Magnetisk permeabilitet av tre. Magnetiske materialer

Bestemmelse av den magnetiske permeabiliteten til et stoff. Hennes rolle i beskrivelsen magnetfelt

Hvis du utfører et eksperiment med en solenoid som er koblet til et ballistisk galvanometer, så når du slår på strømmen i solenoiden, kan du bestemme verdien magnetisk fluks 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

Verdien $\mu $, som kjennetegner magnetiske egenskaper miljø 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 :

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

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:

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

der $\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 $\overrightarrow(J)$ 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 wolframstang 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:$\frac(B")(B)=0,0173.$

Absolutt magnetisk permeabilitet – dette er en proporsjonalitetskoeffisient som tar hensyn til påvirkningen fra miljøet der ledningene er plassert.

For å få en ide om de magnetiske egenskapene til mediet, ble magnetfeltet rundt en ledning med strøm i et gitt medium sammenlignet med magnetfeltet rundt den samme ledningen, men plassert i et vakuum. Det ble funnet at i noen tilfeller er feltet mer intenst enn i et vakuum, i andre er det mindre.

Det er:

v Paramagnetiske materialer og miljøer der en sterkere MF oppnås (natrium, kalium, aluminium, platina, mangan, luft);

v Diamagnetiske materialer og miljøer der magnetfeltet er svakere (sølv, kvikksølv, vann, glass, kobber);

v Ferromagnetiske materialer der det sterkeste magnetfeltet dannes (jern, nikkel, kobolt, støpejern og deres legeringer).

Absolutt magnetisk permeabilitet for forskjellige stoffer har forskjellige størrelser.

Magnetisk konstant - Dette er den absolutte magnetiske permeabiliteten til vakuum.

Relativ magnetisk permeabilitet til mediet- en dimensjonsløs mengde som viser hvor mange ganger den absolutte magnetiske permeabiliteten til et stoff er større eller mindre enn den magnetiske konstanten:

For diamagnetiske stoffer - , for paramagnetiske stoffer - (for tekniske beregninger av diamagnetiske og paramagnetiske legemer er tatt lik enhet), for ferromagnetiske materialer - .

MP spenning N karakteriserer betingelsene for MF-eksitasjon. Intensiteten i et homogent medium avhenger ikke av de magnetiske egenskapene til stoffet som feltet dannes i, men tar hensyn til påvirkningen av strømmens størrelse og ledernes form på intensiteten til magnetfeltet ved en gitt poeng.

MF-intensitet er en vektormengde. Vektor retning N for isotrope medier (medier med identiske magnetiske egenskaper i alle retninger) , faller sammen med retningen til magnetfeltet eller vektoren i et gitt punkt.

Magnetfeltstyrken skapt av forskjellige kilder er vist i fig. 1. 3.

Magnetisk fluks er totalt antall magnetiske linjer som går gjennom hele overflaten under vurdering. Magnetisk fluks F eller MI-strøm gjennom området S , vinkelrett magnetiske linjer lik produktet av magnetisk induksjon I av mengden område som penetreres av denne magnetiske fluksen.

42) Når en jernkjerne føres inn i en spole, øker magnetfeltet og kjernen blir magnetisert. Denne effekten ble oppdaget av Ampere. Han oppdaget også at induksjonen av et magnetfelt i et stoff kan være større eller mindre enn induksjonen av selve feltet. Slike stoffer ble kalt magneter.

Magnetikk– dette er stoffer som kan endre egenskapene til et eksternt magnetfelt.

Magnetisk permeabilitet stoffet bestemmes av forholdet:

B 0 er induksjonen av det ytre magnetfeltet, B er induksjonen inne i stoffet.

Avhengig av forholdet mellom B og B 0, er stoffer delt inn i tre typer:

1) Diamagneter(m<1), к ним относятся kjemiske elementer: Cu, Ag, Au, Hg. Magnetisk permeabilitet m=1-(10 -5 - 10 -6) skiller seg svært lite fra enhet.

Denne klassen av stoffer ble oppdaget av Faraday. Disse stoffene "skyves ut" av magnetfeltet. Hvis du henger en diamagnetisk stang nær polen til en sterk elektromagnet, vil den bli frastøtt fra den. Induksjonslinjene til feltet og magneten er derfor rettet i forskjellige retninger.

2) Paramagneter har en magnetisk permeabilitet m>1, og i dette tilfellet overskrider den også litt enhet: m=1+(10 -5 - 10 -6). Denne typen magnetisk materiale inkluderer de kjemiske elementene Na, Mg, K, Al.

Den magnetiske permeabiliteten til paramagnetiske materialer avhenger av temperaturen og avtar etter hvert som den øker. Uten et magnetisk felt skaper ikke paramagnetiske materialer sitt eget magnetfelt. Det er ingen permanente paramagneter i naturen.

