У феромагнітних речовин відносна магнітна проникність. Магнітна проникність матеріалів

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. всі 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 струм створює 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 властивостібудь-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);

Рис. 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 кутами один до одного. 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.

Рис. 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).

Рис. 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).

Рис. 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 :

Рис. 6

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

Рис. 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 .

Рис. 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.

Магнітна проникність- фізична величина, коефіцієнт (що залежить від властивостей середовища), що характеризує зв'язок між магнітною індукцією texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): (B)та напруженістю магнітного поля Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): (H)у речовині. Для різних середовищцей коефіцієнт різний, тому свідчать про магнітної проникності конкретної середовища (маючи на увазі її склад, стан, температуру тощо. буд.).

Вперше зустрічається в роботі Вернера Сіменса "Beiträge zur Theorie des Elektromagnetismus" ("Внесок у теорію електромагнетизму") в 1881 році.

Зазвичай позначається грецькою літерою Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvc . Можливо як скаляром (в ізотропних речовин), і тензором (в анізотропних).

Загалом, співвідношення між магнітною індукцією та напруженістю магнітного поля через магнітну проникність вводиться як

і Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): \muв загальному випадкутут слід розуміти як тензор, що в компонентному записі відповідає:

Для ізотропних речовин співвідношення:

можна розуміти у сенсі множення вектора на скаляр (магнітна проникність зводиться у разі до скаляру).

Нерідко позначення Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): \muвикористовується не так, як тут, а для відносної магнітної проникності (при цьому Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): \muзбігається з таким у СГС).

Розмірність абсолютної магнітної проникності СІ така ж, як розмірність магнітної постійної, тобто Гн / або / 2 .

Відносна магнітна проникність у СІ пов'язана з магнітною сприйнятливістю χ співвідношенням

Класифікація речовин за значенням магнітної проникності

Переважна більшість речовин належить або до класу діамагнетиків ( Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): \mu \lessapprox 1), або до класу парамагнетиків ( Неможливо розібрати вираз (виконуваний файл texvcНЕ знайдений; Math/README - довідка про налаштування.): \mu \gtrapprox 1). Але ряд речовин - (феромагнетики), наприклад залізо, мають більш виражені магнітні властивості.

У феромагнетиків внаслідок гістерези, поняття магнітної проникності, строго кажучи, не застосовується. Однак у певному діапазоні зміни поля, що намагнічує (щоб можна було знехтувати залишковою намагніченістю, але до насичення) можна в кращому або гіршому наближенні все ж уявити цю залежність як лінійну (а для магнітом'яких матеріалів обмеження знизу може бути і не практично істотно), і в цьому сенсі величина магнітної проникності буває виміряна й них.

Магнітні проникності деяких речовин та матеріалів

Магнітна сприйнятливість деяких речовин

Магнітна сприйнятливість та магнітна проникність деяких матеріалів

Див. також

Напишіть відгук про статтю "Магнітна проникність"

