magnetisk permeabilitet er en fysisk skalar størrelse som viser hvor mange ganger magnetfeltinduksjonen i et gitt stoff skiller seg fra magnetfeltinduksjonen i et vakuum.

Alle stoffer er bygd opp av molekyler, molekyler er bygd opp av atomer. Elektronskallene til atomer kan konvensjonelt anses å bestå av sirkulære elektriske strømmer dannet av bevegelige elektroner. Sirkulær elektriske strømmer atomer må lage sine egne magnetfelt. Elektriske strømmer må påvirkes av et eksternt magnetfelt, som et resultat av dette kan forvente enten en økning i magnetfeltet når de atomiske magnetfeltene er på linje med det ytre magnetfeltet, eller en svekkelse når de er i motsatt retning.
Hypotese om eksistensen av magnetiske felt i atomer og muligheten for å endre magnetfeltet i materie er helt sant. Alle stoffer ved påvirkning av et eksternt magnetfelt på dem kan deles inn i tre hovedgrupper: diamagnetisk, paramagnetisk og ferromagnetisk.

Diamagneter kalles stoffer der det ytre magnetfeltet er svekket. Dette betyr at magnetfeltene til atomene til slike stoffer i et eksternt magnetfelt er rettet motsatt av det eksterne magnetfeltet (µ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает magnetisk permeabilitet µ = 0,999826.

For å forstå naturen til diamagnetisme vurdere bevegelsen til et elektron som flyr inn med en hastighet v inn i et jevnt magnetfelt vinkelrett på vektoren I magnetfelt.

Under påvirkning Lorentz styrker elektronet vil bevege seg i en sirkel, rotasjonsretningen bestemmes av retningen til Lorentz-kraftvektoren. Den resulterende sirkulære strømmen skaper sitt eget magnetfelt I" . Dette er et magnetfelt I" rettet motsatt av magnetfeltet I. Følgelig må ethvert stoff som inneholder fritt bevegelige ladede partikler ha diamagnetiske egenskaper.
Selv om elektronene i atomene til et stoff ikke er frie, viser endringen i deres bevegelse inne i atomene under påvirkning av et eksternt magnetfelt seg å være ekvivalent med den sirkulære bevegelsen til frie elektroner. Derfor har ethvert stoff i et magnetfelt nødvendigvis diamagnetiske egenskaper.
Imidlertid er diamagnetiske effekter veldig svake og finnes bare i stoffer hvis atomer eller molekyler ikke har sitt eget magnetfelt. Eksempler på diamagnetiske materialer er bly, sink, vismut (μ = 0,9998).

Den første forklaringen på årsakene til at legemer har magnetiske egenskaper ble gitt av Henri Ampère (1820). I følge hans hypotese sirkulerer elementære elektriske strømmer inne i molekyler og atomer, som bestemmer de magnetiske egenskapene til ethvert stoff.

La oss vurdere årsakene til magnetismen til atomer mer detaljert:

La oss ta litt fast stoff. Dens magnetisering er relatert til de magnetiske egenskapene til partiklene (molekyler og atomer) som den er sammensatt av. La oss vurdere hvilke strømkretser som er mulige på mikronivå. Atomers magnetisme skyldes to hovedårsaker:

1) bevegelsen av elektroner rundt kjernen i lukkede baner ( orbitalt magnetisk moment) (Figur 1);

Ris. 2

2) den indre rotasjonen (spinn) av elektroner ( spinn magnetisk moment) (Fig. 2).

For den nysgjerrige. Magnetisk moment av kretsen lik produktet strømstyrke i kretsen per område som dekkes av kretsen. Dens retning faller sammen med retningen til magnetfeltinduksjonsvektoren i midten av den strømførende kretsen.

Siden orbitalplanene til forskjellige elektroner i et atom ikke faller sammen, er magnetfeltinduksjonsvektorene skapt av dem (orbitale og spinnmagnetiske momenter) rettet i forskjellige vinkler til hverandre. Den resulterende induksjonsvektoren til et multielektronatom er lik vektorsummen av feltinduksjonsvektorene skapt av individuelle elektroner. Atomer med delvis fylte elektronskall har ukompenserte felt. I atomer med fylte elektronskall er den resulterende induksjonsvektoren 0.

I alle tilfeller er endringen i magnetfeltet forårsaket av utseendet av magnetiseringsstrømmer (fenomenet elektromagnetisk induksjon observeres). Med andre ord, prinsippet om superposisjon for magnetfeltet forblir gyldig: feltet inne i magneten er en superposisjon av det eksterne feltet $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ og feltet $\boldsymbol (\vec(B"))$ av magnetiseringsstrømmer Jeg" , som oppstår under påvirkning av et eksternt felt. Hvis feltet for magnetiseringsstrømmer er rettet på samme måte som eksternt felt, da vil induksjonen av det totale feltet være større enn det ytre feltet (fig. 3, a) - i dette tilfellet sier vi at stoffet forsterker feltet; hvis feltet av magnetiseringsstrømmer er rettet motsatt av det ytre feltet, vil det totale feltet være mindre enn det ytre feltet (fig. 3, b) - det er i denne forstand vi sier at stoffet svekker magnetfeltet.

