Відносна магнітна проникність матеріалу осердя. Магнітна проникність матеріалів

Магнітний момент- це основна Векторна величина, що характеризує магнітні властивостіречовини. Оскільки джерелом магнетизму є замкнутий струм, то значення магнітного моменту Мвизначається як добуток сили струму Iна площу, що охоплюється контуром струму S:

М = I×SА×м 2 .

Магнітними моментами мають електронні оболонки атомів та молекул. Електрони та інші елементарні частинки мають спіновий магнітний момент, який визначається існуванням власного механічного моменту – спина. Спіновий магнітний момент електрона може орієнтуватися у зовнішньому магнітному полі так, що можливі лише дві рівні та протилежно спрямовані проекції моменту на напрям вектора напруженості магнітного поля, рівні магнетону Бора- 9,274×10 -24 А×м 2 .

1. Визначте поняття «намагніченість» речовини.

Намагніченість - J –це сумарний магнітний момент одиниці об'єму речовини:

1. Визначте поняття «магнітна сприйнятливість».

Магнітна сприйнятливість речовини, א v –відношення намагніченості речовини до напруженості магнітного поля, що відноситься до одиниці об'єму:

אv = ,безрозмірна величина.

Питома магнітна сприйнятливість, א – відношення магнітної сприйнятливості до густини речовини, тобто. магнітна сприйнятливість одиниці маси, що вимірюється в м 3 /кг.

1. Визначте поняття «магнітна проникність».

Магнітна проникність, μ – це фізична величина, Що характеризує зміну магнітної індукції при дії магнітного поля . Для ізотропних середовищ магнітна проникність дорівнює відношенню індукції у середовищі Удо напруженості зовнішнього магнітного поля Нта до магнітної постійної μ 0 :

Магнітна проникність – величина безрозмірна. Її значення для конкретного середовища на 1 більше магнітної сприйнятливості того ж середовища:

μ = אv + 1,тому що В = μ 0 (Н + J).

1. Дайте класифікацію матеріалів за магнітними властивостями.

За магнітною будовою та значенням магнітної проникності (сприйнятливості) матеріали поділяються на:

Діамагнетики μ< 1 (матеріал «опирається» магнітному полю);

Парамагнетики μ > 1(матеріал слабо сприймає магнітне поле);

Феромагнетики μ >> 1(магнітне поле у ​​матеріалі посилюється);

Феррімагнетики μ >> 1(магнітне поле у ​​матеріалі посилюється, але магнітна структура матеріалу відрізняється від структури феромагнетиків);

Антиферомагнетики μ ≈ 1(матеріал слабко реагує на магнітне полі, хоча з магнітної структурі схожий з ферримагнетиками).

1. Опишіть природу діамагнетизму.

Діамагнетизм - це властивість речовини намагнічуватися назустріч напрямку зовнішнього магнітного поля, що діє на нього (відповідно до закону електромагнітної індукціїта правилом Ленца). Діамагнетизм властивий усім речовинам, але в чистому вигляді» він проявляється у діамагнетиків. Діамагнетики - речовини, молекули яких не мають власних магнітних моментів (їх сумарний магнітний момент дорівнює нулю), тому інших властивостей, крім діамагнетизму вони не мають. Приклади діамагнетиків:

Водень, א = - 2×10 -9 м-коду 3 /кг.

Вода, א = - 0,7 10 -9 м 3 /кг.

Алмаз, א = - 0,5 10 -9 м 3 /кг.

Графіт, א = - 3×10 -9 м-коду 3 /кг.

Мідь, א = - 0,09 10 -9 м 3 /кг.

Цинк, א = - 0,17 10 -9 м 3 /кг.

Срібло, א = - 0,18 10 -9 м 3 /кг.

Золото, א = - 0,14 10 -9 м 3 /кг.

43. Опишіть природу парамагнетизму.

Парамагнетизм - це властивість речовин, званих парамагнетиками, які, будучи поміщені в зовнішнє магнітне поле, набувають магнітний момент, що збігається з напрямом цього поля. Атоми та молекули парамагнетиків на відміну діамагнетиків мають власні магнітні моменти. За відсутності поля орієнтація цих моментів хаотична (через тепловий рух) і сумарний магнітний момент речовини дорівнює нулю. При накладенні зовнішнього поля відбувається часткова орієнтація магнітних моментів частинок у напрямку поля і до напруженості зовнішнього поля Н додається намагніченість J: В = μ 0 (Н+J). Індукція у речовині посилюється. Приклади парамагнетиків:

Кисень, א = 108 10 -9 м 3 /кг.

Титан, א = 3×10 -9 м-коду 3 /кг.

Алюміній, א = 0,6 10 -9 м 3 /кг.

Платина, א = 0,97 10 -9 м 3 /кг.

44. Опишіть природу феромагнетизму.

Феромагнетизм - це магнітоупорядкований стан речовини, при якому всі магнітні моменти атомів в певному обсязі речовини (домені) паралельні, що обумовлює мимовільну намагніченість домену. Поява магнітного порядку пов'язані з обмінним взаємодією електронів, які мають електростатичну природу (закон Кулона). У відсутності зовнішнього магнітного поля орієнтація магнітних моментів різних доменів може бути довільною, і обсяг речовини, що розглядається, може мати в цілому слабку або нульову намагніченість. При додатку магнітного поля магнітні моменти доменів орієнтуються полем тим більше, що стоїть напруженість поля. При цьому змінюється значення магнітної проникності феромагнетика та посилюється індукція в речовині. Приклади феромагнетиків:

Залізо, нікель, кобальт, гадолиній

та сплави цих металів між собою та іншими металами (Al, Au, Cr, Si та ін.). μ ≈ 100…100000.

45. Опишіть природу феримагнетизму.

