Тема 3.1 магнітне поле. Магнітні властивості речовини

План лекції

1. Магнітне поле і його характеристики

3.1.2 Феромагнетики та їх властивості

3.1.3 Магнітні матеріали та їх застосування

3.1.1 МАГНІТНЕ ПОЛЕ І ЙОГО ХАРАКТЕРИСТИКИ

Датський фізик Ерстед помітив, що магнітна стрілка, розміщена поблизу провідника з струмом, відхиляється від початко­вого стану. Дослідження показали, що стрілка повертається і нама­гається розміститися так, щоб її вісь була перпендикулярна до провідника (рис. 3.1). Із зміною напряму струму змінюється і напрям повертання магнітної стрілки.

Рис. 3.1. Дія провідника зі струмом на магнітну стрілку

Досліди стверджують, що навколо будь-якого електричного струму (рухомої зарядженої частинки) нерозривно існує магнітне поле, яке виявляється за впливом на магнітну стрілку.

Магнітне поле є вид матерії. Воно виявляється за дією на магнітну стрілку, провідник із струмом; воно намагнічує, деформує і змінює електричний опір тіл тощо.

Силовою характеристикою магнітного поля в кожній точці є вектор магнітної індукції . Напрям і величину вектора індукції визначають за дією магнітного поля на магнітну стрілку та провідник із струмом.

За напрям вектора магнітної індукції в заданій точці поля приймають напрям вектора сили, з якою поле діє на північний полюс нескінченно малої магнітної стрілки, розміщеної в цій точці. Звичайно для графічного зображення магнітного поля користую­ться лініями магнітної індукції.

Лініями магнітної індукції називають криві, дотичні, до яких у кожній точці збігаються з напрямом вектора в цих точках поля. Лінії магнітної індукції завжди замкнені й охоп­люють провідник із струмом. Для визначення напря­му ліній магнітної індукції користуються правилом свердлика: якщо свердлик повертати так, щоб його поступальний рух збігався з напрямом струму І, то обертальний рух рукоятки покаже напрям ліній магнітної індукції (рис. 3.2).

Рис. 3.2 Правило свердлика

Крім магнітної індукції вводиться також друга векторна харак­теристика магнітного поля, яка називається напруженістю. Напру­женість магнітного поля – векторна величина, яка не залежить від магнітних властивостей середовища і характеризує магнітне поле в кожній точці за пов'язаним з ним струмом і положенням точки:

. (3.1)

Вектори і збігаються за напрямом.

2. Феромагнетики та їх властивості

Феромагнетиками називаються речовини, в яких власне магнітне поле може бути в багато разів (у сотні й тисячі) сильніше, ніж зовнішнє поле, яке зумовило намагнічування. До феромаг­нетиків належать (у кристалічному стані): залізо, нікель, кобальт, гадоліній, їх оксид й сполуки із сіркою. При дуже низьких темпера­турах феромагнітні властивості виявляють також диспрозій і ербій. До феромагнетиків належать сплави з не феромагнітних компонентів на основі марганцю і хрому: МnВі, МnSn, СгРt, СгS та ін.

Феромагнетики намагнічу­ються в напрямі зовнішнього магнітного поля і мають свої особливості.

Рис. 3.3 Залежність від для феромагнетику

1. Намагніченість і індукція й нелінійно залежать від напру­женості зовнішнього магнітного поля. На рис. 3.3 дано графічну залежність вектора намагніченості від . У слабких полях круто наростає із збільшенням , а потім сповільнюється і при досягає максимального значення, яке практично залишається не­змінним. У цьому стані, який Столєтов назвав насиченням, усі магнітні моменти атомів упорядковуються в напрямі зовнішнього магнітного поля. Дальше збільшення не зумовлює зростання .

Рис. 3.4 Петля гістерезису

2. Відносна магнітна проникність – не стала величина, вона залежить від . У слабкому магнітному полі швидко зростає, досягаючи максимуму, а потім спадає, наближаючись до одиниці, як для вакууму.

