5. Вещество в магнитном поле. Диамагнетики. Парамагнетики.

Р ассмотрим атом водорода. Движение электрона по орбите можно рассматривать как рамку с током. В магнитном поле рамка с током обладает магнитным моментом Р_м=IS и поворачивается так, что усиливает внешнее магнитное поле. Величина, показывающая, во сколько раз увеличивается магнитное поле - называется относительной магнитной проницаемостью среды. μ = В/Во. Во – индукция магнитного поля в вакууме, В - индукция магнитного поля в среде. Вещества с собственным магнитным моментом молекул, у которых μ 1, называются парамагнитными (алюминий, олово).

Рассмотрим атом с двумя электронами. Движения электронов противоположны, скорости равны и ток в рамке равен нулю, т.к. I = I₁ - I_2. Рамка в магнитном поле не повернется. Магнитный момент атома равен нулю. Но на электроны действует сила Лоренца. Найдем скорости электронов. Из второго закона Ньютона:

1. ma_ц1 = Fк – Fл mυ₁² / R = Fк - Fл ; υ₁=

2. ma_ц2 = Fк + Fл; υ₂ =

И з вычислений видно, что скорость второго электрона больше, а значит, общая сила тока не равна нулю. Возникает магнитное поле противоположного направления и результирующе магнитное поле уменьшится. Вещества, у которых магнитный момент молекул отсутствует, а магнитная проницаемость 1, называются диамагнитными (вода, серебро).

Так как увеличение и уменьшение магнитного поля в парамагнитных и диамагнитных веществах очень незначительно, то приближенно можно считать  = 1.

Вопросы:

1. как можно представить движение электрона на орбите?

2. Что называется относительной магнитной проницаемостью?

3. Какие вещества называются парамагнитными?

4. Какие вещества называются диамагнитными?

ДОМАШНЕЕ ЗАДАНИЕ 5

1. В катушке индуктивностью 0,8 Гн сила тока равна 200 А. Какова энергия магнитного поля этой катушки? Как изменится энергия поля, ес­ли сила тока уменьшится вдвое?

2. Найти энергию магнитного поля соленоида, в котором при силе тока 100 А возникает магнит­ный поток 5 Вб.

3. При какой силе тока в катушке индуктивностью 400 мГн энергия магнитного поля равна 15 Дж?

4. При изменении силы тока в катушке, индуктив­ность которой 0,11 Гн, в 5,13 раз энергия магнитного поля изменилась на 16,2 Дж. Найти начальные значения энергии и силы тока.

0,64 Дж; 3,41 А

6. Ферромагнетики. Магнитострикция.

Существуют вещества, у которых 1 и зависит от внешнего магнитного поля, такие вещества называются ферромагнетиками (железо, никель, кобальт). Особенностью ферромагнетиков является, то, что они состоят из микроскопических областей, магнитные моменты атомов в которых имеют строго определенную ориентацию. Такие области называются доменами. Домены ориентированы хаотично. В магнитном поле домены перемагничиваются так, что их магнитные моменты будут сонаправлены с индукцией намагничивающего поля. Появится собственное магнитное поле, которое усилит внешнее во много раз. Рассмотрим график намагничивания ферромагнетика. Сначала, при увеличении индукции внешнего поля суммарный магнитный момент доменов ферромагнетика возрастает (участок ОА), но при дальнейшем увеличении В₀ все домены перемагничены и Р_м остается постоянным – происходит магнитное насыщение (т.А). При уменьшении внешнего магнитного поля до нуля ферромагнетик размагничивается частично, т.е. кривая АВ не совпадает с ОА. При отсутствии внешнего поля сохраняется остаточная намагниченность (отрезок ОВ), что важно для создания постоянных магнитов. При увеличении магнитного поля в обратном направлении, после перемагничивания, снова наступает насыщение (т. Д). Меняя величину и направление внешнего магнитного поля, получим кривые намагничивания и размагничивания, которые образуют петлю гистерезиса.

Произведение Рм и В₀ имеют размерность энергии.

Pм =IS [A м²], B = F / Iℓ [H / Aм] [A м²H / Aм] = [Дж], т.е. площадь петли гистерезиса – это работа внешнего магнитного поля, затраченная на перемагничивание ферромагнетика. Так как Рм ~ В, то график гистерезиса представляется в координатахВ, В₀.

Вещества с широкой петлей гистерезиса (плохо перемагничиваемые) называют магнитотвердыми и применяются для изготовления постоянных магнитов. Вещества с узкой петлей (легко перемагничиваемые) называют магнитомягкими. Они идут на изготовление сердечников трансформаторов, магнитопроводов электродвигателей и генераторов.