У ферромагнитных веществ относительная магнитная проницаемость. Магнитная проницаемость материалов

Многочисленные опыты свидетельствуют о том, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются и создают собственное магнитное поле, действие которого складывается с действием внешнего магнитного поля:

$$\boldsymbol{\vec{B}={\vec{B}}_{0}+{\vec{B}}_{1}}$$

где $\boldsymbol{\vec{B}}$ - магнитная индукция поля в веществе; $\boldsymbol{{\vec{B}}_{0}}$ - магнитная индукция поля в вакууме, $\boldsymbol{{\vec{B}}_{1}}$ - магнитная индукция поля, возникшего благодаря намагничиванию вещества. При этом вещество может либо усиливать, либо ослаблять магнитное поле. Влияние вещества на внешнее магнитное поле характеризуется величиной μ , которая называется магнитной проницаемостью вещества

$$ \boldsymbol{\mu =\frac{B}{{B}_{0}}}$$

• Магнитная проницаемость - это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.

Все вещества состоят из молекул, молекулы - из атомов. Электронные оболочки атомов можно условно рассматривать состоящими из круговых электрических токов, образованных движущимися электронами. Круговые электрические токи в атомах должны создавать собственные магнитные поля. На электрические токи должно оказывать действие внешнее магнитное поле, в результате чего можно ожидать либо усиления магнитного поля при сонаправленности атомных магнитных полей с внешним магнитным полем, либо их ослабления при их противоположной направленности.
Гипотеза о существовании магнитных полей в атомах и возможности изменения магнитного поля в веществе полностью соответствует действительности. Все вещества по действию на них внешнего магнитного поля можно разделить на три основные группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики.

Диамагнетиками называются вещества, в которых внешнее магнитное поле ослабляется. Это значит, что магнитные поля атомов таких веществ во внешнем магнитном поле направлены противоположно внешнему магнитному полю (µ < 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнитной проницаемостью µ = 0,999826.

Для понимания природы диамагнетизма рассмотрим движение электрона, который влетает со скоростью v в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору В магнитного поля.

Под действием силы Лоренца электрон станет двигаться по окружности, направление его вращения определяется направлением вектора силы Лоренца. Возникший круговой ток создаёт своё магнитное поле В" . Это магнитное поле В" направлено противоположно магнитному полю В . Следовательно, любое вещество, содержащее свободно движущиеся заряженные частицы, должно обладать диамагнитными свойствами.
Хотя в атомах вещества электроны не свободны, изменение их движения внутри атомов под действием внешнего магнитного поля оказывается эквивалентным круговому движению свободных электронов. Поэтому любое вещество в магнитном поле обязательно обладает диамагнитными свойствами.
Однако диамагнитные эффекты очень слабы и обнаруживаются только у веществ, атомы или молекулы которых не обладают собственным магнитным полем. Примерами диамагнетиков являются свинец, цинк, висмут (μ = 0,9998).

Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Анри Ампер (1820 г.). Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.

Рассмотрим причины магнетизма атомов более подробно:

Возьмем некоторое твердое вещество. Его намагниченность связана с магнитными свойствами частиц (молекул и атомов), из которых оно состоит. Рассмотрим, какие контуры с током возможны на микроуровне. Магнетизм атомов обусловлен двумя основными причинами:

1) движением электронов вокруг ядра по замкнутым орбитам (орбитальный магнитный момент ) (рис. 1);

Рис. 2

2) собственным вращением (спином) электронов (спиновой магнитный момент ) (рис. 2).

Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то вектора индукций магнитных полей , созданные ими (орбитальные и спиновые магнитные моменты), направлены под разными углами друг к другу. Результирующий вектор индукции многоэлектронного атома равен векторной сумме векторов индукций полей, создаваемых отдельными электронами. Не скомпенсированными полями обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками результирующий вектор индукции равен 0.

Во всех случаях изменение магнитного поля обусловлено появлением токов намагниченности (наблюдается явление электромагнитной индукции). Иными словами принцип суперпозиции для магнитного поля остается справедливым: поле внутри магнетика является суперпозицией внешнего поля $\boldsymbol{{\vec{B}}_{0}}$ и поля $\boldsymbol{\vec{B"}}$ токов намагничивания i" , которые возникают под действием внешнего поля. Если поле токов намагниченности направлено так же, как и внешнее поле, то индукция суммарного поля будет больше внешнего поля (Рис. 3, а) – в этом случае мы говорим, что вещество усиливает поле; если же поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, то суммарное поле будет меньше внешнего поля (Рис. 3, б) – именно в этом смысле мы говорим, что вещество ослабляет магнитное поле.

Рис. 3

В диамагнетиках молекулы не обладают собственным магнитным полем. Под действием внешнего магнитного поля в атомах и молекулах поле токов намагниченности направлено противоположно внешнему полю, поэтому модуль вектора магнитной индукции $ \boldsymbol{\vec{B}}$ результирующего поля будет меньше модуль вектора магнитной индукции $ \boldsymbol{{\vec{B}}_{0}} $ внешнего поля.

Вещества, в которых внешнее магнитное поле усиливается в результате сложения с магнитными полями электронных оболочек атомов вещества из-за ориентации атомных магнитных полей в направлении внешнего магнитного поля, называются парамагнетиками (µ > 1).

Парамагнетики очень слабо усиливают внешнее магнитное поле. Магнитная проницаемость парамагнетиков отличается от единицы лишь на доли процента. Например, магнитная проницаемость платины равна 1,00036. Из – за очень малых значений магнитной проницаемости парамагнетиков и диамагнетиков их влияние на внешнее поле или воздействие внешнего поля на парамагнитные или диамагнитные тела очень трудно обнаружить. Поэтому в обычной повседневной практике, в технике парамагнитные и диамагнитные вещества рассматриваются как немагнитные, то есть вещества, не изменяющие магнитное поле и не испытывающие действия со стороны магнитного поля. Примерами парамагнетиков являются натрий, кислород, алюминий (μ = 1,00023).

