Какая величина характеризует магнитные свойства веществ
Магнетики — вещества, обладающие магнитными свойствами. Магнетиками являются все вещества, поскольку согласно гипотезе Ампера, магнитные свойства создаются элементарными токами (движением электрона в атоме).
Электрон, вращающийся по замкнутой орбите, представляет собой ток, направление которого противоположно движению электрона. Тогда это движение создает магнитное поле, магнитный момент которого pm = IS направлен по правилу правой руки перпендикулярно плоскости орбиты.
Кроме того, независимо от орбитального движения, электроны обладают собственным магнитным моментом (спином). Таким образом, магнетизм атомов обусловлен двумя причинами: движением электронов по орбитам и собственным магнитным моментом.
При внесении магнетика во внешнее магнитное поле с индукцией В0 он намагничивается, то есть создает собственное магнитное поле с индукцией В’, которое складывется с внешним:
В = В0 + В’
Индукция собственного магнитного поля зависит как от внешнего поля, так и от магнитной восприимчивости χ вещества:
В’ = χ В0
Тогда В = В0 + χ В0 = В0 (1 + χ)
Но магнитная индукция внутри магнетика зависит от магнитной проницаемости вещевтва:
В = μ В0
Отсюда μ = 1 + χ.
Магнитная восприимчивость χ — физическая величина, характеризующая связь между магнитным моментом (намагниченностью) вещества и магнитным полем в этом веществе
| Магнитная проницаемость μ — коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля в веществе
|
В отличие от диэлектрической проницаемости вещества, которая всегда больше единицы, магнитная проницаемость может быть как больше, так и меньше единицы. Различают диамагнетики (μ < 1), парамагнетики (μ > 1) и ферромагнетики (μ >> 1).
Диамагнетики
Диамагнетиками называются вещества, которые намагничиваются во внешнем магнитном поле в направлении, противоположном направлению вектора магнитной индукции поля.
К диамагнетикам относятся вещества, магнитные моменты атомов, молекул или ионов которых в отсутствие внешнего магнитного поля равны нулю. Диамагнетиками являются инертные газы, молекулярный водород и азот, цинк, медь, золото, висмут, парафин и многие другие органические и неорганические соединения.
В случае отсутствия магнитного поля диамагнетик немагнитен, поскольку в данном случае магнитные моменты электронов взаимно компенсируются, и суммарный магнитный момент атома равен нулю.
Т.к. диамагнитный эффект обусловлен действием внешнего магнитного поля на электроны атомов вещества, то диамагнетизм свойственен всем веществам.
Следует отметить, что магнитная проницаемость у диамагнетиков µ < 1. Вот, например, у золота µ = 0,999961, у меди µ = 0,9999897 и т.д.
В магнитном поле диамагнетики располагаются перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.
Парамагнетики
Парамагнетики – вещества, намагничивающиеся во внешнем магнитном поле по направлению поля.
У парамагнитных веществ при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты электронов не компенсируют друг друга, и атомы (молекулы) парамагнетиков всегда обладают магнитным моментом. Однако вследствие теплового движения молекул их магнитные моменты ориентированы беспорядочно, поэтому парамагнитные вещества магнитными свойствами не обладают. При внесении парамагнетиков во внешнее магнитное поле устанавливается преимущественная ориентация магнитных моментов атомов по полю (полной ориентации препятствует тепловое движение атомов).
Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его.
При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается.
Вот некоторые парамагнитные вещества: алюминий µ = 1,000023; воздух µ = 1,00000038.
Во внешнем магнитном поле парамагнетики располагаются вдоль силовых линий.
Ферромагнетики
Ферромагнетиками называются твердые вещества, обладающие при не слишком высоких температурах самопроизвольной (спонтанной) намагниченностью, которая сильно изменяется под влиянием внешних воздействий – магнитного поля, деформации, изменения температуры.
Ферромагнетики в отличие от слабомагнитных диа- и парамагнетиков являются сильномагнитными средами:
внутреннее магнитное поле в них может в сотни и тысячи раз превосходить внешнее поле.
Ферромагнитные материалы в большой или меньшей степени обладают магнитной анизотропией, т.е. свойством намагничиваться с различной степенью трудности в различных направлениях.
Магнитные свойства ферромагнитных материалов сохраняются до тех пор, пока их температура не достигнет значения, называемого точкой Кюри. При температурах выше точки Кюри ферромагнетик ведет себя во внешнем магнитном поле как парамагнитное вещество. Он не только теряет свои ферромагнитные свойства, но у него изменяется теплоемкость, электропроводимость и некоторые другие физические характеристики.
