Магнитные свойства вещества (3) - Реферат. Магнитные свойства вещества
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:
где - магнитная индукция поля в веществе; - магнитная индукция поля в вакууме, - 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 , которая называется магнитной проницаемостью вещества
Магнитная проницаемость - это физическая скалярная величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в данном веществе отличается от индукции магнитного поля в вакууме.
Вещества, ослабляющие внешнее магнитное поле, называют диамагнетиками (висмут, азот, гелий, углекислота, вода, серебро, золото, цинк, кадмий и др.).
Вещества, усиливающие внешнее магнитное поле, - парамагнетики (алюминий, кислород, платина, медь, кальций, хром, марганец, соли кобальта и др.).
Для диамагнетиков >1. Но в том и другом случае отличие от 1 невелико (несколько десятитысячных или стотысячных долей единицы). Так, например, у висмута = 0,9998 = 1,000.
Некоторые вещества (железо, кобальт, никель, гадолиний и различные сплавы) вызывают очень большое усиление внешнего поля. Их называют ферромагнетиками . Для них = 10 3 -10 5 .
Впервые объяснение причин, вследствие которых тела обладают магнитными свойствами, дал Ампер. Согласно его гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые и определяют магнитные свойства любого вещества.
В настоящее время установлено, что все атомы и элементарные частицы действительно обладают магнитными свойствами. Магнитные свойства атомов в основном определяются входящими в их состав электронами.
Согласно полуклассической модели атома, предложенной Э. Резерфордом и Н. Бором, электроны в атомах движутся вокруг ядра по замкнутым орбитам (в первом приближении можно считать, что по круговым). Движение электрона можно представить как элементарный круговой ток , где е - заряд электрона, v - частота вращения электрона по орбите. Этот ток образует магнитное поле, которое характеризуется магнитным моментом, модуль его определяется формулой , где S - площадь орбиты.
Магнитный момент электрона, обусловленный движением вокруг ядра, называют орбитальным магнитным моментом . Орбитальный магнитный момент - это векторная величина, и направление определяется по правилу правого винта. Если электрон движется по ходу часовой стрелки (рис. 1), то токи направлены против хода часовой стрелки (по направлению движения положительного заряда), и вектор перпендикулярен плоскости орбиты.
Так как в атоме плоскости орбит различных электронов не совпадают, то их магнитные моменты направлены под разными углами друг к другу. Результирующий орбитальный магнитный момент многоэлектронного атома равен векторной сумме орбитальных магнитных моментов отдельных электронов.
Нескомпенсированным орбитальным магнитным моментом обладают атомы с частично заполненными электронными оболочками. В атомах с заполненными электронными оболочками он равен 0.
Кроме орбитального магнитного момента, электрон обладает еще собственным (спиновым) магнитным моментом , что впервые установили О. Штерн и В. Герлах в 1922 г. Существование магнитного поля у электрона было объяснено его вращением вокруг собственной оси, хотя и не следует буквально уподоблять электрон вращающемуся заряженному шарику (волчку).
Достоверно установлено, что магнитное поле электрона является таким же неотъемлемым свойством, как его масса и заряд. Электрон, в весьма грубом приближении, можно представить как очень маленький шарик, окруженный электрическим и магнитным полями (рис. 2). Магнитные поля у всех электронов одинаковы, как одинаковы их массы и заряды. Спиновый магнитный момент - вектор, направленный вдоль оси вращения. Он может ориентироваться только двумя способами: либо по..., либо против... Если в том месте, где находится электрон, есть внешнее магнитное поле, то либо по полю, либо против поля. Как показано в квантовой физике, в одинаковом энергетическом состоянии могут находиться только два электрона, спиновые магнитные моменты которых противоположны (принцип Паули).
У многоэлектронных атомов спиновые магнитные моменты отдельных электронов, как и орбитальные моменты, складываются как векторы. При этом результирующий спиновый магнитный момент атома у атомов с заполненными электронными оболочками равен 0.
Общий магнитный момент атома (молекулы) равен векторной сумме магнитных моментов (орбитальных и спиновых) входящих в атом (молекулу) электронов:
Диамагнетики состоят из атомов, которые в отсутствие внешнего магнитного поля не имеют собственных магнитных моментов, так как у них скомпенсированы все спиновые и все орбитальные магнитные моменты.
Внешнее магнитное поле не действует на весь атом диамагнетика, но действует на отдельные электроны атома, магнитные моменты которых отличны от нуля. Пусть в данный момент скорость электрона составляет некоторый угол (рис. 3) с магнитной индукцией внешнего поля.