В парамагнетиках молекулы обладают собственным магнитным полем. В отсутствии внешнего магнитного поля из-за теплового движения вектора индукций магнитных полей атомов и молекул ориентированы хаотически, поэтому их средняя намагниченность равна нулю (рис. 4, а). При наложении внешнего магнитного поля на атомы и молекулы начинает действовать момент сил, стремящийся повернуть их так, чтобы их поля были ориентированы параллельно внешнему полю. Ориентация молекул парамагнетика приводит к тому, что вещество намагничивается (рис. 4, б).

Рис. 4

Полной ориентации молекул в магнитном поле препятствует их тепловое движение, поэтому магнитная проницаемость парамагнетиков зависит от температуры. Очевидно, что с ростом температуры магнитная проницаемость парамагнетиков уменьшается.

Ферромагнетики

Вещества, значительно усиливающие внешнее магнитное поле, называются ферромагнетиками (никель, железо, кобальт и др.). Примерами ферромагнетиков являются кобальт, никель, железо (μ достигает значения 8·10 3).

Само название этого класса магнитных материалов происходит от латинского имени железа - Ferrum. Главная особенность этих веществ заключается в способности сохранять намагниченность в отсутствии внешнего магнитного поля, все постоянные магниты относятся к классу ферромагнетикам. Кроме железа ферромагнитными свойствами обладают его «соседи» по таблице Менделеева - кобальт и никель. Ферромагнетики находят широкое практическое применение в науке и технике, поэтому разработано значительное число сплавов, обладающих различными ферромагнитными свойствами.

Все приведенные примеры ферромагнетиков относятся к металлам переходной группы, электронная оболочка которых содержит несколько не спаренных электронов, что и приводит к тому, что эти атомы обладают значительным собственным магнитным полем. В кристаллическом состоянии благодаря взаимодействию между атомами в кристаллах возникают области самопроизвольной (спонтанной) намагниченности - домены. Размеры этих доменов составляют десятые и сотые доли миллиметра (10 -4 − 10 -5 м), что значительно превышает размеры отдельного атома (10 -9 м). В пределах одного домена магнитные поля атомов ориентированы строго параллельно, ориентация магнитных полей других доменов при отсутствии внешнего магнитного поля меняется произвольно (рис. 5).

Рис. 5

Таким образом, и в не намагниченном состоянии внутри ферромагнетика существуют сильные магнитные поля, ориентация которых при переходе от одного домена к другому меняется случайным хаотическим образом. Если размеры тела значительно превышают размеры отдельных доменов, то среднее магнитное поле, создаваемое доменами этого тела, практически отсутствует.

Если поместить ферромагнетик во внешнее магнитное поле B 0 , то магнитные моменты доменов начинают перестраиваться. Однако механического пространственного вращения участков вещества не происходит. Процесс перемагничивания связан с изменением движения электронов, но не с изменением положения атомов в узлах кристаллической решетки. Домены, имеющие наиболее выгодную ориентацию относительно направления поля, увеличивают свои размеры за счет соседних «неправильно ориентированных» доменов, поглощая их. При этом поле в веществе возрастает весьма существенно.

Свойства ферромагнетиков

1) ферромагнитные свойства вещества проявляются только тогда, когда соответствующее вещество находится в кристаллическом состоянии ;

2) магнитные свойства ферромагнетиков сильно зависят от температуры, так как ориентации магнитных полей доменов препятствует тепловое движение. Для каждого ферромагнетика существует определенная температура, при котором доменная структура полностью разрушается, и ферромагнетик превращается в парамагнетик. Это значение температуры называется точкой Кюри . Так для чистого железа значение температуры Кюри приблизительно равно 900°C;

3) ферромагнетики намагничиваются до насыщения в слабых магнитных полях. На рисунке 6 показано, как изменяется модуль индукции магнитного поля B в стали с изменением внешнего поля B 0 :

Рис. 6

4) магнитная проницаемость ферромагнетика зависит от внешнего магнитного поля (рис. 7).

Рис. 7

Это объясняется тем, что вначале с увеличением B 0 магнитная индукция B растет сильнее, а, следовательно, μ будет увеличиваться. Затем при значении магнитной индукции B" 0 наступает насыщение (μ в этот момент максимальна) и при дальнейшем увеличении B 0 магнитная индукция B 1 в веществе перестает изменяться, а магнитная проницаемость уменьшается (стремится к 1):

$$\boldsymbol{\mu = \frac B{B_0} = \frac {B_0 + B_1}{B_0} = 1 + \frac {B_1}{B_0};} $$

5) у ферромагнетиков наблюдается остаточная намагниченность. Если, например, ферромагнитный стержень поместить в соленоид, по которому проходит ток, и намагнитить до насыщения (точка А ) (рис. 8), а затем уменьшать ток в соленоиде, а вместе с ним и B 0 , то можно заметить, что индукция поля в стержне в процессе его размагничивания остается все время большей, чем в процессе намагничивания. Когда B 0 = 0 (ток в соленоиде выключен), индукция будет равна B r (остаточная индукция). Стержень можно вынуть из соленоида и использовать как постоянный магнит. Чтобы окончательно размагнитить стержень, нужно пропустить по соленоиду ток противоположного направления, т.е. приложить внешнее магнитное поле с противоположным направлением вектора индукции. Увеличивая теперь по модулю индукцию этого поля до B oc , размагничивают стержень (B = 0).

• Модуль B oc индукции магнитного поля, размагничивающего намагниченный ферромагнетик, называют коэрцитивной силой .

Рис. 8

При дальнейшем увеличении B 0 можно намагнитить стержень до насыщения (точка А" ).