Точка Кюри для различных материалов различна:
| Железо (Fe) | 780 οС |
| Никель (Ni) | 350 οС |
| Кобальт (Co) | 1130 οС |
| Гадолиний (Gd) | 16 οС |
| Диспрозий (Dy) | -186 οС |
Природа ферромагнетизма:
Согласно представлениям Вейсса (1865-1940), его описательной теории ферромагнетизма, ферромагнетики при температурах ниже точки Кюри обладают спонтанной намагниченностью независимо от наличия внешнего намагничивающего поля. Однако это вносило некое противоречие, т.к. многие ферромагнитные материалы при температурах ниже точки Кюри не намагничены.
Для устранения этого противоречия Вейсс ввел гипотезу, согласно которой ферромагнетик ниже точки Кюри разбивается на большое число малых микроскопических (порядка 10-3– 10-2 см) областей – доменов, самопроизвольно намагниченных до насыщения.
При отсутствии внешнего магнитного поля магнитные моменты отдельных атомов ориентированы хаотически и компенсируют друг друга, поэтому результирующий магнитный момент ферромагнетика равен нулю, т.е. ферромагнетик не намагничен.
Внешнее магнитное поле ориентирует по полю магнитные моменты не отдельных атомов, как в парамагнетике, а целых областей спонтанной намагниченности. Поэтому с ростом H намагниченность J и магнитная индукция B уже в слабых полях растет довольно быстро.
Различные ферромагнитные материалы обладают неодинаковой способностью проводить магнитный поток. Основной характеристикой ферромагнитного материала является петля магнитного гистерезиса В(Н). Эта зависимость определяет значение магнитной индукции, которая будет возбуждена в магнитопроводе из данного материала при воздействии некоторой напряженности поля.
Рассмотрим процесс перемагничивания ферромагнетика. Пусть первоначально он был полностью размагничен. Сначала индукция быстро возрастает за счет того, что магнитные диполи ориентируются по силовым линиям поля, добавляя свой магнитный поток к внешнему. Затем ее рост замедляется по мере того, как количество неориентированных диполей уменьшается и, наконец, когда практически все они ориентируются по внешнему полю рост индукции прекращается и наступает режим насыщения.
Гистерезисом называют отставание изменения индукции от напряженности магнитного поля.
Симметричная петля гистерезиса, полученная при максимальной напряженности поля Hm, соответствующей насыщению ферромагнетика, называется предельным циклом.
Для предельного цикла устанавливают также значения индукции Br при H = 0, которое называется остаточной индукцией, и значение Hc при B = 0, называемое коэрцитивной силой. Коэрцитивная (удерживающая) сила показывает, какую напряженность внешнего поля следует приложить к веществу, чтобы уменьшить остаточную индукцию до нуля.
Форма и характерные точки предельного цикла определяют свойства ферромагнетика. Вещества с большой остаточной индукцией, коэрцитивной силой и площадью петли гистерезиса называются магнитнотвердыми.
Они используются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с малой остаточной индукцией и площадью петли гистерезиса (кривая 2 рис.8а) называются магнитномягкими и используются для изготовления магнитопроводов электротехнических устройств, в особенности работающих при периодически изменяющемся магнитном потоке.
Площадь петли гистерезиса характеризует работу, которую необходимо совершить для перемагничивания ферромагнетика. Если по условиям работы ферромагнетик должен перемагничиваться, то его следует делать из магнито-мягкого материала, площадь петли гистерезиса которого мала. Из мягких ферромагнетиков делают сердечники трансформаторов.
Из жестких ферромагнетиков (сталь и ее сплавы) делают постоянные магниты.
Äëÿ òîãî, ÷òîáû îáúÿñíèòü ñóùåñòâîâàíèå ìàãíèòíîãî ïîëÿ ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ, Àìïåð ïðåäïîëîæèë, ÷òî â âåùåñòâå, êîòîðîå îáëàäàåò ìàãíèòíûìè ñâîéñòâàìè, åñòü ìèêðîñêîïè÷åñêèå êðóãîâûå òîêè (ìîëåêóëÿðíûå òîêè). Ýòà èäåÿ â äàëüíåéøåì, ïîñëå îòêðûòèÿ ýëåêòðîíà è ñòðîåíèÿ àòîìà, ïîäòâåðäèëàñü: ýòè òîêè ñîçäàþòñÿ äâèæåíèåì ýëåêòðîíîâ âîêðóã ÿäðà è, òàê êàê îðèåíòèðîâàíû îäèíàêîâî, â ñóììå îáðàçóþò ïîëå âíóòðè è âîêðóã ìàãíèòà.