Благодаря составляющей на электрон будет действовать сила Лоренца (направленная к нам на рис. 3), которая вызовет дополнительное (кроме других движений, в которых участвует электрон при отсутствии поля) движение по окружности. Но это движение представляет собой дополнительный круговой ток, который создаст магнитное поле, характеризуемое магнитным моментом (наведенным), направленным по правилу правого винта навстречу . В результате диамагнетики ослабляют внешнее магнитное поле.
Парамагнетики состоят из атомов, у которых результирующий магнитный момент атома . В отсутствие внешнего поля эти моменты ориентированы хаотически и вещество в целом не создает вокруг себя магнитного поля. При помещении парамагнетиков в магнитное поле происходит преимущественная ориентация векторов по полю (этому препятствует тепловое движение частиц). Таким образом, парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. Этот эффект называется парамагнитным. При ослаблении внешнего магнитного поля до нуля ориентация магнитных моментов вследствие теплового движения нарушается и парамагнетик размагничивается. В парамагнетиках наблюдается и диамагнитный эффект, но он значительно слабее парамагнитного.
Любое вещество в мире имеет определенные магнитные свойства. Измеряются они магнитной проницаемостью. В этой статье мы рассмотрим магнитные свойства вещества.
Гипотеза Ампера
Магнитная проницаемость показывает во сколько раз меньше или больше индукция магнитного поля в данной среде индукции магнитного поля в вакууме.
Намагниченным называется то вещество, которое создает собственное магнитное поле. Намагниченность возникает, если вещество поместить во внешнее магнитное поле.
Французский ученый Ампер установил причину, следствием которой является обладание телами магнитных свойств. В гипотезе Ампера говорится о том, что внутри вещества имеются микроскопические электрические токи (электрон имеет собственный магнитный момент, имеющий квантовую природу, орбитальное движение в атомах электронов). Именно ими и определяются магнитные свойства вещества. Если токи имеют неупорядоченные направления, то магнитные поля, которые они порождают, компенсируют друг друга. Тело оказывается не намагничено. Внешнее магнитное поле упорядочивает эти токи. Вследствие этого в веществе возникает собственное магнитное поле. Это и есть намагниченность вещества.
Именно по реакции веществ на внешнее магнитное поле и по упорядоченности их внутренней структуры, определяют магнитные свойства вещества. В соответствии с этими параметрами их делят на такие группы:
- Парамагнетики
- Диамагнетики
- Ферромагнетики
- Антиферромагнетики
Диамагнетики и парамагнетики
- Вещества, которые имеют отрицательную магнитную восприимчивость, не зависящую от напряженности магнитного поля, называются диамагнетики. Давайте разберемся, какие магнитные свойства вещества, называются отрицательной магнитной восприимчивостью. Это когда к телу подносится магнит, и оно при этом отталкивается, а не притягивается. К диамагнетикам относятся например, инертные газы, водород, фосфор, цинк, золото, азот, кремний, висмут, медь, серебро. То есть это вещества, которые находятся в сверхпроводящем состоянии или имеющие ковалентные связи.
- Парамагнетики. У этих веществ магнитная восприимчивость тоже не зависит от того, какая напряженность поля существует. Она при этом положительная. То есть при сближении парамагнетика с постоянно действующим магнитом, возникает сила притягивания. К ним можно отнести алюминий, платину, кислород, марганец, железо.
Ферромагнетики
Вещества, у которых высокая положительная магнитная восприимчивость, называются ферромагнетиками. У этих веществ, в отличие от диамагнетиков и парамагнетиков, магнитная восприимчивость зависит от температуры и напряженности магнитного поля, причем в значительной мере. К ним относятся кристаллы никеля и кобальта.
Антиферромагнетики и ферримагнетики
- Вещества, у которых во время нагревания совершается фазовый переход данного вещества, сопровождающегося появлением парамагнитных свойств, называются антиферромагнетиками. Если температура становится, ниже какой-то определенной, эти свойства у вещества наблюдаться не будут. Примерами этих веществ будут марганец и хром.
- Ферримагнетики характеризуются присутствием в них некомпенсированного антиферромагнетизма. Их магнитная восприимчивость тоже зависит от температур и напряженности магнитного поля. Но отличия у них все же, есть. К этим веществам можно отнести различные оксиды.
Все вышеперечисленные магнетики можно еще разделить на 2 категории:
- Магнитотвердые материалы. Это материалы с высоким значением коэрцитивной силы. Для их перемагничивания необходимо создать мощное магнитное поле. Эти материалы применяются в изготовлении постоянных магнитов.
