Тема: Магнітне поле в речовині

Мета: навчальна: формувати в учнів знання сформувати систему знань про методи та засоби вимірювання магнітних властивостей матеріалів;

розвиваюча: розвивати здібності учнів до творчості й інтелектуальної праці, формувати предметні компетентності з метрології та технічних вимірювань, сприяти розвитку спостережливості, уявного і логічного мислення, вміння систематизувати набуті знання з метрології та технічних вимірювань і спеціальних предметів, усвідомленої потреби до набуття, поглинання поглиблення та поповнення знань;

виховна: виховувати інтерес до вивчення метрології та технічних вимірювань, розуміння її ролі та важливості метрологічних знань у житті, бажання наукової творчості, уявлення про фізику як обов’язкову складову загальнолюдської культури.

Навчально-методичне забезпечення, ТЗН: опорний конспект лекцій (на електронному та паперовому носіях), персональний комп’ютер, мультимедійний проектор, презентація.

План

1. Намагнічування речовини.

2. Гіпотеза Ампера.

3. Опис поля у магнетиках.

4. Види магнетиків.

Література:

5. Пастушенков, А.Г. Электрические измерения магнитных величин [Электронный ресурс] : [учеб. пособие]. (Ч. 1) / А. Г. Пастушенков ; Твер. гос. ун-т, Каф. магнетизма. - Тверь : Тверской государственный университет, 2000. – 121 с.

6. Чечурина, Екатерина Николаевна. Приборы для измерения магнитных величин: научное издание / Е. Н. Чечурина. - Москва : Энергия, 1969. - 168 с.

7. Сергеев В.Г., Шихин А.Я. Магнитоизмерительные приборы и установки. – Москва: Энергоатомиздат, 1982. - 152 с.

8. Электрические измерения (с лабораторными работами) : учебник для техникумов/ Р.М. Демидова-Панферова, В.Н. Малиновский, В.С. Попов и др.: под редакцией Малиновского В.Н. –М.: Энергоатомиздат, 1983. – 392с.

1. Намагнічування речовини. Будь-яка речовина є магнетиком, тобто здатна під дією магнітного поля набувати магнітний момент (намагнічуватися). Намагнічена речовина утворює власне магнітне поле з індукцією , яка накладається на утворене струмами зовнішнє магнітне поле з індукцією . У результаті індукція магнітного поля в речовині

.

Намагнічування магнетика характеризується намагніченістю – магнітним моментом одиниці об’єму

,

де – магнітні моменти окремих молекул, що знаходяться в об’ємі .

2. Гіпотеза Ампера. Для пояснення намагнічування тіл Ампер припустив, що в молекулах циркулюють молекулярні струми з магнітним моментом . Внаслідок хаотичної орієнтації магнітних моментів окремих молекул, магнітний момент тіла за відсутності зовнішнього магнітного поля дорівнює нулю (див. рис. 1, а).

Рис. 1

Під впливом зовнішнього магнітного поля з індукцією магнітні моменти молекул набувають впорядковану орієнтацію вздовж зовнішнього магнітного поля (див. рис. 1, б).

Речовина стає намагніченою, тобто її підсумковий магнітний момент молекул стає відмінним від нуля. Молекулярні струми намагніченої речовини утворюють власне магнітне поле з індукцією .

3. Опис поля у магнетиках. Циркуляція вектора у речовині записується у вигляді

, (3)

де μ₀=4π10^-7 Гн/м – магнітна постійна (для опису магнітних властивостей вакууму використовують магнітну постійну)

– сума відомих макроскопічних струмів у провідниках, що охоплюються контуром інтегрування L і утворюють зовнішнє магнітне поле з індукцією ; – сума невідомих мікроскопічних струмів молекул, що охоплюються контуром інтегрування L і утворюють магнітне поле намагніченої речовини .

У формулі (3), щоб визначити індукцію магнітного поля у речовині, потрібно знати молекулярні струми , а щоб визначити молекулярні струми, в свою чергу, потрібно знати індукцію поля в речовині. Виникає замкнене коло. Це свідчить про те, що тільки однієї індукції для опису полів у речовині недостатньо. Потрібно ввести ще одну величину, яка пов’язана з індукцією , але визначається тільки через відомі макроскопічні струми. Такою величиною є вектор напруженості магнітного поля

,

для якого циркуляція дорівнює

, (5)

тобто визначається тільки відомими макроскопічними струмами у провідниках.