Íà ðèñóíêå à ïëîñêîñòè, â êîòîðûõ ðàçìåùåíû ýëåìåíòàðíûå ýëåêòðè÷åñêèå òîêè, îðèåíòèðîâàíû áåñïîðÿäî÷íî èç-çà õàîòè÷íîãî òåïëîâîãî äâèæåíèÿ àòîìîâ, è âåùåñòâî íå ïðîÿâëÿåò ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ.  íàìàãíè÷åííîì ñîñòîÿíèè (ïîä äåéñòâèåì, íàïðèìåð, âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ) (ðèñóíîê á) ýòè ïëîñêîñòè îðèåíòèðîâàíû îäèíàêîâî, è èõ äåéñòâèÿ ñóììèðóþòñÿ.
Ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü.
Ðåàêöèÿ ñðåäû íà âîçäåéñòâèå âíåøíåãî ìàãíèòíîãî ïîëÿ ñ èíäóêöèåé Â0 (ïîëå â âàêóóìå) îïðåäåëÿåòñÿ ìàãíèòíîé âîñïðèèì÷èâîñòüþ μ:
.
ãäå  — èíäóêöèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ â âåùåñòâå. Ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü àíàëîãè÷íà äèýëåêòðè÷åñêîé ïðîíèöàåìîñòè ɛ.
Ïî ñâîèì ìàãíèòíûì ñâîéñòâàì âåùåñòâà ðàçäåëÿþòñÿ íà äèàìàãíåòèêè, ïàðàìàãíåòèêè è ôåððîìàãíåòèêè. Ó äèàìàãíåòèêîâ êîýôôèöèåíò μ, êîòîðûé õàðàêòåðèçóåò ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ñðåäû, ìåíüøå åäèíèöû (ê ïðèìåðó, ó âèñìóòà μ = 0,999824); ó ïàðàìàãíåòèêîâ μ > 1 (ó ïëàòèíû μ — 1,00036); ó ôåððîìàãíåòèêîâ μ ≫ 1 (æåëåçî, íèêåëü, êîáàëüò).
Äèàìàãíåòèêè îòòàëêèâàþòñÿ îò ìàãíèòà, ïàðàìàãíåòèêè — ïðèòÿãèâàþòñÿ ê íåìó. Ïî ýòèì ïðèçíàêàì èõ ìîæíî îòëè÷èòü äðóã îò äðóãà. Ó ìíîãèõ âåùåñòâ ìàãíèòíàÿ ïðîíèöàåìîñòü ïî÷òè íå îòëè÷àåòñÿ îò åäèíèöû, íî ó ôåððîìàãíåòèêîâ ñèëüíî ïðåâîñõîäèò åå, äîñòèãàÿ íåñêîëüêèõ äåñÿòêîâ òûñÿ÷ åäèíèö.
Ôåððîìàãíåòèêè.
Ñàìûå ñèëüíûå ìàãíèòíûå ñâîéñòâà ïðîÿâëÿþò ôåððîìàãíåòèêè. Ìàãíèòíûå ïîëÿ, êîòîðûå ñîçäàâàþòñÿ ôåððîìàãíåòèêàìè, ãîðàçäî ñèëüíåå âíåøíåãî íàìàãíè÷èâàþùåãî ïîëÿ. Ïðàâäà, ìàãíèòíûå ïîëÿ ôåððîìàãíåòèêîâ ñîçäàþòñÿ íå âñëåäñòâèå îáðàùåíèÿ ýëåêòðîíîâ âîêðóã ÿäåð — îðáèòàëüíîãî ìàãíèòíîãî ìîìåíòà, à âñëåäñòâèå ñîáñòâåííîãî âðàùåíèÿ ýëåêòðîíà — ñîáñòâåííîãî ìàãíèòíîãî ìîìåíòà, íàçûâàåìîãî ñïèíîì.
Òåìïåðàòóðà Êþðè (Òñ) — ýòî òåìïåðàòóðà, âûøå êîòîðîé ôåððîìàãíèòíûå ìàòåðèàëû òåðÿþò ñâîè ìàãíèòíûå ñâîéñòâà. Äëÿ êàæäîãî ôåððîìàãíåòèêà îíà ñâîÿ. Íàïðèìåð, äëÿ æåëåçà Òñ= 753 °Ñ, äëÿ íèêåëÿ Òñ = 365 °Ñ, äëÿ êîáàëüòà Òñ = 1000 °Ñ. Ñóùåñòâóþò ôåððîìàãíèòíûå ñïëàâû, ó êîòîðûõ Òñ < 100 °Ñ.