Ris. 3

I diamagnetiske materialer molekyler har ikke sitt eget magnetfelt. Under påvirkning av et eksternt magnetfelt i atomer og molekyler, er feltet for magnetiseringsstrømmer rettet motsatt av det eksterne feltet, derfor vil modulen til den magnetiske induksjonsvektoren $ \boldsymbol(\vec(B))$ til det resulterende feltet være mindre enn modulen til den magnetiske induksjonsvektoren $ \boldsymbol((\vec(B ))_(0)) $ ytre felt.

Stoffer der det ytre magnetfeltet forsterkes som et resultat av tilsetningen av de elektroniske skallene til atomene til stoffet til magnetfeltene på grunn av orienteringen av atommagnetiske felt i retning av det ytre magnetfeltet kalles paramagnetisk(µ > 1).

Paramagneter svært svakt forsterke det eksterne magnetfeltet. Den magnetiske permeabiliteten til paramagnetiske materialer skiller seg fra enhet med bare en brøkdel av en prosent. For eksempel er den magnetiske permeabiliteten til platina 1,00036. På grunn av de svært små verdiene for den magnetiske permeabiliteten til paramagnetiske og diamagnetiske materialer, er deres innflytelse på et eksternt felt eller effekten av et eksternt felt på paramagnetiske eller diamagnetiske legemer svært vanskelig å oppdage. Derfor, i vanlig hverdagspraksis, i teknologi, anses paramagnetiske og diamagnetiske stoffer som ikke-magnetiske, det vil si stoffer som ikke endrer magnetfeltet og ikke påvirkes av magnetfeltet. Eksempler på paramagnetiske materialer er natrium, oksygen, aluminium (μ = 1,00023).

I paramagneter molekyler har sitt eget magnetfelt. I fravær av et eksternt magnetfelt, på grunn av termisk bevegelse, er induksjonsvektorene til magnetfeltene til atomer og molekyler tilfeldig orientert, så deres gjennomsnittlige magnetisering er null (fig. 4, a). Når et eksternt magnetfelt påføres atomer og molekyler, begynner et kraftmoment å virke, og har en tendens til å rotere dem slik at feltene deres er orientert parallelt med det ytre feltet. Orienteringen av de paramagnetiske molekylene fører til at stoffet er magnetisert (fig. 4, b).

Ris. 4

Den fullstendige orienteringen av molekyler i et magnetfelt forhindres av deres termiske bevegelse, derfor avhenger den magnetiske permeabiliteten til paramagnetiske materialer av temperaturen. Det er åpenbart at med økende temperatur reduseres den magnetiske permeabiliteten til paramagnetiske materialer.

Ferromagneter

Stoffer som betydelig forsterker et eksternt magnetfelt kalles ferromagneter(nikkel, jern, kobolt, etc.). Eksempler på ferromagneter er kobolt, nikkel, jern (μ når en verdi på 8·10 3).

Selve navnet på denne klassen av magnetiske materialer kommer fra latinsk navn jern - Ferrum. hovedfunksjon Disse stoffene er i stand til å opprettholde magnetisering i fravær av et eksternt magnetfelt, alle permanente magneter tilhører klassen ferromagneter. I tillegg til jern har "naboene" i det periodiske systemet - kobolt og nikkel - ferromagnetiske egenskaper. Ferromagneter finner brede praktisk bruk innen vitenskap og teknologi er det derfor utviklet et betydelig antall legeringer med forskjellige ferromagnetiske egenskaper.

Alle de gitte eksemplene på ferromagneter refererer til overgangsgruppemetaller, elektronskall som inneholder flere uparrede elektroner, noe som fører til at disse atomene har et betydelig eget magnetfelt. I krystallinsk tilstand På grunn av samspillet mellom atomer i krystaller, oppstår områder med spontan magnetisering - domener. Dimensjonene til disse domenene er tideler og hundredeler av en millimeter (10 -4 - 10 -5 m), som betydelig overstiger størrelsen på et individuelt atom (10 -9 m). Innenfor ett domene er magnetfeltene til atomer orientert strengt parallelt. Orienteringen av magnetfeltene til andre domener i fravær av et eksternt magnetfelt endres vilkårlig (fig. 5).

Ris. 5

Selv i en ikke-magnetisert tilstand eksisterer det således sterke magnetiske felt inne i en ferromagnet, hvis orientering endres på en tilfeldig, kaotisk måte under overgangen fra ett domene til et annet. Hvis dimensjonene til en kropp betydelig overstiger dimensjonene til individuelle domener, er det gjennomsnittlige magnetfeltet skapt av domenene til denne kroppen praktisk talt fraværende.

Hvis du plasserer en ferromagnet i et eksternt magnetfelt B 0 , så begynner de magnetiske momentene til domenene å omorganiseres. Imidlertid forekommer ikke mekanisk romrotasjon av deler av stoffet. Prosessen med magnetiseringsreversering er assosiert med en endring i bevegelsen av elektroner, men ikke med en endring i posisjonen til atomer ved noder krystallgitter. Domener som har den mest gunstige orienteringen i forhold til feltets retning øker størrelsen på bekostning av nabodomener som "feilorientert" og absorberer dem. I dette tilfellet øker feltet i stoffet ganske betydelig.