Феррімагнетизм - це магнітоупорядкований стан речовини, в якому магнітні моменти атомів або іонів утворюють в певному обсязі речовини (домені) магнітні підграти атомів або іонів з сумарними магнітними моментами не рівними другдругу та спрямованими антипаралельно. Феррімагнетизм можна розглядати як найбільш загальний випадокмагнітоупорядкованого стану, а феромагнетизм як випадок з однією підгратами. До складу феримагнетиків обов'язково входять атоми феромагнетиків. Приклади феримагнетиків:

Fe 3 O 4; MgFe 2 O 4 ; CuFe 2 O 4; MnFe 2 O 4; NiFe 2 O 4; CoFe 2 O 4 …

Магнітна проникність феримагнетиків має той самий порядок, що й у феромагнетиків: μ ≈ 100…100000.

46. ​​Опишіть природу антиферомагнетизму.

Антиферомагнетизм - це магнітоупорядкований стан речовини, що характеризується тим, що магнітні моменти сусідніх частинок речовини орієнтовані антипаралельно, і без зовнішнього магнітного поля сумарна намагніченість речовини дорівнює нулю. Антиферомагнетик щодо магнітної будовиможна розглядати як окремий випадокферимагнетика, в якому магнітні моменти грат рівні за модулем і антипаралельні. Магнітна проникність антиферомагнетиків близька до 1. Приклади антиферомагнетиків:

Cr 2 O 3; марганець; FeSi; Fe 2 O 3; NiO……… μ ≈ 1.

47. Яке значення магнітної проникності у матеріалів у надпровідному стані?

Надпровідники нижче температури надпереходу є ідеальними діамагнетиками:

א= - 1; μ = 0.

Магнітна проникність. Магнітні властивості речовин

Магнітні властивості речовин

Подібно до того, як електричні властивостіречовини характеризуються діелектричною проникністюмагнітні властивості речовини характеризуються магнітною проникністю.

Завдяки тому, що всі речовини, що знаходяться в магнітному полі, створюють власне магнітне поле, вектор магнітної індукції однорідному середовищівідрізняється від вектора в тій же точці простору без середовища, тобто у вакуумі.

Ставлення називається магнітної проникністю середовища.

Отже, в однорідному середовищі магнітна індукція дорівнює:

Величина m у заліза дуже велика. У цьому можна переконатись на досвіді. Якщо вставити в довгу котушку залізний сердечник, магнітна індукція, згідно з формулою (12.1), збільшиться в m разів. Отже, в стільки разів збільшиться потік магнітної індукції. При розмиканні ланцюга, що живить котушку, що намагнічує, постійним струмом, у другій, невеликій котушці, намотаній поверх основний, виникає індукційний струм, що реєструється гальванометром (рис. 12.1).

Якщо в котушку вставлений металевий сердечник, то відхилення стрілки гальванометра при розмиканні ланцюга буде в m разів більше. Вимірювання показують, що магнітний потік при внесенні в котушку залізного сердечника може збільшитись у тисячі разів. Отже, магнітна проникність заліза величезна.

Існує три основні класи речовин з магнітними властивостями, що різко розрізняються: феромагнетики, парамагнетики та діамагнетики.

Феромагнетики

Речовини, у яких, подібно до заліза, m >> 1, називаються феромагнетиками. Крім заліза, феромагнетиками є кобальт і нікель, а також ряд рідкісноземельних елементів і багато сплавів. Найважливіша властивістьферомагнетиків - існування у них залишкового магнетизму. Феромагнітна речовинаможе перебувати в намагніченому стані і без зовнішнього поля, що намагнічує.

Залізний предмет (наприклад, стрижень), як відомо, втягується в магнітне поле, тобто переміщається в область, де магнітна індукція більша. Відповідно, він притягується до магніту чи електромагніту. Це відбувається тому, що елементарні струми в залозі орієнтуються так, що напрямок магнітної індукції їхнього поля збігається з напрямком індукції поля, що намагнічує. В результаті залізний стрижень перетворюється на магніт, найближчий полюс якого протилежний полюс електромагніта. Протилежні полюси магнітів притягуються (рис. 12.2).

Мал. 12.2

СТОП! Вирішіть самостійно: А1-А3, В1, В3.

Парамагнетики

Існують речовини, які поводяться подібно до заліза, тобто втягуються в магнітне поле. Ці речовини називаються парамагнітними. До них відносяться деякі метали (алюміній, натрій, калій, марганець, платина та ін), кисень та багато інших елементів, а також різні розчини електролітів.

Так як парамагнетики втягуються в поле, то лінії індукції створюваного ними власного магнітного поля і поля, що намагнічує, спрямовані однаково, тому поле посилюється. Таким чином, у них m> 1. Але від одиниці m відрізняється вкрай незначно, всього на величину порядку 10 -5 ... 10 -6. Тож спостереження парамагнитных явищ потрібні потужні магнітні поля.

Діамагнетики

Особливий клас речовин є діамагнетики, відкриті Фарадеєм. Вони виштовхуються із магнітного поля. Якщо підвісити діамагнітний стрижень біля полюса сильного електромагніта, то він відштовхуватиметься від нього. Отже, лінії індукції створеного ним поля спрямовані протилежно лініям індукції поля, що намагнічує, тобто поле послаблюється (рис. 12.3). Відповідно у діамагнетиків m< 1, причем отличается от единицы на вели­чину порядка 10 –6 . Магнитные свойства у диамагнетиков вы­ражены слабее, чем у парамагнетиков.

Якщо в описаних вище дослідах замість сердечника із заліза брати осердя з інших матеріалів, то також можна виявити зміну магнітного потоку. Найприродніше чекати, що найбільш помітний ефект дадуть матеріали, подібні до своїх магнітних властивостей заліза, тобто нікель, кобальт і деякі магнітні сплави. Дійсно, при введенні в котушку осердя з цих матеріалів збільшення магнітного потоку виявляється досить значним. Іншими словами, можна сказати, що магнітна проникність їх велика; у нікелю, наприклад, може досягати значення 50, у кобальту 100. Всі ці матеріали з великими значеннямиоб'єднують в одну групу феромагнітних матеріалів.