- Магнитомягкие материалы, напротив, имеют маленькую коэрцитивную силу. При слабых магнитных полях они способны войти в насыщение. На перемагничивание у них малые потери. Из-за этого эти материалы применяются для изготовления сердечников для электрических машин, которые работают на переменном токе. Это, например, трансформатор тока и напряжения, или генератор, или асинхронный двигатель.
Мы рассмотрели все основные магнитные свойства вещества и разобрались, какие виды магнетиков существуют.
«Физика - 11 класс»
Магнитное поле создается электрическими токами и постоянными магнитами.
Все вещества, помещенные в магнитное поле, создают собственное магнитное поле.
Намагничивание вещества.
Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля.
В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции в вакууме.
Гипотеза Ампера
Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была установлена французским физиком Ампером: магнитные свойства тела можно объяснить циркулирующими внутри него токами.
Внутри молекул и атомов существуют элементарные электрические токи, которые образуются вследствие движения электронов в атомах.
Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу из-за теплового движения молекул, то их действия взаимно компенсируются, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает
В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия складываются.
Наиболее сильные магнитные поля создают вещества, называемые ферромагнетиками
.
Из них делают постоянные магниты, так как поле ферромагнетика не исчезает после выключения намагничивающего поля.
Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. В ферромагнетиках существуют области, называемые доменами размером около 0,5 мкм.
Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична, и суммарное магнитное поле, создаваемое доменами, равно нулю.
При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля.
Температура Кюри.
При температурах, больших некоторой определенной для данного ферромагнетика, его ферромагнитные свойства исчезают.
Эту температуру называют температурой Кюри
по имени открывшего данное явление французского ученого.
При нагревании намагниченные тела теряют свои магнитные свойства.
Например, температура Кюри для железа 753 °С.
Существуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100 °С.
Применение ферромагнетиков
Ферромагнитных тел в природе не так много, но они нашли широкое применение.
Например, сердечник, установленный в катушке, усиливает создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке.
Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.
При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем пространстве.
Благодаря этому существуют постоянные магниты.
Большое применение получили ферриты - ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока, это химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ.
Один из известных ферромагнитных материалов - магнитный железняк - является ферритом.
Ферромагнетики используются для магнитной записи информации.
Из ферромагнетиков изготовляют магнитные ленты и магнитные пленки, которые используют для звукозаписи в магнитофонах и для видеозаписи в видеомагнитофонах.
Запись звука производят на ленту с помощью электромагнита, магнитное поле которого изменяется в такт со звуковыми колебаниями.
При движении ленты вблизи магнитной головки различные участки пленки намагничиваются.
Схема магнитной индукционной головки
где
1 - сердечник электромагнита;
2 - магнитная лента;
3 - рабочий зазор;
4 обмотка электромагнита.
Развитие технологии магнитной записи привело к появлению магнитных микроголовок, которые используются в ЭВМ, позволяющих создавать большую плотность магнитной записи, так на ферромагнитном жестком диске диаметром в несколько сантиметров хранится до нескольких терабайт (10 12 байт) информации. Считывание и запись информации на таком диске осуществляется с помощью микроголовки. Диск вращается с огромной скоростью, и головка плавает над ним в потоке воздуха, что предотвращает возможность механического повреждения диска.
Магнитные свойства вещества
2. Диа- и парамагнетики.
1. Магнитное поле вещества. Гипотеза Ампера.
Опыты показывают, что все вещества, помещённые в магнитное поле, намагничиваются и сами становятся источниками дополнительного магнитного поля.
Магнетики – вещества, способные намагничиваться в магнитном поле.
Для объяснения намагничивания тел Ампер предположил (гипотеза Ампера ), что в молекулах вещества циркулируют круговые токи. Эти токи возникают при движении электронов по орбитам вокруг ядер атомов и создают собственное магнитное поле. Внешнее магнитное поле оказывает на них ориентирующее действие.
Действие внешнего магнитного поля на элементарный ток определяется магнитным моментом тока :
, , (1)
где – сила элементарного тока, – площадь, обтекаемая током, а – вектор нормали к ней. Вектор перпендикулярен к плоскости элементарного тока.
В отсутствие внешнего магнитного поля элементарные токи, а, следовательно, и их магнитные моменты, расположены беспорядочно. Такое вещество не создаёт дополнительное магнитное поле:
Если вещество поместить во внешнее магнитное поле , то магнитные моменты молекул приобретают преимущественную ориентацию в одном направлении. Вещество приобретает некоторый суммарный магнитный момент (намагничивается) и создаёт в пространстве дополнительное магнитное поле .
Внешнее и дополнительное поля в сумме дают результирующее поле:
В качестве характеристики степени намагничивания магнетика применяется вектор намагничивания.