Уменьшая теперь B 0 до нуля, получают опять постоянный магнит, но с индукцией –B r (противоположного направления). Чтобы вновь размагнитить стержень, нужно снова включить в соленоид ток первоначального направления, и стержень размагнитится, когда индукция B 0 станет равной B oc . Продолжая увеличивать я B 0 , снова намагничивают стержень до насыщения (точка А ).

Таким образом, при намагничивании и размагничивании ферромагнетика индукция B отстает от B 0. Это отставание называется явлением гистерезиса . Изображенная на рисунке 8 кривая называется петлей гистерезиса .

Вид кривой намагничивания (петли гистерезиса) существенно различается для различных ферромагнитных материалов, которые нашли очень широкое применение в научных и технических приложениях. Некоторые магнитные материалы имеют широкую петлю с высокими значениями остаточной намагниченности и коэрцитивной силы, они называются магнитно-жесткими и используются для изготовления постоянных магнитов. Для других ферромагнитных сплавов характерны малые значения коэрцитивной силы, такие материалы легко намагничиваются и перемагничиваются даже в слабых полях. Такие материалы называются магнитно-мягкими и используются в различных электротехнических приборах - реле, трансформаторах, магнитопроводах и др.

Литература

1. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н.Н.Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. - Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. - C.330- 335.
2. Жилко, В. В. Физика: учеб. пособие для 11-го кл. общеобразоват. шк. с рус. яз. обучения / В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. - С. 291-297.
3. Слободянюк А.И. Физика 10. §13 Взаимодействие магнитного поля с веществом

Примечания

1. Рассматриваем направление вектора индукции магнитного поля только в середине контура.

Магнитная проницаемость - физическая величина , коэффициент (зависящий от свойств среды), характеризующий связь между магнитной индукцией texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): {B} и напряжённостью магнитного поля Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): {H} в веществе. Для разных сред этот коэффициент различен, поэтому говорят о магнитной проницаемости конкретной среды (подразумевая её состав, состояние, температуру и т. д.).

Впервые встречается в работе Вернера Сименса «Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus» («Вклад в теорию электромагнетизма») в 1881 году .

Обычно обозначается греческой буквой Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc . Может быть как скаляром (у изотропных веществ), так и тензором (у анизотропных).

В общем, соотношение между магнитной индукцией и напряженностью магнитного поля через магнитную проницаемость вводится как

и Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu в общем случае здесь следует понимать как тензор, что в компонентной записи соответствует :

Для изотропных веществ соотношение:

можно понимать в смысле умножение вектора на скаляр (магнитная проницаемость сводится в этом случае к скаляру).

Нередко обозначение Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu используется не так, как здесь, а именно для относительной магнитной проницаемости (при этом Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu совпадает с таковым в СГС).

Размерность абсолютной магнитной проницаемости в СИ такая же, как размерность магнитной постоянной, то есть Гн / или / 2 .

Относительная магнитная проницаемость в СИ связана с магнитной восприимчивостью χ соотношением

Классификация веществ по значению магнитной проницаемости

Подавляющее большинство веществ относятся либо к классу диамагнетиков (Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu \lessapprox 1 ), либо к классу парамагнетиков (Невозможно разобрать выражение (Выполняемый файл texvc не найден; См. math/README - справку по настройке.): \mu \gtrapprox 1 ). Но ряд веществ - (ферромагнетики), например железо , обладают более выраженными магнитными свойствами.

У ферромагнетиков вследствие гистерезиса , понятие магнитной проницаемости, строго говоря, неприменимо. Однако в определенном диапазоне изменения намагничивающего поля (чтобы можно было пренебречь остаточной намагниченностью, но до насыщения) можно в лучшем или худшем приближении всё же представить эту зависимость как линейную (а для магнитомягких материалов ограничение снизу может быть и не слишком практически существенно), и в этом смысле величина магнитной проницаемости бывает измерена и для них.

Магнитные проницаемости некоторых веществ и материалов

Магнитная восприимчивость некоторых веществ

Магнитная восприимчивость и магнитная проницаемость некоторых материалов

См. также

Напишите отзыв о статье "Магнитная проницаемость"