Примітки

Уривок, що характеризує Магнітна проникність

На мій величезний подив, на відміну від баченого раніше, ми потрапили в зовсім інший час і місце, яке було схожим на Францію, і по одязі нагадувало вісімнадцяте століття. Широкою брукованою вулицею проїжджав критий гарний екіпаж, усередині якого сиділи молоді чоловік і жінка в дуже дорогих костюмах, і мабуть, у дуже поганому настрої... Молода людина щось наполегливо доводила дівчині, а та, зовсім її не слухаючи, спокійно витала. десь у своїх мріях, ніж молодого чоловікадуже дратувала...
– Ось бачиш – це він! Це той самий «маленький хлопчик»... тільки через багато, багато років, — тихенько прошепотіла Стелла.
- А звідки ти знаєш, що це точно він? - Все ще не зовсім розуміючи, запитала я.
- Ну, як же, це дуже просто! - Здивовано дивилася на мене маля. – Ми всі маємо сутність, а сутність має свій «ключик», яким можна кожного з нас знайти, тільки треба знати, як шукати. Ось дивись...
Вона знову показала мені дитину, сина Гарольда.
- Подумай про його сутність, і ти побачиш...
І я відразу побачила прозору, яскраво світиться, на диво потужну сутність, на грудях якої горіла незвичайна «діамантова» енергетична зірка. Ця «зірка» сяяла і переливалася всіма кольорами веселки, то зменшуючись, то збільшуючись, ніби повільно пульсуючи, і сяяла так яскраво, ніби й справді була створена з найприголомшливіших діамантів.
- Ось бачиш у нього на грудях цю дивну перевернуту зірку? - Це і є його "ключик". І якщо ти спробуєш простежити за ним, як по ниточці, то вона приведе тебе прямо до Акселя, у якого така ж зірка - це і є та сама сутність, тільки вже в її наступному втіленні.
Я дивилася на неї на всі очі, і видно помітивши це, Стелла засміялася і весело зізналася:
- Ти не думай, що це я сама - це бабуся мене навчила!
Мені було дуже соромно почуватися повною невміхою, але бажання більше дізнатися було в сто разів сильніше будь-якого сорому, тому я заховала свою гордість якомога глибше і обережно запитала:
– А як же всі ці чудові «реальності», які ми зараз тут спостерігаємо? Адже це чиясь чужа, конкретне життя, і ти не твориш їх так само, як ти твориш усі свої світи?
- О ні! - Знову зраділа можливості щось мені пояснити маля. - Звичайно ж ні! Адже це просто минуле, в якому всі ці люди колись жили, і я лише переношу нас з тобою туди.
- А Гарольд? Як він усе це бачить?
- О, йому легко! Адже він такий самий, як я, мертвий, ось він і може переміщатися, куди захоче. Адже в нього вже немає фізичного тілатому його сутність не знає тут перешкод і може гуляти, де їй захочеться... так само, як і я... - вже сумніше закінчила мала.
Я сумно подумала, що те, що було для неї лише «простим перенесенням у минуле», для мене мабуть ще довго буде «загадкою за сімома замками»... Але Стелла, ніби почувши мої думки, відразу поспішила мене заспокоїти :
- Ось побачиш, це дуже просто! Тобі треба лише спробувати.
- А ці "ключики", вони хіба ніколи не повторюються в інших? - Вирішила продовжити свої розпитування я.
– Ні, але іноді буває дещо інше… – чомусь кумедно посміхаючись, відповіла крихта. - Я на початку саме так і попалася, за що мене дуже навіть сильно «пошматували»... Ой, це було так безглуздо!
- А як? – дуже зацікавившись, спитала я.
Стелла одразу весело відповіла:
- О, це було дуже смішно! - І трохи подумавши, додала, - але і небезпечно теж ... Я шукала по всіх «поверхах» минуле втілення своєї бабусі, а замість неї по її «ниточці» прийшла зовсім інша сутність, яка якось зуміла «скопіювати» бабусин квітка »(мабуть теж «ключик»!) І, як тільки я встигла зрадіти, що нарешті її знайшла, ця незнайома сутність мене безжально вдарила в груди. Та так сильно, що в мене ледь душа не відлетіла!
- А як же ти її позбулася? - Здивувалася я.
– Ну, якщо чесно, я й не позбавлялася… – зніяковіла дівчинка. - Я просто бабусю покликала...
– А що ти називаєш «поверхами»? - Все ще не могла заспокоїтися я.
– Ну, це різні «світи», де мешкають сутності померлих... У найкрасивішому і найвищому живуть ті, які були добрими... і, напевно, найсильнішими теж.
- Такі як ти? - Усміхнувшись, запитала я.
- О, ні, звичайно! Я напевно сюди помилково потрапила. - абсолютно щиро сказала дівчинка. – А знаєш, що найцікавіше? З цього «поверху» ми можемо ходити скрізь, а з інших ніхто не може потрапити сюди... Правда – цікаво?
Так, це було дуже дивно і дуже захоплюючо цікаво для мого «зголоднілого» мозку, і мені так хотілося дізнатися більше!.. Може тому, що до цього дня мені ніколи і ніхто нічого до ладу не пояснював, а просто іноді хтось що щось давав (як, наприклад, мої «зіркові друзі»), і тому, навіть таке, просте дитяче поясненнявже робило мене надзвичайно щасливою і змушувало ще лютіше копатися у своїх експериментах, висновках та помилках... як завжди, знаходячи у всьому, що відбувається, ще більше незрозумілого. Моя проблема була в тому, що робити чи створювати «незвичайне» я могла дуже легко, але вся біда була в тому, що я хотіла ще й розуміти, як я це все створюю... А саме це поки що мені не дуже вдавалося ...