Однак і решта «немагнітних» матеріалів також надають деякий вплив на магнітний потік, хоча вплив це значно менше, ніж у матеріалів феромагнітних. За допомогою дуже ретельних вимірювань можна цю зміну виявити та визначити магнітну проникність різних матеріалів. При цьому, однак, потрібно мати на увазі, що в досвіді, описаному вище, ми порівнювали магнітний потік у котушці, порожнину якої заповнена залізом, з потоком у котушці, всередині якої є повітря. Поки йшлося про такі сильно магнітні матеріали, як залізо, нікель, кобальт, це не мало значення, оскільки наявність повітря дуже мало впливає на магнітний потік. Але при дослідженні магнітних властивостей інших речовин, зокрема самого повітря, ми повинні, звичайно, порівняти з котушкою, всередині якої повітря немає (вакуум). Таким чином, за магнітну проникність ми приймаємо відношення магнітних потоків у досліджуваній речовині та у вакуумі. Іншими словами, за одиницю ми приймаємо магнітну проникність для вакууму (якщо , то ).

Вимірювання показують, що магнітна проникність всіх речовин відмінна від одиниці, хоча в більшості випадків ця відмінність дуже мала. Але особливо чудовим виявляється той факт, що в одних речовин магнітна проникність більше одиниці, а в інших вона менше одиниці, тобто заповнення котушки одними речовинами збільшує магнітний потік, а заповнення котушки іншими речовинами зменшує цей потік. Перші із цих речовин називаються парамагнітними (), а другі – діамагнітними (). Як свідчить табл. 7, відмінність проникності від одиниці як у парамагнітних, так і діамагнітних речовин невелика.

Потрібно особливо підкреслити, що для парамагнітних і діамагнітних тіл магнітна проникність не залежить від магнітної індукції зовнішнього поля, що намагнічує, тобто являє собою постійну величину, Що характеризує цю речовину. Як ми побачимо § 149, це не має місця для заліза та інших подібних до нього (феромагнітних) тіл.

Таблиця 7. Магнітна проникність для деяких парамагнітних та діамагнітних речовин

Вплив парамагнітних та діамагнітних речовин на магнітний потік пояснюється, так само як і вплив речовин феромагнітних, тим, що до магнітного потоку, що створюється струмом в обмотці котушки, приєднується потік, що виходить з елементарних струмів амперових. Парамагнітні речовини підвищують магнітний потік котушки. Це збільшення потоку при заповненні котушки парамагнітною речовиною вказує на те, що і в парамагнітних речовин під дією зовнішнього магнітного поля елементарні струми орієнтуються так, що напрям їх збігається з напрямом струму обмотки (рис. 276). Невелика відмінність від одиниці вказує лише на те, що у випадку парамагнітних речовин цей додатковий магнітний потік дуже невеликий, тобто парамагнітні речовини намагнічуються дуже слабо.

Зменшення магнітного потоку при заповненні котушки діамагнітною речовиною означає, що в цьому випадку магнітний потік від елементарних струмів амперових спрямований протилежно магнітному потоку котушки, тобто що в діамагнітних речовинах під дією зовнішнього магнітного поля виникають елементарні струми, спрямовані протилежно струмам обмотки. 277). Трохи відхилень від одиниці і в цьому випадку вказує на те, що додатковий потік цих елементарних струмів невеликий.

Мал. 277. Діамагнітні речовини усередині котушки послаблюють магнітне поле соленоїда. Елементарні струмив них спрямовані протилежно струму в соленоїді

Численні досліди свідчать, що всі речовини, поміщені в магнітне поле, намагнічуються і створюють власне магнітне поле, дія якого складається з дією зовнішнього магнітного поля:

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

де $\boldsymbol(\vec(B))$ - магнітна індукція поля в речовині; $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ - магнітна індукція поля у вакуумі, $\boldsymbol((\vec(B))_(1))$ - магнітна індукція поля, що виникла завдяки намагнічуванню речовини . При цьому речовина може посилювати або послаблювати магнітне поле. Вплив речовини на зовнішнє магнітне поле характеризується величиною μ , яка називається магнітною проникністю речовини

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

• Магнітна проникність - це фізична скалярна величина, що показує, у скільки разів індукція магнітного поля в даній речовинівідрізняється від індукції магнітного поля у вакуумі.

Усі речовини складаються з молекул, молекули – з атомів. Електронні оболонки атомів можна умовно розглядати, що складаються з кругових. електричних струмів, утворених електронами, що рухаються. Кругові електричні струмив атомах мають створювати власні магнітні поля. На електричні струми має діяти зовнішнє магнітне поле, у результаті можна очікувати або посилення магнітного поля при сонаправленности атомних магнітних полів із зовнішнім магнітним полем, або їх ослаблення за їх протилежної спрямованості.
Гіпотеза про існування магнітних полів в атомахта можливості зміни магнітного поля в речовині повністю відповідає дійсності. Усе речовини щодо дії на них зовнішнього магнітного поляможна розділити на три основні групи: діамагнетики, парамагнетики та феромагнетики.

Діамагнетикаминазиваються речовини, у яких зовнішнє магнітне поле послаблюється. Це означає, що магнітні поля атомів таких речовин у зовнішньому магнітному полі спрямовані протилежно до зовнішнього магнітного поля (µ< 1). Изменение магнитного поля даже в самых сильных диамагнетиках составляет лишь сотые доли процента. Например, висмут обладает магнітною проникністю µ = 0,999826.

Для розуміння природи діамагнетизмурозглянемо рух електрона, що влітає зі швидкістю v в однорідне магнітне поле перпендикулярно вектору. У магнітного поля.

Під дією сили Лоренцаелектрон рухатиметься по колу, напрямок його обертання визначається напрямом вектора сили Лоренца. Виниклий круговий струмстворює своє магнітне поле В" . Це магнітне поле В" спрямовано протилежно магнітному полю У. Отже, будь-яка речовина, що містить заряджені частинки, що вільно рухаються, повинна володіти діамагнітними властивостями.
Хоча в атомах речовини електрони не вільні, зміна їх руху всередині атомів під дією зовнішнього магнітного поля виявляється еквівалентною кругового руху вільних електронів. Тому будь-яка речовина в магнітному полі обов'язково має діамагнітні властивості.
Однак діамагнітні ефекти дуже слабкі і виявляються тільки у речовин, атоми або молекули яких не мають власне магнітне поле. Прикладами діамагнетиків є свинець, цинк, вісмут (μ = 0,9998).