Примечания

Отрывок, характеризующий Магнитная проницаемость

К моему величайшему удивлению, в отличие от виденного раньше, мы попали в совершенно другое время и место, которое было похожим на Францию, и по одежде напоминало восемнадцатый век. По широкой мощёной улице проезжал крытый красивый экипаж, внутри которого сидели молодые мужчина и женщина в очень дорогих костюмах, и видимо, в очень дурном настроении... Молодой человек что-то упорно доказывал девушке, а та, совершенно его не слушая, спокойно витала где-то в своих грёзах, чем молодого человека очень раздражала...
– Вот видишь – это он! Это тот же «маленький мальчик»... только уже через много, много лет, – тихонько прошептала Стелла.
– А откуда ты знаешь, что это точно он? – всё ещё не совсем понимая, спросила я.
– Ну, как же, это ведь очень просто! – удивлённо уставилась на меня малышка. – Мы все имеем сущность, а сущность имеет свой «ключик», по которому можно каждого из нас найти, только надо знать, как искать. Вот смотри...
Она опять показала мне малыша, сына Гарольда.
– Подумай о его сущности, и ты увидишь...
И я тут же увидела прозрачную, ярко светящуюся, на удивление мощную сущность, на груди которой горела необычная «бриллиантовая» энергетическая звезда. Эта «звезда» сияла и переливалась всеми цветами радуги, то уменьшаясь, то увеличиваясь, как бы медленно пульсируя, и сверкала так ярко, будто и вправду была создана из самых потрясающих бриллиантов.
– Вот видишь у него на груди эту странную перевёрнутую звезду? – Это и есть его «ключик». И если ты попробуешь проследить за ним, как по ниточке, то она приведёт тебя прямо к Акселю, у которого такая же звезда – это и есть та же самая сущность, только уже в её следующем воплощении.
Я смотрела на неё во все глаза, и видно заметив это, Стелла засмеялась и весело призналась:
– Ты не думай, что это я сама – это бабушка меня научила!..
Мне было очень стыдно чувствовать себя полной неумёхой, но желание побольше узнать было во сто крат сильнее любого стыда, поэтому я запрятала свою гордость как можно глубже и осторожно спросила:
– А как же все эти потрясающие «реальности», которые мы сейчас здесь наблюдаем? Ведь это чья-то чужая, конкретная жизнь, и ты не создаёшь их так же, как ты создаёшь все свои миры?
– О, нет! – опять обрадовалась возможности что-то мне объяснить малышка. – Конечно же, нет! Это ведь просто прошлое, в котором все эти люди когда-то жили, и я всего лишь переношу нас с тобой туда.
– А Гарольд? Как же он всё это видит?
– О, ему легко! Он ведь такой же, как я, мёртвый, вот он и может перемещаться, куда захочет. У него ведь уже нет физического тела, поэтому его сущность не знает здесь препятствий и может гулять, где ей захочется... так же, как и я... – уже печальнее закончила малышка.
Я грустно подумала, что то, что являлось для неё всего лишь «простым переносом в прошлое», для меня видимо ещё долго будет являться «загадкой за семью замками»... Но Стелла, как будто услышав мои мысли, тут же поспешила меня успокоить:
– Вот увидишь, это очень просто! Тебе надо только попробовать.
– А эти «ключики», они разве никогда не повторяются у других? – решила продолжить свои расспросы я.
– Нет, но иногда бывает кое-что другое...– почему-то забавно улыбаясь, ответила крошка. – Я в начале именно так и попалась, за что меня очень даже сильно «потрепали»... Ой, это было так глупо!..
– А как? – очень заинтересовавшись, спросила я.
Стелла тут же весело ответила:
– О, это было очень смешно! – и чуть подумав, добавила, – но и опасно тоже... Я искала по всем «этажам» прошлое воплощение своей бабушки, а вместо неё по её «ниточке» пришла совсем другая сущность, которая как-то сумела «скопировать» бабушкин «цветок» (видимо тоже «ключик»!) и, как только я успела обрадоваться, что наконец-то её нашла, эта незнакомая сущность меня безжалостно ударила в грудь. Да так сильно, что у меня чуть душа не улетела!..
– А как же ты от неё избавилась? – удивилась я.
– Ну, если честно, я и не избавлялась... – смутилась девочка. – Я просто бабушку позвала...
– А, что ты называешь «этажами»? – всё ещё не могла успокоиться я.
– Ну, это разные «миры» где обитают сущности умерших... В самом красивом и высоком живут те, которые были хорошими... и, наверное, самыми сильными тоже.
– Такие, как ты? – улыбнувшись, спросила я.
– О, нет, конечно! Я наверное сюда по ошибке попала. – Совершенно искренне сказала девчушка. – А знаешь, что самое интересное? Из этого «этажа» мы можем ходить везде, а из других никто не может попасть сюда... Правда – интересно?..
Да, это было очень странно и очень захватывающе интересно для моего «изголодавшегося» мозга, и мне так хотелось узнать побольше!.. Может быть потому, что до этого дня мне никогда и никто ничего толком не объяснял, а просто иногда кто-то что-то давал (как например, мои «звёздные друзья»), и поэтому, даже такое, простое детское объяснение уже делало меня необычайно счастливой и заставляло ещё яростнее копаться в своих экспериментах, выводах и ошибках... как обычно, находя во всём происходящем ещё больше непонятного. Моя проблема была в том, что делать или создавать «необычное» я могла очень легко, но вся беда была в том, что я хотела ещё и понимать, как я это всё создаю... А именно это пока мне не очень-то удавалось...

Магнитное поле катушки определяется током и напряженность этого поля , а индукция поля . Т.е. индукция поля в вакууме пропорциональна величине тока. Если же магнитное поле создается в некой среде или веществе, то поле воздействует на вещество, а оно, в свою очередь, определенным образом изменяет магнитное поле.

Вещество, находящееся во внешнем магнитном поле, намагничивается и в нем возникает добавочное внутреннее магнитное поле. Оно связано с движением электронов по внутриатомным орбитам, а также вокруг собственной оси. Движение электронов и ядер атомов можно рассматривать как элементарные круговые токи.

Магнитные свойства элементарного кругового тока характеризуются магнитным моментом.

При отсутствии внешнего магнитного поля элементарные токи внутри вещества ориентированы беспорядочно (хаотически) и, поэтому общий или суммарный магнитный момент равен нулю и в окружающем пространстве магнитное поле элементарных внутренних токов не обнаруживается.

Влияние внешнего магнитного поля на элементарные токи в веществе состоит в том, что изменяется ориентация осей вращения заряженных частиц причем так, что их магнитные моменты оказываются направленными в одну сторону. (в сторону внешнего магнитного поля). Интенсивность и характер намагничивания у различных веществ в одинаковом внешнем магнитном поле значительно отличаются. Величину, характеризующую свойства среды и влияние среды на плотность магнитного поля, называют абсолютной магнитной проницаемостью или магнитной проницаемостью среды (μ с ) . Это есть отношение = . Измеряется [μ с ]=Гн/м.

Абсолютная магнитная проницаемость вакуума называется магнитной постоянной μ о =4π 10 -7 Гн/м.

Отношение абсолютной магнитной проницаемости к магнитной постоянной называют относительной магнитной проницаемостью μ c /μ 0 =μ. Т.е. относительная магнитная проницаемость – это величина, показывающая, во сколько раз абсолютная магнитная проницаемость среды больше или меньше абсолютной проницаемости вакуума. μ - величина безразмерная, изменяющаяся в широких пределах. Эта величина положена в основу деления всех материалов и сред на три группы.