Вектором намагничивания , данного вещества называют магнитный момент единицы объема:
где – магнитный момент отдельной молекулы, а суммирование ведётся по всем молекулам в объёме V .
Единица измерения вектора намагничивания:
,
что совпадает с единицей напряжённости магнитного поля .
Опыт показывает, что вектор намагничивания в изотропных средах пропорционален вектору напряжённости магнитного поля:
где безразмерная величина называется магнитной восприимчивостью вещества .
Индукция и напряжённость внешнего магнитного поля связаны равенством: . Расчёты показывают, что напряжённость дополнительного магнитного поля равна вектору намагничивания : . Следовательно, для индукции дополнительного магнитного поля имеем:
Тогда формула (2) примет вид:
Используя (4), получим:
Безразмерная величина
представляет собой магнитную проницаемость вещества . Подставив (6) в (5), придём к соотношению
которое ранее нами постулировалось.
Формула (6) связывает две характеристики магнетиков: магнитную проницаемость и магнитную восприимчивость.
2. Диа- и парамагнетики.
Все вещества по характеру намагничивания делятся на три класса – диамагнетики , парамагнетики и ферромагнетики .
Диамагнетики – вещества с отрицательной восприимчивостью и соответственно с магнитной проницаемостью .
К ним относятся : водород, вода, стекло, цинк, серебро, золото, медь, висмут.
Так как у диамагнетиков , то из формулы (4) следует, что дополнительное магнитное поле по направлению противоположно внешнему и результирующее магнитное поле незначительно ослабляется .
При внесении диамагнетика в магнитное поле, он выталкивается из области наибольшей напряжённости и устанавливается перпендикулярно силовым линиям.
Атомы диамагнетиков при отсутствии внешнего магнитного поля собственным магнитным моментом не обладают. Под действием внешнего магнитного поля атомы приобретают индуцированный (наведённый) магнитный момент, противоположный полю.
Парамагнетики – вещества с положительной восприимчивостью и магнитной проницаемостью .
К ним относятся : азот, кислород, воздух, эбонит, алюминий, вольфрам, платина.
В парамагнетиках дополнительное магнитное поле совпадает по направлению с внешним, так как , и результирующее магнитное поле незначительно увеличивается .
При внесении парамагнетика в магнитное поле, он втягивается в область большей напряжённости и устанавливается вдоль силовых линий.
Атомы парамагнетиков обладают собственным магнитным моментом при отсутствии внешнего поля, причём эти моменты ориентированы совершенно беспорядочно. При наличии внешнего поля возникает некоторое упорядоченное расположение магнитных моментов вдоль поля.
Абсолютное значение магнитной восприимчивости для диа- и парамагнетиков очень мало (), поэтому для них магнитная проницаемость незначительно отличается от единицы. Диа- и парамагнетики называют слабомагнитными веществами .
3. Ферромагнетики. Гистерезис.
Ферромагнетики – сильномагнитные вещества, у которых магнитная проницаемость значительно больше 1 и достигает значений порядка (.
К ним относятся : железо, кобальт, никель, некоторые редкоземельные металлы, большое количество сплавов.
Зависимость магнитной проницаемости от напряжённости внешнего магнитного поля .
Зависимость вектора намагничивания от напряжённости внешнего магнитного поля .
Зависимость индукции магнитного поля от напряжённости внешнего магнитного поля .
Важнейшей особенностью ферромагнетиков является наличие у них свойства гистерезиса (отставания).
Явление гистерезиса состоит в несовпадении кривых намагничивания и размагничивания ферромагнетика.
При уменьшении индукции внешнего магнитного поля до нуля намагничивание не исчезает, оно характеризуется остаточной индукцией B ос .
Коэрцитивная (задерживающая) сила – величина индукции противоположного поля (отрезок ОС ), необходимая для ликвидации остаточного намагничивания.
Ферромагнетик с большой коэрцитивной силой называется жёстким , а с малой коэрцитивной силой – мягким .
Магнитострикция – деформация ферромагнетиков при намагничивании.
Все ферромагнетики при нагревании теряют свои особые магнитные свойства и становятся парамагнетиками.
Температура Кюри – температура перехода из ферромагнитного состояния в парамагнитное.
Температура Кюри: 770 º С (железо);
1150 º С (кобальт);
360 º С (никель).
В ферромагнетиках ниже температуры Кюри имеются целые намагниченные области – домены , размеры которых достигают . Внешнее магнитное поле, действующее на ферромагнетики, ориентирует магнитные моменты доменов.
Когда векторы магнитных моментов всех доменов устанавливаются параллельно внешнему магнитному полю, наступает магнитное насыщение .