Вперше пояснення причин, внаслідок яких тіла мають магнітні властивості, дав Анрі Ампер (1820 р.). Згідно з його гіпотезою, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми, які визначають магнітні властивості будь-якої речовини.

Розглянемо причини магнетизму атомів докладніше:

Візьмемо деяке тверда речовина. Його намагніченість пов'язана з магнітними властивостями частинок (молекул та атомів), з яких воно складається. Розглянемо які контури зі струмом можливі на мікрорівні. Магнетизм атомів обумовлений двома основними причинами:

1) рухом електронів навколо ядра по замкнутим орбітам ( орбітальний магнітний момент) (рис. 1);

Мал. 2

2) власним обертанням(Спином) електронів ( спіновий магнітний момент) (рис. 2).

Так як в атомі площини орбіт різних електронів не збігаються, то вектори індукцій магнітних полів, створені ними (орбітальні та спінові магнітні моменти), спрямовані під різними кутамидруг до друга. p align="justify"> Результуючий вектор індукції багатоелектронного атома дорівнює векторній сумі векторів індукцій полів, створюваних окремими електронами. Не скомпенсовані поля мають атоми з частково заповненими електронними оболонками. В атомах із заповненими електронними оболонками результуючий вектор індукції дорівнює 0.

У всіх випадках зміна магнітного поля обумовлена ​​появою струмів намагніченості (спостерігається явище електромагнітної індукції). Іншими словами принцип суперпозиції для магнітного поля залишається справедливим: поле всередині магнетика є суперпозицією зовнішнього поля $\boldsymbol((\vec(B))_(0))$ і поля $\boldsymbol(\vec(B"))$ струмів намагнічування i" , що виникають під впливом зовнішнього поля. Якщо поле струмів намагніченості спрямоване так само, як і зовнішнє поле, то індукція сумарного поля буде більшою від зовнішнього поля (Рис. 3, а) – у цьому випадку ми говоримо, що речовина посилює поле; якщо ж поле струмів намагніченості спрямоване протилежно до зовнішнього поля, то сумарне поле буде менше зовнішнього поля (Рис. 3, б) – саме в цьому сенсі ми говоримо, що речовина послаблює магнітне поле.

Мал. 3

У діамагнетикахмолекули не мають власного магнітного поля. Під дією зовнішнього магнітного поля в атомах і молекулах поле струмів намагніченості спрямоване протилежно зовнішньому полю, тому модуль вектора магнітної індукції $ \boldsymbol(\vec(B))$ результуючого поля буде меншим за модуль вектора магнітної індукції $ \boldsymbol((\vec(B) ))_(0)) $ зовнішнього поля.

Речовини, в яких зовнішнє магнітне поле посилюється внаслідок складання з магнітними полями електронних оболонок атомів речовини через орієнтацію атомних магнітних полів у напрямку зовнішнього магнітного поля, називаються парамагнетиками(µ > 1).

Парамагнетикидуже слабко посилюють зовнішнє магнітне поле. Магнітна проникність парамагнетиків відрізняється від одиниці лише на частки відсотка. Наприклад, магнітна проникність платини дорівнює 1,00036. З-за дуже малих значень магнітної проникності парамагнетиків та діамагнетиків їх вплив на зовнішнє поле або вплив зовнішнього поля на парамагнітні чи діамагнітні тіла дуже важко виявити. Тому в звичайній повсякденній практиці, у техніці парамагнітні та діамагнітні речовини розглядаються як немагнітні, тобто речовини, що не змінюють магнітне поле і не мають дії з боку магнітного поля. Прикладами парамагнетика є натрій, кисень, алюміній (μ = 1,00023).

У парамагнетикахмолекули мають власне магнітне поле. У відсутності зовнішнього магнітного поля через тепловий рух вектора індукцій магнітних полів атомів і молекул орієнтовані хаотично, тому їхня середня намагніченість дорівнює нулю (рис. 4, а). При накладенні зовнішнього магнітного поля на атоми і молекули починає діяти момент сил, що прагне повернути їх так, щоб поля були орієнтовані паралельно зовнішньому полю. Орієнтація молекул парамагнетика призводить до того, що речовина намагнічується (рис. 4, б).

Мал. 4

Повна орієнтація молекул у магнітному полі перешкоджає їх тепловий рухтому магнітна проникність парамагнетиків залежить від температури. Очевидно, що зі зростанням температури магнітна проникність парамагнетиків зменшується.

Феромагнетики

Речовини, які значно підсилюють зовнішнє магнітне поле, називаються феромагнетиками(нікель, залізо, кобальт та ін.). Прикладами феромагнетиків є кобальт, нікель, залізо ( досягає значення 8·10 3).

Сама назва цього класу магнітних матеріалів походить від латинського іменізаліза – Ferrum. Головна особливістьцих речовин полягає у здатності зберігати намагніченість без зовнішнього магнітного поля, всі постійні магніти відносяться до класу феромагнетикам. Крім заліза феромагнітні властивості мають його «сусіди» за таблицею Менделєєва - кобальт і нікель. Феромагнетики знаходять широке практичне застосуванняу науці та техніці, тому розроблено значну кількість сплавів, що володіють різними феромагнітними властивостями.

Усі наведені приклади феромагнетиків відносяться до металів перехідної групи, електронна оболонкаяких містить кілька не спарених електронів, що і призводить до того, що ці атоми мають значне власне магнітне поле. У кристалічному стані завдяки взаємодії між атомами в кристалах виникають області мимовільної (спонтанної) намагніченості - домени. Розміри цих доменів становлять десяті та соті частки міліметра (10 -4 − 10 -5 м), що значно перевищує розміри окремого атома(10-9 м). У межах одного домену магнітні поля атомів орієнтовані строго паралельно, орієнтація магнітних полів інших доменів за відсутності зовнішнього магнітного поля змінюється довільно (рис. 5).