Максимальні значення дуже великі: для заліза – 5000, кремнієвого заліза (3,3 % Sі) – 10 000, пермалою – 100 000.

3. Феромагнетики зберігають своє намагнічування після того, як перестає діяти зовнішнє магнітне поле.

Для дослідження цього явища помістимо ненамагнічений феро­магнітний стержень у котушку і збільшуватимемо в ній струм, почи­наючи від нуля. Тоді залежність вектора намагніченості від напруженості магнітного поля виразиться кривою (рис. 3.4). При = настає насичення. Якщо тепер зменшувати напруженість магнітного поля від до нуля, то графік вже не піде зво­ротним шляхом, а зобразиться кри­вою, яка лежить вище від первинної кривої. Отже, зменшен­ня не супроводиться відповідним зменшенням , спостерігається від­ставання розмагнічування.

Явище відставання (запізнення) змін намагнічування тіла від змін на­пруженості магнітного поля називається магнітним гістерезисом, а те намагнічування, яке зберігається після зникнення зовнішнього магнітного поля, називається залишко­вим намагнічуванням. При цьому частина магнітних моментів атомів залишається зорієнтованою в початковому напрямі. Залишкове на­магнічування вимірюється відрізком . Щоб знищити , збільшуватимемо у протилежному напрямі. При залишкове намагнічування зникає. Напруженість поля , при якій знищується залишкове намагні­чування , є мірою стійкості феромагнетику і називається затримую­чою, або коерцитивною силою.

Якщо ще збільшувати у протилежному напрямі, то знову настане насичення: стержень намагнітиться в протилежному до початкового напрямі. Якщо тепер зменшувати до нуля, то залишкове намагнічування стане - . Щоб його знищити, треба збільшувати .

Коли змінюється циклічно, крива намагнічування феромагнетику має вигляд замкнутої кривої, яка нази­вається петлею гістерезису.

Намагнічування феромагнетиків залежить від температури. З підви­щенням температури залишкове намагнічування зменшується і при певній температурі, яка називається точкою Кюрі, зникає зовсім. Це пояснюється досить інтенсивним тепловим рухом молекул феромагнетику і дезорієнтацією спінових магнітних моментів. Точка Кюрі для різних феромагнетиків неоднакова: для заліза 1053 К, нікелю 631 К, кобальту 1423 К, пермалою 823 К тощо. З переходом через точку Кюрі феромагнетик поводить себе в зовнішньому магнітному полі як парамагнетик.

При температурах нижчих від точки Кюрі феромагнетик природно розділяється на велику кількість досить малих областей самодовільного (спонтанного) намагнічування. Такі ділянки спонтанного намагнічування всередині феромагнетику називаються доменами. У межах окремих доменів магнітні моменти упорядковані й спрямовані в якомусь одному напрямі. Але домени всередині тіла зорієнтовані безладно, тому, коли зовнішнього магнітного поля немає, векторна сума магнітних моментів доменів дорівнює нулю і тіло в цілому ненамагнічене.

У випадку технічного намагнічування феромагнетику зовнішнє магнітне поле орієнтує магнітні моменти не окремих атомів (мо­лекул), як у парамагнетиках, а доменів

Існують речовини, в яких, на відміну від феромагнетиків, магнітні моменти зорієнтовані попарно антипаралельно. Можна ска­зати, що магнітні моменти утворюють ніби дві просторові підрешітки, вставлені одна в одну і намагнічені в протилежних напрямах. Такі речовини, в яких намагнічування обох підрешіток однакове за величиною, називаються антиферомагнетиками. До них належать деякі сполуки марганцю (МnО, МnS), хрому (NiСr, Сr₂О₃), ванадію (VО₂) тощо. Антиферомагнітний стан спостерігається нижче від певної температури, яка називається антиферомагнітною точкою Кюрі.