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

Disse stoffene kan være i magnetisert tilstand uten et eksternt felt. Eksistens gjenværende magnetisme en av de viktige egenskapene til ferromagneter. Ved oppvarming til høy temperatur de ferromagnetiske egenskapene til stoffet forsvinner. Temperaturen hvor disse egenskapene forsvinner kalles Curie temperatur(for eksempel for jern T Curie = 1043 K).

Ved temperaturer under Curie-punktet består en ferromagnet av domener. Domener– dette er områder med spontan spontan magnetisering (fig. 9.21). Domenestørrelsen er omtrent 10 -4 -10 -7 m. Eksistensen av magneter skyldes utseendet til områder med spontan magnetisering i materie. En jernmagnet kan beholde sine magnetiske egenskaper i lang tid, siden domenene i den er ordnet på en ryddig måte (en retning dominerer). De magnetiske egenskapene vil forsvinne dersom magneten slås hardt eller varmes opp for mye. Som et resultat av disse påvirkningene blir domenene "uordnet".

Fig.9.21. Formen på domenene: a) i fravær av et magnetfelt, b) i nærvær av et eksternt magnetfelt.

Domener kan representeres som lukkede strømmer i mikrovolumer av magnetiske materialer. Domenet er godt illustrert i fig. 9.21, hvorfra det kan ses at strømmen i domenet beveger seg langs en brutt lukket sløyfe. Lukkede elektronstrømmer fører til utseendet til et magnetfelt vinkelrett på elektronbaneplanet. I fravær av et eksternt magnetfelt, er magnetfeltet til domenene rettet kaotisk. Dette magnetfeltet endrer retning under påvirkning av et eksternt magnetfelt. Magneter, som allerede nevnt, er delt inn i grupper avhengig av hvordan magnetfeltet til domenet reagerer på virkningen av et eksternt magnetfelt. I diamagnetiske materialer, magnetfeltet mer domener er rettet i retning motsatt av virkningen av det eksterne magnetfeltet, og i paramagnetiske materialer, tvert imot, i retning av virkningen av det eksterne magnetfeltet. Imidlertid varierer antallet domener hvis magnetiske felt er rettet i motsatte retninger med en veldig liten mengde. Derfor skiller den magnetiske permeabiliteten m i dia- og paramagneter seg fra enhet med en mengde i størrelsesorden 10 -5 - 10 -6. I ferromagneter er antallet domener med magnetfelt i retning av det ytre feltet mange ganger større enn antall domener med motsatt retning av magnetfeltet.

Magnetiseringskurve. Hystereseløkke. Fenomenet magnetisering skyldes eksistensen av gjenværende magnetisme under påvirkning av et eksternt magnetfelt på et stoff.

Magnetisk hysterese er fenomenet forsinkelse i endringer i magnetisk induksjon i en ferromagnet i forhold til endringer i styrken til det eksterne magnetfeltet.

Figur 9.22 viser magnetfeltets avhengighet i et stoff av det ytre magnetfeltet B=B(B 0). Dessuten, langs Ox-aksen legger de eksternt felt, langs Oy-aksen – magnetiseringen av stoffet. En økning i det eksterne magnetfeltet fører til en økning i magnetfeltet i stoffet langs linjen til en verdi. Å redusere det eksterne magnetfeltet til null fører til en reduksjon i magnetfeltet i stoffet (på punktet Med) til verdien Mot øst(restmagnetisering, hvis verdi er større enn null). Denne effekten er en konsekvens av forsinkelsen i magnetiseringen av prøven.

Induksjonsverdien til det eksterne magnetfeltet som kreves for fullstendig avmagnetisering av stoffet (punkt d i fig. 9.21) kalles tvangskraft. Nullverdien av prøvemagnetisering oppnås ved å endre retningen til det eksterne magnetfeltet til en verdi. Fortsetter vi å øke det eksterne magnetfeltet i motsatt retning til maksimalverdien, bringer vi det til verdien. Deretter endrer vi retningen på magnetfeltet, øker det tilbake til verdien. I dette tilfellet forblir stoffet vårt magnetisert. Bare størrelsen på magnetfeltinduksjonen har motsatt retning sammenlignet med verdien ved punktet. Fortsetter vi å øke verdien av magnetisk induksjon i samme retning, oppnår vi fullstendig avmagnetisering av stoffet ved punkt , og så finner vi oss selv igjen ved punkt . Dermed får vi en lukket funksjon som beskriver syklusen med fullstendig magnetiseringsreversering. En slik avhengighet av magnetfeltinduksjonen til en prøve av størrelsen på det eksterne magnetfeltet under en syklus med fullstendig magnetiseringsreversering kalles hystereseløkke. Formen på hystereseløkken er en av hovedkarakteristikkene til ethvert ferromagnetisk stoff. Det er imidlertid umulig å komme til poenget på denne måten.