Магнітне поле котушки визначається струмом і напруженістю цього поля, а індукція поля. Тобто. індукція поля у вакуумі пропорційна величині струму. Якщо ж магнітне поле створюється в певному середовищі або речовині, то поле впливає на речовину, а воно своєю чергою певним чином змінює магнітне поле.

Речовина, що знаходиться у зовнішньому магнітному полі, намагнічується і в ньому виникає додаткове внутрішнє магнітне поле. Воно пов'язане з рухом електронів внутрішньоатомними орбітами, а також навколо власної осі. Рух електронів і ядер атомів можна як елементарні кругові струми.

Магнітні властивості елементарного кругового струму характеризуються магнітним моментом.

За відсутності зовнішнього магнітного поля елементарні струмивсередині речовини орієнтовані безладно (хаотично) і тому загальний або сумарний магнітний момент дорівнює нулюі в навколишньому просторі магнітне поле елементарних внутрішніх струмів не виявляється.

Вплив зовнішнього магнітного поля на елементарні струми в речовині полягає в тому, що змінюється орієнтація осей обертання заряджених частинок так, що їх магнітні моменти виявляються спрямованими в один бік. (У бік зовнішнього магнітного поля). Інтенсивність та характер намагнічування у різних речовин у однаковому зовнішньому магнітному полі значно відрізняються. Величину, що характеризує властивості середовища та вплив середовища на щільність магнітного поля, називають абсолютною магнітною проникністюабо магнітною проникністю середовища (μ з ) . Це ставлення = . Вимірюється [ μ з ]=Гн/м.

Абсолютна магнітна проникність вакууму називається магнітною постійною μ о =4? 10 -7 Гн/м.

Відношення абсолютної магнітної проникності до магнітної постійної називають відносною магнітною проникністюμ c / μ 0 = μ. Тобто. відносна магнітна проникність - це величина, що показує, у скільки разів абсолютна магнітна проникність середовища більша або менша за абсолютну проникність вакууму. μ - величина безрозмірна, що змінюється в широких межах. Ця величина покладена основою розподілу всіх матеріалів і середовищ на три групи.

Діамагнетики . У цих речовин 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 цих речовин μ > 1. До них відносяться - алюміній, магній, олово, платина, марганець, кисень, повітря та ін У повітря = 1,0000031. . Ці речовини, як і діамагнетики, слабо взаємодіють з магнітом.

Для технічних розрахунків діамагнітних і парамагнітних тіл приймається рівною одиниці.

Феромагнетики . Це особлива група речовин, які грають величезну роль електротехніці. У цих речовин μ >> 1. До них відносяться залізо, сталь, чавун, нікель, кобальт, гадоліній та сплави металів. Ці речовини дуже притягаються до магніту. У цих речовин μ = 600-10 000. У деяких сплавів μ досягає рекордних значень до 100 000. Слід зазначити, що μ для феромагнітних матеріалів непостійна і залежить від напруженості магнітного поля, виду матеріалу та температури.

Велике значення µ у феромагнетиках пояснюється тим, що в них є області мимовільного намагнічування (домени), в межах яких елементарні магнітні моменти однаково спрямовані. Складаючись, вони утворюють загальні магнітні моменти доменів.

Без магнітного поля магнітні моменти доменів орієнтовані хаотично і сумарний магнітний момент тіла або речовини дорівнює нулю. Під дією зовнішнього поля магнітні моменти доменів орієнтуються в один бік і утворюють загальний магнітний момент тіла, спрямований у той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле.