Контрольные вопросы
1. Какие вещества называют магнетиками?
2. Сформулируйте гипотезу Ампера.
3. Дайте определения магнитной проницаемости и магнитной восприимчивости вещества. Запишите соотношение между этими величинами.
4. Что такое диамагнетики? парамагнетики? В чем различие их магнитных свойств?
5. Какие вещества называют ферромагнетиками?
6. Объясните петлю гистерезиса ферромагнетика. Что такое магнитострикция?
7. Какую температуру для ферромагнетика называют температурой Кюри?
8. Каков механизм намагничения ферромагнетиков?
МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно. Существуют магниты двух разных видов. Одни - так называемые постоянные магниты, изготовляемые из "магнитно-твердых" материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из "магнитно-мягкого" железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.
Магнитные полюса и магнитное поле.
Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец - южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются. Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний - одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита. Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.) М. Фарадей (1791-1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины. Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение
Где F - сила в ньютонах, I - ток в амперах, l - длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл)
(см. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ).
Гальванометр.
Гальванометр - чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна. Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля. Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков - величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки. В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:
Где m0 - т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4pЧ10-7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже). На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.
Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894-1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902-1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.
Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме. Магнитная проницаемость m - это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями - от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей - в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля. На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 1-2, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы "память" материала о "прошлой истории", откуда и название "гистерезис". Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 1-3). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)-(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант - участок 4-5. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.
Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов - таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.
Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой - сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).
Теории магнетизма. Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория "увяла". В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное "трение". Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и "размножение" магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.
Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению "магнитного заряда" полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами. В 1907 П. Вейс ввел понятие "домена", ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших "колоний" атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10-6 мм3. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. "Стенка" и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой "переходные слои", в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.
В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.
Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.
Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них - так называемый эффект Баркгаузена, второе - метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности. Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe3O4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля - на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал. Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве "элементарных магнитов" рассматриваются именно электроны как носители спина. Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа - типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй - восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого - отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех - отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой - в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.
Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А. Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой - С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.
За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.
МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА
Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.
Измерение магнитных свойств. При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них -измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения "резонансных" частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные "гироскопы" и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением R = mv/eB, где m - масса частицы, v - ее скорость, e - ее заряд, а B - магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна
где f измеряется в герцах, e - в кулонах, m - в килограммах, B - в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными "естественным" частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором - циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне). Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.
Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 1010 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 107 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов. Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных "гироскопов" образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.
Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.
Расчет магнитных свойств. Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5*10 -4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита - порядка 2 Тл и более. Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био - Савара - Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна
Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):
Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна
Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю. Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля Ha, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.
Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + Ha), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c; c - безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.
Величина B/H, характеризующая магнитные свойства
материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через ma, причем ma = m0m, где ma - абсолютная, а m - относительная проницаемости, m = 1 + c. В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения -до 10 4-10 6. Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных - немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3). Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены. - поля с напряжённостью Н?0,5=1,0 МЭ (граница условна). Нижнее значение С. м. п. соответствует макс. значению стационарного поля =500 кЭ, к рое может быть доступно средствам совр. техники, верхнее полю 1 МЭ, даже кратковрем. воздействие к рого… … Физическая энциклопедия
Раздел физики, изучающий структуру и свойства твердых тел. Научные данные о микроструктуре твердых веществ и о физических и химических свойствах составляющих их атомов необходимы для разработки новых материалов и технических устройств. Физика… … Энциклопедия Кольера
Раздел физики, охватывающий знания о статическом электричестве, электрических токах и магнитных явлениях. ЭЛЕКТРОСТАТИКА В электростатике рассматриваются явления, связанные с покоящимися электрическими зарядами. Наличие сил, действующих между… … Энциклопедия Кольера
- (от древнегреч. physis природа). Древние называли физикой любое исследование окружающего мира и явлений природы. Такое понимание термина физика сохранилось до конца 17 в. Позднее появился ряд специальных дисциплин: химия, исследующая свойства… … Энциклопедия Кольера
Термин момент применительно к атомам и атомным ядрам может означать следующее: 1) спиновый момент, или спин, 2) магнитный дипольный момент, 3) электрический квадрупольный момент, 4) прочие электрические и магнитные моменты. Различные типы… … Энциклопедия Кольера
Электрический аналог ферромагнетизма. Подобно тому как в ферромагнитных веществах при помещении их в магнитное поле проявляется остаточная магнитная поляризация (момент), в сегнетоэлектрических диэлектриках, помещенных в электрическое поле,… … Энциклопедия Кольера
We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this. OK