I dag er det ganske enkelt å oppnå sterke magnetiske felt. Et stort nummer av installasjoner og enheter opererer på permanente magneter. De oppnår felt på 1 – 2 T ved romtemperatur. I små volumer har fysikere lært å oppnå konstante magnetiske felt på opptil 4 Tesla, ved å bruke spesielle legeringer til dette formålet. På lave temperaturer, i størrelsesorden temperaturen til flytende helium, oppnås magnetiske felt over 10 Tesla.

43) Lov om elektromagnetisk induksjon (Faraday-Maxwell lov). Lenz sine regler

Ved å oppsummere resultatene av eksperimentene hans formulerte Faraday loven om elektromagnetisk induksjon. Han viste at med enhver endring i den magnetiske fluksen i en lukket ledende krets, eksiteres en induksjonsstrøm. Følgelig oppstår en indusert emk i kretsen.

Den induserte emk er direkte proporsjonal med endringshastigheten for magnetisk fluks over tid. Den matematiske notasjonen av denne loven ble utarbeidet av Maxwell, og derfor kalles den Faraday-Maxwell-loven (loven om elektromagnetisk induksjon).

Det er mikroskopiske sirkulære strømmer ( molekylære strømmer). Denne ideen ble senere bekreftet, etter oppdagelsen av elektronet og strukturen til atomet: disse strømmene skapes ved bevegelse av elektroner rundt kjernen, og siden de er orientert på samme måte, danner de totalt et felt inne i og rundt magneten.

På bildet EN planene som elementære elektriske strømmer befinner seg i er tilfeldig orientert på grunn av den kaotiske termiske bevegelsen til atomer, og stoffet viser ikke magnetiske egenskaper. I en magnetisert tilstand (under påvirkning, for eksempel av et eksternt magnetfelt) (figur b) disse planene er identisk orientert, og deres handlinger er oppsummert.

Magnetisk permeabilitet.

Mediets reaksjon på påvirkning av et eksternt magnetfelt med induksjon B0 (felt i et vakuum) bestemmes av den magnetiske susceptibiliteten μ :

Hvor I— magnetisk feltinduksjon i et stoff. Magnetisk permeabilitet er lik dielektrisk konstant ɛ .

Basert på deres magnetiske egenskaper deles stoffer inn i diamagnetiske materialer, paramagneter Og ferromagneter. For diamagnetiske materialer er koeffisienten μ , som karakteriserer de magnetiske egenskapene til mediet, er mindre enn enhet (for eksempel for vismut μ = 0,999824); i paramagnetiske materialer μ > 1 (for platina μ - 1,00036); i ferromagneter μ ≫ 1 (jern, nikkel, kobolt).

Diamagneter blir frastøtt av en magnet, paramagnetiske materialer tiltrekkes av den. Ved disse egenskapene kan de skilles fra hverandre. For mange stoffer er den magnetiske permeabiliteten nesten den samme som enhet, men for ferromagneter overskrider den den kraftig, og når flere titusenvis av enheter.

Ferromagneter.

Ferromagneter har de sterkeste magnetiske egenskapene. De magnetiske feltene skapt av ferromagneter er mye sterkere enn det eksterne magnetiseringsfeltet. Det er sant at de magnetiske feltene til ferromagneter ikke skapes som et resultat av rotasjonen av elektroner rundt kjernene - orbitalt magnetisk moment, og på grunn av elektronets egen rotasjon - dets eget magnetiske moment, kalt snurre rundt.

Curie temperatur ( TMed) er temperaturen over hvilken ferromagnetiske materialer mister sine magnetiske egenskaper. Det er forskjellig for hver ferromagnet. For eksempel for jern T s= 753 °C, for nikkel T s= 365 °C, for kobolt T s= 1000 °C. Det er ferromagnetiske legeringer som T s < 100 °С.

De første detaljerte studiene av de magnetiske egenskapene til ferromagneter ble utført av den fremragende russiske fysikeren A. G. Stoletov (1839-1896).

Ferromagneter brukes ganske mye: som permanente magneter (i elektriske måleinstrumenter, høyttalere, telefoner, etc.), stålkjerner i transformatorer, generatorer, elektriske motorer (for å forsterke magnetfeltet og spare strøm). Magnetbånd, som er laget av ferromagnetiske materialer, tar opp lyd og bilder for båndopptakere og videoopptakere. Informasjon registreres på tynne magnetiske filmer for lagringsenheter i elektroniske datamaskiner.