Ïåðâûå äåòàëüíûå èññëåäîâàíèÿ ìàãíèòíûõ ñâîéñòâ ôåððîìàãíåòèêîâ áûëè âûïîëíåíû âûäàþùèìñÿ ðóññêèì ôèçèêîì À. Ã. Ñòîëåòîâûì (1839-1896).
Ôåððîìàãíåòèêè ïðèìåíÿþòñÿ äîâîëüíî øèðîêî: â êà÷åñòâå ïîñòîÿííûõ ìàãíèòîâ (â ýëåêòðîèçìåðèòåëüíûõ ïðèáîðàõ, ãðîìêîãîâîðèòåëÿõ, òåëåôîíàõ è òàê äàëåå), ñòàëüíûõ ñåðäå÷íèêîâ â òðàíñôîðìàòîðàõ, ãåíåðàòîðàõ, ýëåêòðîäâèãàòåëÿõ (äëÿ óñèëåíèÿ ìàãíèòíîãî ïîëÿ è ýêîíîìèè ýëåêòðîýíåðãèè). Íà ìàãíèòíûõ ëåíòàõ, êîòîðûå èçãîòîâëåíû èç ôåððîìàãíåòèêîâ, îñóùåñòâëÿåòñÿ çàïèñü çâóêà è èçîáðàæåíèÿ äëÿ ìàãíèòîôîíîâ è âèäåîìàãíèòîôîíîâ. Íà òîíêèå ìàãíèòíûå ïëåíêè ïðîèçâîäèòñÿ çàïèñü èíôîðìàöèè äëÿ çàïîìèíàþùèõ óñòðîéñòâ â ýëåêòðîííî-âû÷èñëèòåëüíûõ ìàøèíàõ.
Электрический ток связан с магнитным полем. Основными величинами, характеризующими магнитное поле, являются: магнитный поток, магнитная индукция и напряженность магнитного поля.
В качестве силовой характеристики магнитного поля вводится векторная величина В, называемая индукцией магнитного поля или просто индукцией. Модуль вектора индукции магнитного поля равен отношению магнитной силы F, направленной вдоль радиуса-вектора, соединяющего точечные заряды, к произведению заряда Q на его скорость v при условии, что заряд движется перпендикулярно вектору индукции:
B =F/(Qv)
Единица индукции магнитного поля – Тесла (Тл): 1 Тл — это индукция поля, которое действует на заряд 1 Кл, движущийся со скоростью 1 м/с перпендикулярно вектору индукции, с поперечной силой 1 Н.
Напряженностью Н магнитного поля называют величину:
Другой важной характеристикой магнитного поля является величина, называемая магнитным потоком.
Ф = ВS
Единицу магнитного потока – вебер (Вб): 1 Вб — магнитный поток, пронизывающий поверхность площадью 1 метр кв., расположенную перпендикулярно силовым линиям однородного магнитного поля с индукцией 1 Тл.
Напряженность магнитного поля связана с магнитной индукцией соотношением
Магнитная проницаемость вещества
Относительная магнитная проницаемость
Магнитная проницаемость в вакууме
Магнитная проницаемость — безразмерная величина. Таким образом, каждое данное вещество может характеризоваться присущей ему магнитной проницаемостью, так же как диэлектрик — диэлектрической проницаемостью.
Все тела, помещаемые в магнитное поле, изменяют его индукцию.
В 50-х годах прошлого столетия Фарадей обнаружил, что все тела обладают магнитными свойствами, но степень и характер их взаимодействия с полем у различных веществ различны. В связи с этим различают вещества с парамагнитными, диамагнитными и ферромагнитными свойствами.
· диамагнетики (висмут, вода, водород, медь, стекло);
· парамагнетики (кислород, платина, вольфрам, алюминий);
· ферромагнетики (железо, кобальт, чугун, никель).
У диамагнетиков, как и у парамагнетиков, зависимость В(Н) (кривая намагничивания рис.11.1) является линейной, отличие только в угле наклона графика.
Рис.11.1. Кривая намагничивания
Кривая намагничивания показывает связь между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля. У ферромагнетиков эта связь существенно нелинейная. Индукция поля в намагниченном ферромагнетике сначала быстро нарастает с ростом напряженности внешнего магнитного поля. Затем рост индукции поля замедляется. В стали потери на перемагничивание пропорциональны площади, ограниченной кривой намагничивания.