Мал. 5

Таким чином, і в не намагніченому стані всередині феромагнетика існують сильні магнітні поля, орієнтація яких при переході від одного домену до іншого змінюється випадковим хаотичним чином. Якщо розміри тіла значно перевищують розміри окремих доменів, то середнє магнітне поле, яке створюється доменами цього тіла, практично відсутнє.

Якщо помістити феромагнетик у зовнішнє магнітне поле B 0 , то магнітні моменти доменів починають перебудовуватись. Проте механічного просторового обертання ділянок речовини немає. Процес перемагнічування пов'язаний із зміною руху електронів, але не зі зміною положення атомів у вузлах кристалічних ґрат. Домени, які мають найбільш вигідну орієнтацію щодо напряму поля, збільшують свої розміри за рахунок сусідніх «неправильно орієнтованих» доменів, поглинаючи їх. При цьому поле в речовині зростає дуже суттєво.

Властивості феромагнетиків

1) феромагнітні властивості речовини виявляються лише тоді, коли відповідна речовина знаходиться в кристалічному стані ;

2) магнітні властивості феромагнетиків сильно залежать від температури, оскільки орієнтації магнітних полів доменів перешкоджають тепловому руху. Для кожного феромагнетика існує певна температура, при якому доменна структура повністю руйнується, і феромагнетик перетворюється на парамагнетик. Це значення температури називається точкою Кюрі . Так для чистого заліза значення температури Кюрі приблизно дорівнює 900 ° C;

3) феромагнетики намагнічуються до насиченняу слабких магнітних полях. На малюнку 6 показано, як змінюється модуль індукції магнітного поля B у сталі зі зміною зовнішнього поля B 0 :

Мал. 6

4) магнітна проникність феромагнетика залежить від зовнішнього магнітного поля (рис. 7).

Мал. 7

Це тим, що спочатку зі збільшенням B 0 магнітна індукція B зростає сильніше, отже, μ буде збільшуватись. Потім при значенні магнітної індукції B" 0 настає насичення (μ в цей момент максимальна) і при подальшому збільшенні B 0 магнітна індукція B 1 в речовині перестає змінюватися, а магнітна проникність зменшується (прагне 1):

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

5) у феромагнетиків спостерігається залишкова намагніченість. Якщо, наприклад, феромагнітний стрижень помістити в соленоїд, яким проходить струм, і намагнітити до насичення (точка А) (рис. 8), а потім зменшувати струм у соленоїді, а разом з ним і B 0 , можна помітити, що індукція поля в стрижні в процесі його розмагнічування залишається весь час більшою, ніж у процесі намагнічування. Коли B 0 = 0 (струм у соленоїді вимкнений), індукція дорівнюватиме B r (залишкова індукція). Стрижень можна вийняти з соленоїда та використовувати як постійний магніт. Щоб остаточно розмагнітити стрижень, потрібно пропустити по соленоїду струм протилежного спрямування, тобто. додати зовнішнє магнітне поле з протилежним напрямом вектора індукції. Збільшуючи тепер за модулем індукцію цього поля до B oc , розмагнічують стрижень ( B = 0).

• Модуль B oc індукції магнітного поля, що розмагнічує намагнічений феромагнетик, називають коерцитивною силою .

Мал. 8

При подальшому збільшенні B 0 можна намагнітити стрижень до насичення (точка А" ).

Зменшуючи тепер B 0 до нуля, отримують знову постійний магніт, але з індукцією –B r (Протилежного напрямку). Щоб знову розмагнітити стрижень, потрібно знову включити в соленоїд струм початкового напрямку, і стрижень розмагнітиться, коли індукція B 0 стане рівною B oc . Продовжуючи збільшувати я B 0 знову намагнічують стрижень до насичення (точка А ).

Таким чином, при намагнічуванні та розмагнічуванні феромагнетика індукція Bвідстає від B 0. Це відставання називається явищем гістерезису . Зображена на малюнку 8 крива називається петлею гістерезису .

Вид кривої намагнічування (петлі гістерези) істотно відрізняється для різних феромагнітних матеріалів, які знайшли дуже широке застосуванняу наукових та технічних додатках. Деякі магнітні матеріали мають широку петлю з високими значеннями залишкової намагніченості та коерцитивної сили, вони називаються магнітно-жорсткимита використовуються для виготовлення постійних магнітів. Для інших феромагнітних сплавів характерні малі значення коерцитивної сили, такі матеріали легко намагнічуються та перемагнічуються навіть у слабких полях. Такі матеріали називаються магнітно-м'якимита використовуються у різних електротехнічних приладах - реле, трансформаторах, магнітопроводах та ін.

Література

1. Аксенович Л. А. Фізика в середній школі: Теорія. Завдання. Тести: Навч. посібник для установ, які забезпечують отримання заг. середовищ, освіти / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракіна, К. С. Фаріно; За ред. К. С. Фаріно. – Мн.: Адукація i виховання, 2004. – C.330-335.
2. Жилко, В. В. Фізика: навч. посібник для 11-го кл. загальноосвіт. шк. з рос. яз. навчання / В. В. Жилко, О.В. Лавріненко, Л. Г. Маркович. - Мн.: Нар. асвета, 2002. – С. 291-297.
3. Слободянюк О.І. Фізика 10. §13 Взаємодія магнітного поля з речовиною

Примітки

1. Розглядаємо напрямок вектора індукції магнітного поля тільки в середині контуру.

Магнітні матеріали: властивості та характеристики. Особливості різних видівмагнетизму. Процеси намагнічування. Особливості сильномагнітних матеріалів. Втрати перемагнічування.

Магнітом'які матеріали: класифікація, властивості, призначення.

Магнітотверді матеріали: класифікація, властивості, призначення. Магнітні матеріали спеціального призначення: класифікація, властивості, призначення.

Література

Усі речовини у природі взаємодіють із зовнішнім магнітним полем, але кожна речовина по-різному.

Магнітні властивості речовин залежать від магнітних властивостей елементарних частинок, структури атомів і молекул, і навіть їх груп, але основне визначальний вплив мають електрони, їх магнітні моменти.