Kalles magnetisk permeabilitet . Absolutt magnetiskpermeabilitet miljø er forholdet mellom B og H. Iht Internasjonalt system enheter det er målt i enheter kalt 1 henry per meter.

Numerisk verdi det uttrykkes ved forholdet mellom dens verdi og verdien av den magnetiske permeabiliteten til vakuumet og er betegnet med µ. Denne verdien kalles relativ magnetiskpermeabilitet(eller ganske enkelt magnetisk permeabilitet) til mediet. Som en relativ størrelse har den ikke en måleenhet.

Følgelig er den relative magnetiske permeabiliteten µ en verdi som viser hvor mange ganger feltinduksjonen til et gitt medium er mindre (eller større) enn induksjonen av et vakuummagnetfelt.

Når et stoff blir utsatt for et eksternt magnetfelt, blir det magnetisert. Hvordan skjer dette? I følge Amperes hypotese sirkulerer mikroskopiske elektriske strømmer konstant i hvert stoff, forårsaket av bevegelsen av elektroner i deres baner og tilstedeværelsen av deres egne Under normale forhold er denne bevegelsen uordnet, og feltene "slukker" (kompenserer) hverandre . Når et legeme plasseres i et eksternt felt, blir strømmene ordnet, og kroppen blir magnetisert (dvs. har sitt eget felt).

Den magnetiske permeabiliteten til alle stoffer er forskjellig. Basert på størrelsen kan stoffer deles inn i tre store grupper.

U diamagnetiske materialer verdien av magnetisk permeabilitet µ er litt mindre enn enhet. For eksempel har vismut µ = 0,9998. Diamagneter inkluderer sink, bly, kvarts, kobber, glass, hydrogen, benzen og vann.

Magnetisk permeabilitet paramagnetisk litt mer enn én (for aluminium µ = 1,000023). Eksempler på paramagnetiske materialer er nikkel, oksygen, wolfram, hard gummi, platina, nitrogen, luft.

Til slutt inkluderer den tredje gruppen en rekke stoffer (hovedsakelig metaller og legeringer), hvis magnetiske permeabilitet betydelig (flere størrelsesordener) overstiger enhet. Disse stoffene er ferromagneter. Dette inkluderer hovedsakelig nikkel, jern, kobolt og deres legeringer. For stål µ = 8∙10^3, for en nikkel-jernlegering µ=2,5∙10^5. Ferromagneter har egenskaper som skiller dem fra andre stoffer. For det første har de restmagnetisme. For det andre avhenger deres magnetiske permeabilitet av størrelsen på den eksterne feltinduksjonen. For det tredje, for hver av dem er det en viss temperaturterskel, kalt Curie poeng, hvor den mister sine ferromagnetiske egenskaper og blir paramagnetisk. For nikkel er Curie-punktet 360 °C, for jern - 770 °C.

Egenskapene til ferromagneter bestemmes ikke bare av magnetisk permeabilitet, men også av verdien av I, kalt magnetisering av dette stoffet. Dette er en kompleks ikke-lineær funksjon av magnetisk induksjon. økningen i magnetisering er beskrevet av en linje kalt magnetiseringskurve. I dette tilfellet, etter å ha nådd et visst punkt, slutter magnetiseringen praktisk talt å vokse (den magnetisk metning). Etterslepet av magnetiseringsverdien til en ferromagnet fra den økende verdien av den eksterne feltinduksjonen kalles magnetisk hysterese. I dette tilfellet er det en avhengighet av de magnetiske egenskapene til en ferromagnet ikke bare av dens nåværende tilstand, men også av dens tidligere magnetisering. Den grafiske representasjonen av kurven til denne avhengigheten kalles hystereseløkke.

På grunn av deres egenskaper er ferromagneter mye brukt i teknologi. De brukes i rotorene til generatorer og elektriske motorer, i produksjon av transformatorkjerner og i produksjon av deler til elektroniske datamaskiner. Ferromagneter brukes i båndopptakere, telefoner, magnetbånd og andre medier.

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 oppstår på grunn av 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 sann. 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 svært 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 til magnetiseringsstrømmer er rettet på samme måte som det ytre feltet, 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 magnetiseres (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 bredt praktisk bruk innen vitenskap og teknologi er det derfor utviklet et betydelig antall legeringer med forskjellige ferromagnetiske egenskaper.

Alle gitte eksempler 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. Mekanisk romrotasjon av deler av stoffet forekommer imidlertid ikke. 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 strøm gjennom solenoiden motsatt retning, 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

1. 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.
2. 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.
3. Slobodyanyuk A.I. Fysikk 10. §13 Samspill mellom et magnetfelt og materie

Notater

1. Vi vurderer retningen til magnetfeltinduksjonsvektoren bare i midten av kretsen.