Диамагнетики . У этих веществ μ < 1. К ним относятся - медь, серебро, цинк, ртуть, свинец, сера, хлор, вода и др. Например, у меди μ Cu = 0,999995. Эти вещества слабо взаимодействуют с магнитом.

Парамагнетики . У этих веществ μ > 1. К ним относятся – алюминий, магний, олово, платина, марганец, кислород, воздух и др. У воздуха = 1,0000031. . Эти вещества также, как и диамагнетики, слабо взаимодействуют с магнитом.

Для технических расчетов μ диамагнитных и парамагнитных тел принимается равной единице.

Ферромагнетики . Это особая группа веществ, играющих громадную роль в электротехнике. У этих веществ μ >> 1. К ним относятся железо, сталь, чугун, никель, кобальт, гадолиний и сплавы металлов. Эти вещества сильно притягиваются к магниту. У этих веществ μ = 600- 10 000. У некоторых сплавов μ достигает рекордных значений до 100 000. Следует отметить, что μ для ферромагнитных материалов непостоянна и зависит от напряженности магнитного поля, вида материала и температуры.

Большое значение µ в ферромагнетиках объясняется тем, что в них имеются области самопроизвольного намагничивания (домены), в пределах которых элементарные магнитные моменты направлены одинаково. Складываясь, они образуют общие магнитные моменты доменов.

В отсутствие магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы хаотически и суммарный магнитный момент тела или вещества равен нулю. Под действием внешнего поля магнитные моменты доменов ориентируются в одну сторону и образуют общий магнитный момент тела, направленный в ту же сторону, что и внешнее магнитное поле.

Эту важную особенность используют на практике, применяя ферромагнитные сердечники в катушках, что позволяет резко усилить магнитную индукцию и магнитный поток при тех же значениях токов и числа витков или, иначе говоря, сконцентрировать магнитное поле в относительно малом объеме.

Магнетики

Все вещества в магнитном поле намагничиваются (в них возникает внутреннее магнитное поле). В зависимости от величины и направления внутреннего поля вещества разделяют на:

1) диамагнетики,

2) парамагнетики,

3) ферромагнетики.

Намагниченность вещества характеризуется магнитной проницаемостью ,

Магнитная индукция в веществе,

Магнитная индукция в вакууме.

Любой атом можно характеризовать магнитным моментом .

Сила тока в контуре, - площадь контура, - вектор нормали к поверхности контура.

Микроток атома создается движением отрицательных электронов по орбите и вокруг собственной оси, а также вращением положительного ядра вокруг собственной оси.

1. Диамагнетики.

Когда нет внешнего поля , в атомах диамагнетиков токи электронов и ядра скомпенсированы. Суммарный микроток атома и его магнитный момент равны нулю.

Во внешнем магнитном поле в атомах индуцируются (наводятся) ненулевые элементарные токи. Магнитные моменты атомов при этом ориентируются противоположно .

Создается небольшое собственное поле , направленное противоположно внешнему , и ослабляющего его.

В диамагнетиках .

Т.к. < , то для диамагнетиков 1.

2. Парамагнетики

В парамагнетиках микротоки атомов и их магнитные моменты не равны нулю.

Без внешнего поля эти микротоки расположены хаотично.

Во внешнем магнитном поле микротоки атомов парамагнетика ориентируются по полю , усиливая его.

В парамагнетике магнитная индукция = + , незначительно превышает .

Для парамагнетиков, 1. Для диа- и парамагнетиков можно считать 1.

Таблица 1. Магнитная проницаемость пара- и диамагнетиков.

Намагниченность парамагнетиков зависит от температуры, т.к. тепловое движение атомов препятствует упорядоченному расположению микротоков.

Большинство веществ в природе являются парамагнетиками.

Собственное магнитное поле в диа- и парамагнетиках незначительно и разрушается, если вещество убрать из внешнего поля (атомы возвращаются в исходное состояние, происходит размагничивание вещества).

3. Ферромагнетики

Магнитная проницаемость ферромагнетиков достигает сотен тысяч и зависит от величины намагничивающего поля (сильномагнитные вещества ).

Ферромагнетики: железо, сталь, никель, кобальт, их сплавы и соединения.

В ферромагнетиках существуют области самопроизвольного намагничивания («домены»), в которых все микротоки атомов ориентированы одинаково. Размер доменов достигает 0,1 мм.

В отсутствии внешнего поля магнитные моменты отдельных доменов ориентированы хаотично и компенсируются. Во внешнем поле те домены, в которых микротоки усиливают внешнее поле, увеличивают свои размеры за счет соседних. Результирующее магнитное поле = + в ферромагнетиках намного сильнее по сравнению с пара- и диамагнетиками.

Домены, включающие миллиарды атомов, обладают инерционностью и не возвращаются быстро в первоначальное беспорядочное состояние. Поэтому, если ферромагнетик удалить из внешнего поля, то его собственное поле сохраняется длительное время.

Магнит размагничивается при длительном хранении (с течением времени домены возвращаются в хаотичное состояние).

Другой способ размагничивания – нагревание. Для каждого ферромагнетика существует температура (она называется «точка Кюри»), при которой в доменах разрушаются связи между атомами. В этом случае ферромагнетик превращается в парамагнетик и происходит его размагничивание. Например, точка Кюри для железа составляет 770°С.

Магнитные материалы: свойства и характеристики. Особенности различных видов магнетизма. Процессы намагничивания. Особенности сильномагнитных материалов. Потери на перемагничивание.

Магнитомягкие материалы: классификация, свойства, назначение.

Магнитотвердые материалы: классификация, свойства, назначение. Магнитные материалы специального назначения: классификация, свойства, назначение.

Литература

Все вещества в природе взаимодействуют с внешниммагнитным полем, но каждое вещество по-разному.