Усі речовини, стосовно магнітному полю, поведінці у ньому, поділяються такі групи:

Діамагнетики– матеріали, що не мають постійного магнітного дипольного моменту, що мають відносну магнітну проникність (μ≤1) трохи менше одиниці. Відносна діелектрична проникність μ діамагнетиків майже не залежить від величини магнітного поля (Н) і не залежить від температури. До них відносяться: інертні гази (Nе, Ar, Кr, Хе), водень (H2); мідь (Сu), цинк (Zn), срібло (Аg), золото (Au), сурма (Sb) та ін.

Парамагнетики- матеріали, що мають постійні дипольні моменти, але розташовані вони безладно, тому взаємодія між ними дуже слабка. Відносна магнітна проникність парамагнетиків трохи більше одиниці (μ≥1), слабко залежить від напруженості магнітного поля та від температури.

До парамагнетика відносяться такі матеріали: кисень (Про 2), алюміній (Al), платина (Рt), лужні метали, солі заліза, нікелю, кобальту та ін.

Феромагнетики- Матеріали, що мають постійні магнітні дипольні моменти, доменну структуру. У кожному домені вони паралельні один одному і однаково спрямовані, тому взаємодія між ними є дуже сильною. Відносна магнітна проникність феромагнетиків велика (μ >> 1), у деяких сплавів сягає 1500000. залежить від напруженості магнітного поля та від температури.

До них відносяться: залізо (Fe), нікель (Ni), кобальт (Со), багато сплавів, рідкісноземельні елементи: самарій (Sm), гадоліній (Gd) та ін.

Антиферомагнетики- Матеріали, що мають постійні дипольні магнітні моменти, які розташовані антипаралельно один одному. Відносна магнітна проникність їх трохи більше одиниці (μ ≥ 1) дуже слабко залежить від напруженості магнітного поля і від температури. До них відносяться: оксиди кобальту (CoO), марганцю (MnO), фтористий нікель (NiF 2) та ін.

Феррімагнетики– матеріали, що мають антипаралельні постійні дипольні магнітні моменти, які не повністю компенсують один одного. Чим менше така компенсація, тим вищі їх феромагнітні властивості. Відносна магнітна проникність феримагнетиків може бути близька до одиниці (при майже повній компенсації моментів), а може сягати десятків тисяч (при малій компенсації).

До феримагнетиків відносяться ферити, їх можна назвати оксиферр, оскільки вони являють собою, оксиди двовалентних металів з Fe 2 O 3 . Загальна формулафериту, де Ме - двовалентний метал.

Магнітна проникність феритів залежить від температури та напруженості магнітного поля, але меншою мірою, ніж у феромагнетиків.

Феріти являють собою керамічні феромагнітні матеріали з малою електропровідністю, внаслідок чого можуть бути віднесені до електронних напівпровідників з високою магнітною (μ ≈ 10 4) та високою діелектричною (ε ≈ 10 3) проникностями.

Діа-, пара- та антиферомагнетики можна об'єднати в групу слабомагнітних речовин, а феро- та феримагнетики – до групи сильномагнітних речовин.

Для технічного застосування в галузі радіоелектроніки найбільший інтерес становлять сильномагнітні речовини (рис. 6.1).

Мал. 6.1. Структурна схемамагнітних матеріалів

Магнітні властивості матеріалів визначаються внутрішніми прихованими формами руху електричних зарядів, що є елементарними круговими струмами. Круговий струм характеризується магнітним моментом і може бути замінений еквівалентним магнітним диполем. Магнітні диполі утворюються, в основному, спиновим обертанням електронів, а орбітальне обертання електронів бере в цьому процесі слабку участь, так само як і ядерне обертання.

Більшість матеріалів спінові моменти електронів компенсують один одного. Тому феромагнетизм спостерігається далеко не у всіх речовин таблиці Менделєєва.

Умови, які необхідні, щоб матеріал був феромагнітним:

1. Існування елементарних кругових струмів у атомах.

2. Наявність некомпенсованих спінових моментів, електронів.

3. Співвідношення між діаметром електронної орбіти (D), що має некомпенсований спіновий момент, і постійної кристалічної решітки речовини (а) має бути

. (6.1)

4. Наявність доменної структури, тобто. таких кристалічних областей, у яких дипольні магнітні моменти виявляються паралельно орієнтовані.

5. Температура матеріалу (речовини) повинна бути нижчою за точку Кюрі, так як при вищій температурі відбувається зникнення доменної структури, матеріал переходить з феромагнітного стану в парамагнітний.

Характерною властивістю феромагнітного стану речовини є наявність спонтанної намагніченості без застосування зовнішнього магнітного поля. Однак магнітний потік такого тіла дорівнюватиме нулю, оскільки напрямок магнітних моментів окремих доменів по-різному (доменна структура із замкнутим магнітним ланцюгом).

Ступінь намагнічування речовини характеризують величиною намагніченості, або інтенсивності намагнічування (J), яка визначається як межа відношення результуючого магнітного моменту Σm, віднесеного до обсягу речовини (V), коли, обсяг прагнути до нуля

. (6.2)

Якщо помістити речовину у зовнішнє магнітне поле з напруженістю Н, то співвідношення між J і Н буде

J = 4 πχH, (6.3)

де χ (Каппа) називається магнітною в'язкістю.

Відносна магнітна проникність μ залежить від χ:

μ = 1 +4 πχ . (6.4)

Інтенсивність, намагнічування можна визначити, знаючи μ

μ = 1+. (6.5)

Загалом, магнітне поле у ​​феромагнетиці створюється як сума двох складових: зовнішньої, створюваної напруженістю зовнішнього магнітного поля Н, і внутрішньої, що створюється намагніченістю (J).