Egenskaper til ferromagneter

1) de ferromagnetiske egenskapene til et stoff vises bare når det tilsvarende stoffet er lokalisert V krystallinsk tilstand ;

2) de magnetiske egenskapene til ferromagneter er sterkt avhengig av temperatur, siden orienteringen av magnetfeltene til domenene forhindres av termisk bevegelse. For hver ferromagnet er det en viss temperatur der domenestrukturen blir fullstendig ødelagt og ferromagneten blir til en paramagnet. Denne temperaturverdien kalles Curie poeng . Så for rent jern er Curie-temperaturen omtrent 900°C;

3) ferromagneter er magnetisert til metning i svake magnetiske felt. Figur 6 viser hvordan magnetfeltets induksjonsmodul endres B i stål med endring i ytre felt B 0 :

Ris. 6

4) den magnetiske permeabiliteten til en ferromagnet avhenger av det eksterne magnetfeltet (fig. 7).

Ris. 7

Dette forklares av det faktum at i utgangspunktet, med en økning B 0 magnetisk induksjon B vokser seg sterkere, og derfor μ vil øke. Deretter til verdien av magnetisk induksjon B" 0 metning oppstår (μ i dette øyeblikket er maksimalt) og med ytterligere økning B 0 magnetisk induksjon B 1 i stoffet slutter å endre seg, og den magnetiske permeabiliteten avtar (pleier til 1):

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

5) ferromagneter viser gjenværende magnetisering. Hvis for eksempel en ferromagnetisk stang plasseres i en solenoid som strøm går gjennom og magnetiseres til metning (punkt EN) (Fig. 8), og deretter redusere strømmen i solenoiden, og med den B 0 , så kan du legge merke til at feltinduksjonen i stangen under prosessen med dens avmagnetisering forblir alltid større enn under magnetiseringsprosessen. Når B 0 = 0 (strømmen i solenoiden er slått av), vil induksjonen være lik B r (restinduksjon). Stangen kan fjernes fra solenoiden og brukes som en permanent magnet. For å endelig avmagnetisere stangen, må du føre en strøm i motsatt retning gjennom solenoiden, dvs. påføre et eksternt magnetfelt med motsatt retning av induksjonsvektoren. Øker nå modulen for induksjon av dette feltet til B oc , avmagnetiser stangen ( B = 0).

Modul B oc induksjonen av et magnetfelt som avmagnetiserer en magnetisert ferromagnet kalles tvangskraft .

Ris. 8

Med ytterligere økning B 0 du kan magnetisere stangen til metning (punkt EN" ).

Reduserer nå B 0 til null får vi en permanent magnet igjen, men med induksjon –B r (motsatt retning). For å avmagnetisere stangen igjen, må strømmen i opprinnelig retning slås på igjen i solenoiden, og stangen vil avmagnetisere når induksjonen B 0 vil bli lik B oc . Fortsetter å øke I B 0 , magnetiser stangen igjen til metning (punkt EN ).

Således, når magnetisering og avmagnetisering av en ferromagnet, induksjonen B henger etter B 0. Dette etterslepet kalles hysterese-fenomen . Kurven vist i figur 8 kalles hystereseløkke .

Hysterese (gresk ὑστέρησις - "henger etter") - en egenskap ved systemer som ikke umiddelbart følger de påførte kreftene.

Formen på magnetiseringskurven (hystereseløkken) varierer betydelig for forskjellige ferromagnetiske materialer, som har vist seg å være svært bred applikasjon i vitenskapelige og tekniske anvendelser. Noen magnetiske materialer har en bred sløyfe med høye verdier restmagnetisering og tvangskraft, kalles de magnetisk hardt og brukes til å lage permanente magneter. Andre ferromagnetiske legeringer er preget av lave tvangskraftverdier. Slike materialer kan lett magnetiseres og remagnetiseres selv i svake felt. Slike materialer kalles magnetisk myk og brukes i forskjellige elektriske enheter - releer, transformatorer, magnetiske kretser, etc.

Litteratur

Aksenovich L. A. Fysikk i videregående skole: Teori. Oppgaver. Prøver: Lærebok. godtgjørelse for institusjoner som tilbyr allmennutdanning. miljø, utdanning / L. A. Aksenovich, N. N. Rakina, K. S. Farino; Ed. K.S. Farino. - Mn.: Adukatsiya i vyakhavanne, 2004. - P.330-335.
Zhilko, V.V. Fysikk: lærebok. godtgjørelse for 11. klasse. allmennutdanning skole fra russisk Språk trening / V.V. Zhilko, A.V. Lavrinenko, L. G. Markovich. - Mn.: Nar. Asveta, 2002. - s. 291-297.
Slobodyanyuk A.I. Fysikk 10. §13 Samspill mellom et magnetfelt og materie