Магнитные свойства веществ зависят от магнитных свойств элементарных частиц, структуры атомов и молекул, а также их групп, но основное определяющее влияние оказывают электроны, их магнитные моменты.

Все вещества, по отношению к магнитному полю, поведению в нем, разделяются на следующие группы:

Диамагнетики – материалы, не имеющие постоянного магнитного дипольного момента, обладающие относительной магнитной проницаемостью (μ≤1) чуть меньше единицы. Относительная диэлектри-ческая проницаемость μ диамагнетиков почти не зависит от величины магнитного поля (Н) и не зависит от температуры. К ним относятся: инертные газы (Nе, Аr, Кr, Хе), водород (H 2); медь (Сu), цинк (Zn), серебро (Аg), золото (Au), сурьма (Sb) и др.

Парамагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные моменты, но расположены они беспорядочно, поэтому взаимодействие между ними очень слабое. Относительная магнитная проницаемость парамагнетиков чуть больше единицы (μ≥1), слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.

К парамагнетикам относятся следующие материалы: кислород (О 2), алюминий (Al), платина (Рt), щелочные металлы, соли железа, никеля, кобальта и др.

Ферромагнетики – материалы, имеющие постоянные магнитные дипольные моменты, доменную структуру. В каждом домене они параллельны друг другу и одинаково направлены, поэтому взаимодействие между ними очень сильное. Относительная магнитная проницаемость ферромагнетиков велика (μ >> 1), у некоторых сплавов доходит до 1500000. зависит от напряженности магнитного поля и от температуры.

К ним относятся: железо (Fe), никель (Ni), кобальт (Со), многие сплавы, редкоземельные элементы: самарий (Sm), гадолиний (Gd) и др.

Антиферромагнетики – материалы, имеющие постоянные дипольные магнитные моменты, которые расположены антипараллельно друг другу. Относительная магнитная проницаемость их чуть больше единицы (μ ≥ 1), очень слабо зависит от напряженности магнитного поля и от температуры. К ним относятся: окиси кобальта (CoO), марганца (MnO), фтористый никель (NiF 2) и др.

Ферримагнетики – материалы, обладающие антипараллельными постоянными дипольными магнитными моментами, которые не полностью компенсируют друг друга. Чем меньше такая компенсация, тем выше их ферромагнитные свойства. Относительная магнитная проницаемость ферримагнетиков может быть близка к единице (при почти полной компенсации моментов), а может доходить до десятков тысяч (при малой компенсации).

К ферримагнетикам относятся ферриты, их можно назвать оксиферрами, так как они представляют собой, окислы двухвалентных металлов с Fe 2 O 3 . Общая формула феррита , где Ме – двухвалентный металл.

Магнитная проницаемость ферритов зависит от температуры и напряженности магнитного поля, но в меньшей степени, чем у ферромагнетиков.

Ферриты представляют собой керамические ферромагнитные материалы с малой электропроводностью, вследствие чего могут быть отнесены к электронным полупроводникам с высокой магнитной (μ ≈ 10 4) и высокой диэлектрической (ε ≈ 10 3) проницаемостями.

Диа-, пара- и антиферромагнетики можно объединить в группу слабомагнитных веществ, а ферро- и ферримагнетики – в группу сильномагнитных веществ.

Для технического применения в области радиоэлектроники наибольший интерес представляют сильномагнитные вещества.(рис. 6.1)

Рис. 6.1. Структурная схема магнитных материалов

Магнитные свойства материалов определяются внутренними скрытыми формами движения электрических зарядов, представляющими собой элементарные круговые токи. Круговой ток характеризуется магнитным моментом и может быть заменен эквивалентным магнитным диполем. Магнитные диполи образуются, в основном, спиновым вращением электронов, орбитальное же вращение электронов принимает в этом процессе слабое участие, так же как и ядерное вращение.

У большинства материалов спиновые моменты электронов компенсируют друг друга. Поэтому ферромагнетизм наблюдается далеко не у всех веществ таблицы Менделеева.

Условия, которые необходимы, чтобы материал был ферромагнитным :

1. Существование элементарных круговых токов в атомах.

2. Наличие нескомпенсированных спиновых моментов, электронов.

3. Соотношение между диаметром электронной орбиты (D), имеющей нескомпенсированный спиновый момент, и постоянной кристаллической решетки вещества (а) должно быть

. (6.1)

4. Наличие доменной структуры, т.е. таких кристаллических областей, в которых дипольные магнитные моменты оказываются параллельно ориентированы.

5. Температура материала (вещества) должна быть ниже точки Кюри, так как при более высокой температуре происходит исчезновение доменной структуры, материал переходит из ферромагнитного состояния в парамагнитное.

Характерным свойством ферромагнитного состояния вещества является наличие спонтанной намагниченности без приложения внешнего магнитного поля. Однако магнитный поток такого тела будет равен нулю, так как направление магнитных моментов отдельных доменов различно (доменная структура с замкнутой магнитной цепью).

Степень намагничивания вещества характеризуют величиной намагниченности, или интенсивности намагничивания (J), которая определяется как предел отношения результирующего магнитного момента Σm, отнесенного к объему вещества (V), когда, объем стремиться к нулю

. (6.2)

Если поместить вещество во внешнее магнитное поле с напряженностью Н, то соотношение между J и Н будет

J = 4 πχH , (6.3)

где χ (каппа) называется магнитной вязкостью.

Относительная магнитная проницаемость μ зависит от χ:

μ = 1 + 4 πχ . (6.4)

Интенсивность, намагничивания можно определить, зная μ

μ= 1+. (6.5)

В общем, магнитное поле в ферромагнетике создается как сумма двух составляющих: внешней, создаваемой напряженностью внешнего магнитного поля Н, и внутренней, создаваемой намагниченностью (J).