Сумарне магнітне поле характеризується магнітною індукцією:

B = μ 0 (H + J), (6.6)

де μ 0 - магнітна постійна (магнітна проникність вакууму)

μ 0 = 4 π ∙10 -7 , Г/м. (6.7)

Виражаючи значення J через χ, а потім μ отримаємо:

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

Абсолютна величина магнітної проникності

μ абс = μ 0 ∙ μ . (6.9)

Остаточна формула для магнітної індукції

B = μ абс H. (6.10)

Процес намагнічування феро магнітного матеріалупід впливом зовнішнього магнітного поля полягає в наступному:

зростання доменів, магнітні моменти яких близькі у напрямку з зовнішнім полем, та зменшенням інших доменів;

орієнтація магнітних моментів всіх доменів у бік зовнішнього поля.

Процес намагнічування характеризується кожному за феромагнетика своєю основною кривою намагнічування У = f(Н).

Магнітна проникність μ у процесі намагнічування також змінюється.

Це показано на рис. 6.2.

Мал. 6.2. Криві намагніченості (В = f(Н)) та магнітної проникності (μ = f(Н))

Магнітна проникність μ при напруженості Н, близької до нуля, називається початковою (ділянка 1), а при переході матеріалу до насичення вона прийматиме максимальне значення (2), з подальшим збільшенням Н магнітна проникність μ – зменшується (ділянки 3 та 4).

При циклічному намагнічуванні феромагнетика криві намагнічування та розмагнічування утворюють петлю гістерези. Петлю гістерезису, отриману за умови насичення матеріалу, називають граничною. По петлі гістерези, отриманої, наприклад, на екрані осцилографа можна отримати досить повну інформаціюпро основні магнітні параметри матеріалу (рис. 6.3).

Мал. 6.3. Петля гістерези

Основними параметрами є:

1) залишкова індукція, після зняття напруженості поля – Вr;

2) коерцитивна сила Нс - напруженість, яку потрібно докласти до зразка, щоб зняти залишкову індукцію;

3) максимальна індукція B max яка досягається при повному насиченні зразка;

4) питомі втрати на гістерезис за один цикл перемагнічування, які характеризуються площею, що охоплюється петлею гістерези.

Інші магнітні параметри матеріалу, а також втрати на перемагнічування (гістерезис), вихрові струми, енергію в зазорі (для постійного магніту) можна розрахувати за формулами, які були наведені вище та будуть наведені надалі.

Втрати у феромагнітнихматеріалах - це витрати енергії, які йдуть на перемагнічування феромагнетиків, на виникнення вихрових струмів у змінному магнітному полі, на магнітну в'язкість матеріалу – створюють так звані втрати, які можна поділити на такі види:

а) втрати на гістерезис Рг, пропорційні площі петлі гістерезису

Рг = η∙f∙
∙ V, Вт (6.11)

де η - Коефіцієнт гістерези для даного матеріалу;

f- Частота поля, Гц;

У max- Максимальна індукція, Тл;

V- Об'єм зразка, м 3 ;

n≈ 1,6...2 – значення показника ступеня;

б) втрати на вихрові струми

Рв.т. = ξ∙f 2 ∙В max ∙ V, Вт (6.12)

де ξ - коефіцієнт, що залежить від питомого електричного опору матеріалу та від форми зразка;

в) втрати на післядія Рп.с., (втрати на магнітну в'язкість), які не піддаються аналітичному розрахунку та визначаються виходячи з повних втрат Р, Рг та Рв.т. за формулою

Рп.с. = Р - Рг - Рв.т. (6.13)

Втрати на вихрові струми можна зменшити, збільшуючи електричний опір феромагнетика. Для цього магнітопровід, наприклад для трансформаторів, набирають з окремих тонких ізольованих один від одного пластин феромагнетика.

На практиці іноді застосовують феромагнетики з розімкненим магнітним ланцюгом, тобто. мають, наприклад, повітряний зазор, що має великий магнітний опір. У тілі, що має повітряний зазор, виникають вільні полюси, що створюють поле, що розмагнічує, спрямоване назустріч зовнішньому намагнічує полю. Відбувається зниження індукції тим більше, що ширше повітряний зазор. Це проявляється в електромашинах, магнітних підйомних пристроях та ін.

Енергія в зазорі (W L), наприклад постійного магніту, виражається формулою

, Дж/м 3 (6.14)

де У Lі Н L- Власне індукція та напруженість поля при даній довжині повітряного зазору.

Змінюючи напруження, що подається на феромагнетик, можна отримати в даному зазорі максимальну енергію.

Для знаходження W max користуються діаграмою, на якій по кривій розмагнічування для магнітного матеріалу, розташованої в другому квадранті (ділянка петлі гістерези), будують криву енергії в зазорі, задаючись різними значеннями (або Н). Залежність W L від L і Н L показана на рис. 6.4.

Мал. 6.4. Енергія в повітряному зазорі феромагнетика

Щоб визначити напруженість поля Н, за якої буде максимальна енергія в зазорі магніту, потрібно провести дотичну до максимальної енергії (у точці А), а від неї провести горизонтальну лінію до перетину з петлею гістерезису у другому квадранті. Потім опустити перпендикуляр до перетину з координатою Н. Точка Н L 2 визначатиме напруженість магнітного поля.

За основними магнітними параметрами феромагнітні матеріали можна класифікувати на такі групи;

Магнітно-м'які –матеріали з малим значенням коерцитивної сили Нc (до 100 А/м), великою величиною магнітної проникності та малими втратами на гістерезис. Вони використовуються як магнітопроводи постійного струму(Сердечники трансформаторів, вимірювальних приладів, котушок індуктивності тощо)

Домагнітно-м'яким матеріалам відносяться:

технічно чисте залізо, карбонільне залізо;

електротехнічна сталь;

пермаллої;

альсифери;

ферити (мідномарганцеві);

термомагнітні сплави (Ni-Сr-Fе) та ін.

2. Магнітно-тверді –матеріали, що мають велику коерцитивну силу (Нс > 100 А/м) (див. рис. 4.5, г).

Магнітотверді матеріали застосовують виготовлення постійних магнітів, у яких використовується магнітна енергія в повітряному зазорі між полюсами магніту.

До магнітно-твердим матеріаламвідносяться:

Литі сплави альн (Аl-Ni-Fе);

Альнико (Al-Ni-Со-Fе);

Магніко;

Леговані сталі, гартовані на мартенсит та ін.