Материалы с большой площадью кривой намагничивания называются магнитотвердыми, с малой площадью кривой намагничивания — магнитомягкими, например, электротехническая сталь. Важное отличие ферромагнетиков также заключается в том, что если пара- или диамагнитные свойства вещества проявляются у газов и жидкостей, то ферромагнитные свойства наблюдают только у кристаллов.
Рис.11.2. Петля гистерезиса
Характерным свойством ферромагнетиков является гистерезис (рис.11.2). Явление заключается в том, что индукция ферромагнетика В зависит не только от напряженности намагничивающего поля в данный момент, но и от предварительного намагничивания образца. Поэтому вообще нельзя указать, какая индукция ферромагнетика соответствует данному значению напряженности намагничивающего поля, если неизвестно, в каком состоянии он до этого находился. То же, естественно, относится к значениям магнитной проницаемости.
Участок ОС кривой на графике характеризует ход первоначальной намагниченности, т. е. случая, когда ферромагнетик был сначала нагрет выше точки Кюри и тем самым полностью размагничен, а затем охлажден и подвергнут намагничиванию. Совершенно иной вид будет иметь кривая намагничивания, если ферромагнетик был уже ранее намагничен.
Изготовим сердечник в форме тороида из размагниченного ферромагнетика и обмотаем его равномерно проводником. Меняя силу тока в обмотке, мы тем самым меняем напряженность намагничивающего поля. Пусть напряженность поля возрастет до значения Hs. Этому значению поля соответствует индукция насыщения, равная Bs. Будем уменьшать силу тока в обмотке, уменьшая тем самым напряженность намагничивающего поля. Мы убедимся, что индукция сердечника в процессе размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда сила тока в обмотке станет равной нулю, исчезнет и намагничивающее поле. Но индукция ферромагнетика не обратится в нуль — сердечник сохранит некоторую остаточную индукцию Вr. И только в том случае, когда по обмотке будет пропущен ток обратного направления и возникнет поле с напряженностью — Нc, индукция сердечника обратится в нуль. Напряженность размагничивающего поля Нc называют коэрцитивной силой.
Если увеличивать в обмотке силу тока обратного направления, то индукция магнитного поля в сердечнике будет возрастать тоже в противоположном направлении до насыщения.
Магнитной цепью называется часть электротехнического устройства, предназначенная для создания в его рабочем объеме магнитного поля заданной величины и конфигурации.
Магнитная цепь электрических реле, трансформаторов, электрических машин состоит из источников, возбуждающих магнитное поле, и магнитопровода, в котором магнитный поток концентрируется и практически весь замыкается.
При расчете магнитной цепи может быть поставлена задача определения намагничивающей силы (н.с.) при заданном магнитном потоке или индукции — это прямая задача. Обратная задача — определить магнитный поток по намагничивающей силе.
В обеих задачах должны быть известны размеры участков магнитной цепи и кривая намагничивания материала.
Расчет магнитной цепи производится на основании первого закона Кирхгофа, по которому алгебраическая сумма магнитных потоков в узле магнитной цепи равна 0:
и второго закона Кирхгофа для магнитной цепи или закона полного тока
Циркуляция вектора напряженности магнитного поля Н по замкнутому контуру равна алгебраической сумме токов, охватываемых этим контуром.
Если контур интегрирования охватывает W витков, то
— намагничивающая сила или магнитодвижущая сила (МДС), измеряется в ампер-витках (ав).
В общем случае
11.3.Закон Ома для участка магнитной цепи длиной lсрплощадью S.
При напряжении Uм между концами участка связь между напряженностью магнитного поля Н и индукцией В выражается формулой:
В этом выражении Ф аналогичен току электрической цепи, а магнитное напряжение — электрическому напряжению.
Тогда магнитное сопротивление
Магнитное сопротивление определяется воздушным зазором. При наличии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется большой ток. При отсутствии воздушного зазора для создания соответствующей индукции требуется небольшой ток.
Нелинейность кривой намагничивания обусловливает нелинейность индуктивного сопротивления катушки на магнитном сердечнике.
Катушки индуктивности на ферромагнитном магнитопроводе считаются нелинейными элементами как в цепи постоянного тока, так и при синусоидальном напряжении.
Для электрических цепей с нелинейным индуктивным и линейным емкостным сопротивлениями характерны явления феррорезонанса. При последовательном соединении различают феррорезонанс напряжений, а при параллельном — феррорезонанс токов. Для изменения индуктивного сопротивления катушки с ферромагнитным сердечником используют подмагничивание сердечника дополнительной катушкой, питаемой постоянным током. В этом случае она называется дросселем насыщения и используется для регулирования скорости вращения двигателей, регулирования освещения, а также в выпрямительных установках с регулируемым напряжением.