Суммарное магнитное поле характеризуется магнитной индукцией В:

B = μ 0 (H + J ), (6.6)

где μ 0 – магнитная постоянная (магнитная проницаемость вакуума)

μ 0 = 4 π ∙10 -7 , Г/м. (6.7)

Выражая значение J через χ, а затем и μ, получим:

B = μ 0 H (1 + 4 πχ ) или B = μ 0 μH . (6.8)

Абсолютная величина магнитной проницаемости

μ абс = μ 0 ∙ μ . (6.9)

Окончательная формула для магнитной индукции В

B = μ абс H . (6.10)

Процесс намагничивания ферромагнитного материала под влиянием внешнего магнитного поля заключается в следующем:

рост доменов, магнитные моменты которых близки по направлению с внешним полем, и уменьшением других доменов;

ориентация магнитных моментов всех доменов в направлении внешнего поля.

Процесс намагничивания характеризуется для каждого ферромагнетика своей основной кривой намагничивания В = f(Н).

Магнитная проницаемость μ в процессе намагничивания тоже изменяется.

Это показано на рис. 6.2.

Рис. 6.2. Кривые намагниченности (В = f(Н)) и магнитной проницаемости (μ = f(Н))

Магнитная проницаемость μ при напряженности Н, близкой к нулю, называется начальной (участок 1), а при переходе материала к насыщению она будет принимать максимальное значение (2), с дальнейшим увеличением Н магнитная проницаемость μ – уменьшается (участки 3 и 4).

При циклическом намагничивании ферромагнетика кривые намагничивания и размагничивания образуют петлю гистерезиса. Петлю гистерезиса, полученную при условии насыщения материала, называют предельной. По петле гистерезиса, полученной, например, на экране осциллографа можно получить довольно полную информацию об основных магнитных параметрах материала (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Петля гистерезиса

Основными параметрами являются:

1) остаточная индукция, после снятия напряженности поля – Вr;

2) коэрцитивная сила Нс – напряженность, которую нужно приложить к образцу, чтобы снять остаточную индукцию;

3) максимальная индукция B max , которая достигается при полном насыщении образца;

4) удельные потери на гистерезис за один цикл перемагничивания, которые характеризуются площадью, охватываемой петлей гистерезиса.

Остальные магнитные параметры материала, а также потери на перемагничивание (гистерезис), на вихревые токи, энергию в зазоре (для постоянного магнита) можно рассчитать по формулам, которые были приведены выше и будут приведены в дальнейшем.

Потери в ферромагнитных материалах - это затраты энергии, которые идут на перемагничивание ферромагнетиков, на возникновение вихревых токов в переменном магнитном поле, на магнитную вязкость материала – создают так называемые потери, которые можно разделить на следующие виды:

а) потери на гистерезис Рг, пропорциональны площади петли гистерезиса

Рг = η∙ f ∙
∙ V , Вт (6.11)

где η – коэффициент гистерезиса для данного материала;

f – частота поля, Гц;

В max – максимальная индукция, Тл;

V – объем образца, м 3 ;

n ≈ 1,6...2 – значение показателя степени;

б) потери на вихревые токи

Рв.т. = ξ∙ f 2 ∙В max ∙ V , Вт (6.12)

где ξ – коэффициент, зависящий от удельного электрического сопротивления материала и от формы образца;

в) потери на последействие Рп.с., (потери на магнитную вязкость), которые не поддаются аналитическому расчету и определяются исходя из полных потерь Р, Рг и Рв.т. по формуле

Рп.с. = Р – Рг – Рв.т. (6.13)

Потери на вихревые токи можно уменьшить, увеличивая электрическое сопротивление ферромагнетика. Для этого магнитопровод, например для трансформаторов, набирают из отдельных тонких, изолированных друг от друга пластин ферромагнетика.

На практике иногда применяют ферромагнетики с разомкнутой магнитной цепью , т.е. имеющие, например, воздушный зазор, обладающий большим магнитным сопротивлением. В теле, имеющем воздушный зазор, возникают свободные полюса, создающие размагничивающее поле, направленное навстречу внешнему намагничивающему полю. Происходит снижение индукции тем большее, чем шире воздушный зазор. Это проявляется в электромашинах, магнитных подъемных устройствах и др.

Энергия в зазоре (W L), например, постоянного магнита, выражается формулой

, Дж/м 3 , (6.14)

где В L и Н L – собственно индукция и напряженность поля при данной длине воздушного зазора.

Изменяя подаваемую напряженность на ферромагнетик, можно получить в данном зазоре максимальную энергию.

Для нахождения W max пользуются диаграммой, на которой по кривой размагничивания для магнитного материала, расположенной во втором квадранте (участок петли гистерезиса), строят кривую энергии в зазоре, задаваясь различными значениями В (или Н). Зависимость W L от В L и Н L показана на рис. 6.4.

Рис. 6.4. Энергия в воздушном зазоре ферромагнетика

Чтобы определить напряженность поля Н, при которой будет максимальная энергия в зазоре магнита, нужно провести касательную к максимальной энергии (в точке А), а от нее провести горизонтальную линию до пересечения с петлей гистерезиса во втором квадранте. Затем опустить перпендикуляр до пересечения с координатой Н. Точка Н L 2 будет определять искомую напряженность магнитного поля.

По основным магнитным параметрам ферромагнитные материалы можно классифицировать на следующие группы ;

Магнитно-мягкие – материалы с малым значением коэрцитивной силы Нc (до 100 А/м), большой величиной магнитной проницаемости и малыми потерями на гистерезис. Они используются в качестве магнитопроводов постоянного тока (сердечники трансформаторов, измерительных приборов, катушек индуктивности и т.п.)

К магнитно-мягким материалам относятся:

технически чистое железо, карбонильное железо;

электротехническая сталь;

пермаллои;

альсиферы;

ферриты (медномарганцевые);

термомагнитные сплавы (Ni-Сr-Fе) и др.