Цю важливу особливістьвикористовують на практиці, застосовуючи феромагнітні осердя в котушках, що дозволяє різко посилити магнітну індукцію і магнітний потік при тих же значеннях струмів і числа витків або, інакше кажучи, концентрувати магнітне поле відносно малому обсязі.

Магнетики

Усі речовини в магнітному полі намагнічуються (у них виникає внутрішнє магнітне поле). Залежно від величини та напряму внутрішнього поля речовини поділяють на:

1) діамагнетики,

2) парамагнетики,

3) феромагнетики.

Намагніченість речовини характеризується магнітною проникністю,

Магнітна індукція в речовині,

Магнітна індукція у вакуумі.

Будь-який атом можна характеризувати магнітним моментом .

Сила струму в контурі - площа контуру - вектор нормалі до поверхні контуру.

Мікрострум атома створюється рухом негативних електронів по орбіті та навколо власної осі, а також обертанням позитивного ядра навколо власної осі.

1. Діамагнетики.

Коли немає зовнішнього поля, в атомах діамагнетиківструми електронів та ядра компенсовані. Сумарний мікрострум атома та його магнітний момент дорівнюють нулю.

У зовнішньому магнітному полі атомах індукуються (наводяться) ненульові елементарні струми. Магнітні моменти атомів у своїй орієнтуються протилежно.

Створюється невелике власне поле, спрямоване протилежно до зовнішнього, і послаблює його.

У діамагнетиках.

Т.к.< , то для диамагнетиков 1.

2. Парамагнетики

У парамагнетикахмікроструми атомів та його магнітні моменти не дорівнюють нулю.

Без зовнішнього поля ці мікроструми розташовані хаотично.

У зовнішньому магнітному полі мікроструми атомів парамагнетика орієнтуються по полю, посилюючи його.

У парамагнетиці магнітна індукція = +, трохи перевищує.

Для парамагнетиків, 1. Для діа-і парамагнетиків можна вважати 1.

Таблиця 1. Магнітна проникність пара-і діамагнетиків.

Намагніченість парамагнетиків залежить від температури, т.к. тепловий рух атомів перешкоджає упорядкованому розташуванню мікрострумів.

Більшість речовин у природі є парамагнетиками.

Власне магнітне поле в діа- та парамагнетиках незначне і руйнується, якщо речовину прибрати із зовнішнього поля (атоми повертаються у вихідний стан, відбувається розмагнічування речовини).

3. Феромагнетики

Магнітна проникність феромагнетиківдосягає сотень тисяч і залежить від величини поля, що намагнічує ( сильномагнітні речовини).

Феромагнетики: залізо, сталь, нікель, кобальт, їх сплави та сполуки.

У феромагнетиках існують області мимовільного намагнічування (домени), в яких всі мікроструми атомів орієнтовані однаково. Розмір доменів сягає 0,1 мм.

Без зовнішнього поля магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично і компенсуються. У зовнішньому полі ті домени, в яких мікроструми посилюють зовнішнє поле, збільшують свої розміри за рахунок сусідніх. Результуюче магнітне поле = + у феромагнетиках набагато сильніше порівняно з пара-і діамагнетиками.

Домени, що включають мільярди атомів, мають інерційність і не повертаються швидко в початковий безладний стан. Тому, якщо феромагнетик видалити із зовнішнього поля, його власне поле зберігається тривалий час.

Магніт розмагнічується при тривалому зберіганні (з часом домени повертаються в хаотичний стан).

Інший спосіб розмагнічування – нагрівання. Для кожного феромагнетика існує температура (вона називається «точка Кюрі»), за якої в доменах руйнуються зв'язки між атомами. У цьому випадку феромагнетик перетворюється на парамагнетик і відбувається його розмагнічування. Наприклад, точка Кюрі для заліза становить 770 °С.

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 матеріалиспеціального 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).

Рис. 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, так як напрямок магнітних моментівокремих 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 феромагнітного матеріалу під 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.

Рис. 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).

Рис. 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.

Рис. 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