У вакуумі намагніченість .

У речовині, як показує дослід, для всіх речовин , де – магнітна сприйнятливість речовини.

Тоді в речовині .

Вводячи відносну магнітну проникність речовини

,

отримаємо зв’язок між індукцією і напруженістю у речовині.

.

Відносна магнітна проникність

(6)

показує, у скільки разів індукція магнітного поля в речовині більша за індукцію поза речовиною у вакуумі. На цьому засноване вимірювання відносності магнітної проникності. Таким чином, визначивши з формули (5) напруженість магнітного поля і вимірявши відносну магнітну проникність речовини за формулою (6), ми розриваємо замкнене коло і визначаємо індукцію магнітного поля у речовині.

4. Види магнетиків. Залежно від відносної магнітної проникності  речовини розділяються на три групи:

1) – діамагнетики;

2) – парамагнетики;

3) – феромагнетики.

4.1 Діамагнетики – це речовини, атоми яких не мають власного магнітного моменту . Під дією зовнішнього магнітного поля відбувається прецесія (обертання навколо вектора магнітної індукції ) електронних орбіт, що призводить до виникнення індукційних магнітних моментів атомів, спрямованих проти зовнішнього поля . В наслідок цього утворюється магнітне поле всередині намагніченої речовини, яке направлене назустріч зовнішньому. У результаті поле в речовині

B=B₀ –B < B₀ , <1.

4.2 Парамагнетики. Якщо магнітний момент атомів відмінний від нуля, речовина називається парамагнетиком. Зовнішнє магнітне поле намагається встановити магнітні моменти атомів уздовж . Виникає позитивний магнітний момент речовини, значно більший за негативний індукційний. Результуючий магнітний момент речовини позитивний, тобто направлений уздовж зовнішнього поля . У результаті поле в речовині

B=B₀ +B > B₀ ,  > 1.

4.3 Феромагнетики – це речовини, які здатні бути намагніченими навіть за відсутності зовнішнього магнітного поля (залізо, нікель, кобальт та ін.).

Намагніченість J феромагнетиків залежить від напруженості H магнітного поля у речовині (див. рис. 2). Із збільшенням напруженості Н намагніченість J феромагнетика зростає, а потім стає незмінною. Наступає стан насичення феромагнетика. Внаслідок того, що , аналогічно поводить себе індукція магнітного поля у феромагнетику (див. рис. 3, а). При досягненні насичення B=₀ H+const, де const =₀ J_нас, і індукція слабко зростає із збільшенням напруженості. Графік залежності B = f(H) називається кривою намагнічування феромагнетика. Якщо на кривій намагнічування взяти точку і провести через неї пряму з початку координат, то тангенс кута нахилу цієї прямої

,

де – кут між віссю Н і проведеною з початку координат до точки на графіку функції B(Н) хорди (див. рис. 3, а). Тобто відносна магнітна проникність феромагнетика змінюється при зміні Н (див. рис. 3, б). Максимальне значення  досягається у точці, де хорда перетворюється на дотичну при русі точки по кривій намагнічування.

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Крім нелінійної залежності J від H у феромагнетиках спостерігається явище гістерезису. При циклічних перемагнічуваннях феромагнетика, залежність В від Н має форму петлі (див. рис. 4). За один цикл перемагнічування точка B=f(H) обходить один раз петлю проти годинникової стрілки.

При Н = 0 (феромагнетик вилучено з магнітного поля) феромагнетик має залишкову індукцію В_зал, що робить можливим утворення постійних магнітів.

Природа феромагнетизму полягає в його доменній структурі При певних умовах в кристалі виникають сили, що примушують магнітні моменти електронів вишикуватися паралельно один одному. У результаті виникають області спонтанного намагнічування. Розміри доменів ~ 10^-4 10^-3 см.

При вилученні феромагнетиків з магнітного поля часткова орієнтація доменів зберігається, в результаті чого й спостерігається залишкова індукція.

При нагріванні феромагнетиків при певній для кожного феромагнетику температурі внаслідок теплового руху домени руйнуються і феромагнетик перетворюється на парамагнетик. Температура, при якій відбувається це явище називається точкою Кюрі (T_C). Для заліза T_C = 768⁰С, для нікелю T_C = 365⁰С.