2. Магнитно-твердые – материалы, имеющие большую коэрцитивную силу (Нс > 100 А/м) (см. рис. 4.5, г ).

Магнитотвердые материалы применяют для изготовления постоянных магнитов, в которых используется магнитная энергия в воздушном зазоре между полюсами магнита.

К магнитно-твердым материалам относятся:

Литые сплавы альни (Аl-Ni-Fе);

Альнико (Al-Ni-Со-Fе);

Магнико;

Легированные стали, закаливаемые на мартенсит и др.

Особый интерес представляют сплавы на основе редкоземельных материалов (YCo, CeCo, SmCo и др.), обладающие высоким значением Н с и w max .

3. Ферриты – материалы представляющие собой двойные окислы железа с окислами двухвалентных металлов (МеО∙Fe 2 O 3). Ферриты могут быть магнитно-мягкими и магнитно-твердым, в зависимости от их кристаллического строения, например, типа шпинели – (MgAl 3 O 4), гаусмагнита (Мn 3 O 4), граната Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3 и др. Электрическое удельное сопротивление их велико (от 10 -1 до 10 10 Ом∙м), следовательно потери на вихревые токи, особенно при высоких частотах, малы.

4. Магнитодиэлектрики – материалы, состоящие из ферромагнитного порошка с диэлектрической связкой. Порошок берется обычно на основе магнитно-мягкого материала – карбонильное железо, альсифер, а связующим диэлектриком служит материал с малыми диэлектрическими потерями – полистирол, бакелит и др.

Вопросы для самопроверки:

Классификация веществ по магнитным свойствам.

Особенности сильномагнитных веществ (домены, анизотропия, кривая намагничивания, магнитострикция, магнитная проницаемость, гистерезис, и т.п.)

Факторы, влияющие на магнитные свойства

Потери в магнитных материалах

Классификация сильномагнитных материалов

Низкочастотные магнитомягкие материалы

Высокочастотные магнитомягкие материалы

Магнитотвердые материалы

Магнитные материалы спецназначения

Приложения

Проводниковые материалы Таблица П.1

Полупроводниковые материалы Таблица П.2

Диэлектрические материалы Таблица П.3

Магнитные материалы Таблица П.4

Библиографический список

1. Пасынков, В.В. Материалы электронной техники: учеб.для вузов/ В.В.Пасынков, В.С.Сорокин -СПб.: Лань, 2003. – 367с.

2. Радиоматериалы и радиокомпоненты: метод. указания/ сост. А.М. Хадыкин А.М.- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007. – 44 с.

3. Радиоматериалы и радиокомпоненты: конспект лекций/ авт.-сост. А. М. Хадыкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2008. – 91 с.

4. Материалы и элементы электронной техники: метод. указания / сост. А. М. Хадыкин. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005.-34с.

5. Кликушин Ю.Н. Материаловедение в приборостроении. Электротехнические материалы: Учеб. пособие для вузов / Ю. Н. Кликушин, А. И. Чередов, И. Л. Захаров; ОмГТУ. - Омск: Изд-во ОмГТУ, 2005. - 79 с.

6. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2-х т.: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров, магистров и специалистов 210100"Электроника и микроэлектроника" / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. Т.1: Проводники, полупроводники, диэлектрики. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 448 с.

7. Сорокин В. С. Материалы и элементы электронной техники. В 2 т.: учебник для студентов вузов, обучающихся по направлению подготовки и специальностям "Электроника и микроэлектроника" / В. С. Сорокин, Б. Л. Антипов, Н. П. Лазарева. Т.2. - М. : Издательский центр "Академия", 2006. - 384 с.

8. Алиев И.И. Электротехничесике материалы и изделия. Справочник. – М.: ИП РадиоСофт, 2007. – 352 с.

9. А.И. Сидоров, Н.В. Никоноров «Материалы и технологии интегральной

оптики». Учебное пособие, курс лекций. СПб: СПбГУ ИТМО, 2009 г. - 107

10. Бондаренко И.Б., Гатчин Ю.А., Иванова Н.Ю., Шилкин Д.А. Соединители и коммутационные устройства. Учебное пособие. СПб: СПбГУ ИТМО, 2007. 151 с.

11. Рощин В.М. Технология материалов микро-, опто- и наноэлектроники: учебное пособие. Ч 2/ В.М. Рощин, М.В. Силибин. – М.: БИНОМ. Лаборатория знаний, 2010. – 180 с.

12. Садченков Д.А. Маркировка радиодеталей отечественных и зарубежных. Справочное пособие. Том 1. – М.: СОЛОН-Р, 2002. – 208 с.

13. Петров К.С. Радиоматериалы, радиокомпоненты и электроника. Учебное пособие для вузов. - Санкт- Петербург.: Питер, 2006 г. - 522 с.

14. Ульянина И.Ю. Строение материалов: учеб. пособие / И. Ю. Ульянина, Т. Ю. Скакова. - М. : МГИУ, 2006. - 55 с.

15. Ульянина И.Ю. Материаловедение в схемах-конспектах: учеб. пособие / И. Ю. Ульянина. - М. : Изд-во МГИУ, 2006. - 139 с.

16. Мишин Д.Д. Магнитные материалы. – М.:Высш.шк., 1991. – 384 с.

17. Харламова Т.Е. Электроматериаловедение. Электротехнические материалы: Учеб. Пособие. – СПб.: СЗПИ, 1998. – 82 с.

18. Шкаруба М.В., Тихонов С.А. Материалы и элементы электронной техники: Учеб пособие. – Омск: Изд-во Омгту, 2006. – 120 с.

19. Компоненты и технологии: Ежемес. всерос. журн.– М.:Ред.журн. «Издательство Файнстрит», – Выходит ежемесячно.

20. Internet: www.wieland – electric.com

21. Internet: www.platan.ru

22. Internet: www.promelec.ru

23. Internet: www.chipdip.ru