Особливий інтерес представляють сплави на основі рідкісноземельних матеріалів (YCo, CeCo, SmCo та ін), що володіють високим значеннямН з і w max.

3. Феріти -матеріали, що являють собою подвійні оксиди заліза з оксидами двовалентних металів (МеО∙Fe 2 O 3). Ферити можуть бути магнітно-м'якими та магнітно-твердими, залежно від їх кристалічної будови, наприклад, типу шпинелі – (MgAl 3 O 4), гаусмагніту (Мn 3 O 4), гранату Ga 3 Al 2 (SiO 4) 3 та ін. Електричний питомий опір їх великий (від 10 -1 до 10 10 Ом∙м), отже втрати на вихрові струми, особливо при високих частотах, малі.

4. Магнітодіелектрики –матеріали, що складаються з феромагнітного порошку з діелектричним зв'язуванням. Порошок береться зазвичай на основі магнітно-м'якого матеріалу - карбонільне залізо, альсифер, а сполучною діелектриком служить матеріал з малими діелектричними втратами - полістирол, бакеліт та ін.

Запитання для самоперевірки:

Класифікація речовин за магнітними властивостями.

Особливості сильномагнітних речовин (домени, анізотропія, крива намагнічування, магнітострикція, магнітна проникність, гістерезис, і т.п.)

Чинники, що впливають на магнітні властивості

Втрати у магнітних матеріалах

Класифікація сильномагнітних матеріалів

Низькочастотні магнітом'які матеріали

Високочастотні магнітом'які матеріали

Магнітотверді матеріали

Магнітні матеріали спецпризначення

Програми

Провідникові матеріали Таблиця П.1

Напівпровідникові матеріали Таблиця П.2

Діелектричні матеріали Таблиця П.3

Магнітні матеріали Таблиця П.4

бібліографічний список

1. Пасинков, В.В. Матеріали електронної техніки: учеб.для вузів/ В.В.Пасинков, В.С.Сорокін -СПб.: Лань, 2003. - 367с.

2. Радіоматеріали та радіокомпоненти: метод. вказівки/упоряд. А.М. Хадикін А.М.- Омськ: Вид-во ОмДТУ, 2007. - 44 с.

3. Радіоматеріали та радіокомпоненти: конспект лекцій / авт.-сост. А. М. Хадикін. - Омськ: Вид-во ОмДТУ, 2008. - 91 с.

4. Матеріали та елементи електронної техніки: метод. вказівки / сост. А. М. Хадикін. - Омськ: Вид-во ОмДТУ, 2005.-34с.

5. Клікушин Ю.М. Матеріалознавство у приладобудуванні. Електротехнічні матеріали: Навч. посібник для вузів / Ю. Н. Клікушин, А. І. Чередов, І. Л. Захаров; ОмДТУ. – Омськ: Вид-во ОмДТУ, 2005. – 79 с.

6. Сорокін В. С. Матеріали та елементи електронної техніки. У 2-х т.: Підручник для студентів вузів, які навчаються за напрямом підготовки бакалаврів, магістрів та фахівців 210100 "Електроніка та мікроелектроніка" / В. С. Сорокін, Б. Л. Антіпов, Н. П. Лазарєва. Т.1: Провідники, напівпровідники, діелектрики. - М.: Видавничий центр "Академія", 2006. - 448 с.

7. Сорокін В. С. Матеріали та елементи електронної техніки. У 2 т.: підручник для студентів вузів, які навчаються за напрямом підготовки та спеціальностями "Електроніка та мікроелектроніка" / В. С. Сорокін, Б. Л. Антіпов, Н. П. Лазарєва. Т.2. - М.: Видавничий центр "Академія", 2006. - 384 с.

8. Алієв І.І. Електротехнічні матеріали та вироби. Довідник - М.: ІП РадіоСофт, 2007. - 352 с.

9. А.І. Сидоров, Н.В. Ніконоров «Матеріали та технології інтегральної

оптики». Навчальний посібник, курс лекцій. СПб: СПбДУ ІТМО, 2009 р. - 107

10. Бондаренко І.Б., Гатчин Ю.А., Іванова Н.Ю., Шилкін Д.А. З'єднувачі та комутаційні пристрої. Навчальний посібник. СПб: СПбГУ ІТМО, 2007. 151 с.

11. Рощин В.М. Технологія матеріалів мікро-, опто- та наноелектроніки: навчальний посібник. Ч 2/ В.М. Рощин, М.В. Силібін. - М.: БІНОМ. Лабораторія знань, 2010. - 180 с.

12. Садченко Д.А. Маркування радіодеталей вітчизняних та зарубіжних. Довідковий посібник. Том 1. - М.: СОЛОН-Р, 2002. - 208 с.

13. Петров К.С. Радіоматеріали, радіокомпоненти та електроніка. Навчальний посібник для вишів. - Санкт-Петербург.: Пітер, 2006 р. – 522 с.

14. Ульяніна І.Ю. Будова матеріалів: навч. посібник / І. Ю. Ульяніна, Т. Ю. Скакова. - М.: МДІУ, 2006. - 55 с.

15. Ульяніна І.Ю. Матеріалознавство у схемах-конспектах: навч. посібник / І. Ю. Ульяніна. - М.: Вид-во МДІУ, 2006. - 139 с.

16. Мішин Д.Д. Магнітні матеріали. - М.: Вищ.шк., 1991. - 384 с.

17. Харламова Т.Є. Електроматеріалознавство. Електротехнічні матеріали: Навч. Допомога. - СПб.: СЗПІ, 1998. - 82 с.

18. Шкаруб М.В., Тихонов С.А. Матеріали та елементи електронної техніки: Навч. посібник. - Омськ: Вид-во Омгту, 2006. - 120 с.

19. Компоненти та технології: Ежемес. всерос. журн. - М.: Ред.журн. "Видавництво Файнстріт", - Виходить щомісяця.

20. Internet: www.wieland- electric.com

21. Internet: www.platan.ru

22. Internet: www.promelec.ru

23. Internet: www.chipdip.ru