5.2.4. Магнитные свойства веществ

Известно (п.5.2.2.4), что силовые свойства полей, создаваемых одним и тем же источником в среде и вакууме, отличаются в  раз, т. е. .

• Разные вещества имеют разное значение .

По магнитным свойствам вещества можно разделить на три группы:

1) ферромагнетики (п.5.2.4.1); 2) парамагнетики; 3) диамагнетики.

Электроны в атомах движутся по орбитам, что эквивалентно замкнутому контуру тока, который характеризуется магнитным моментом . Каждая орбита характеризуется своим . Тогда атома (молекулы) будет равен сумме электронных орбит.

Диамагнетик – вещество, магнитный момент атома (молекулы) которого при отсутствии внешнего магнитного поля равен нулю.

При внесении диамагнетика в магнитное поле в каждом его атоме наводится магнитный момент, направленный противоположно , что приводит к незначительному ( ) ослаблению поля ( ).

Примеры: Ag, Pb, Si и т. д. Самый «сильный» диамагнетик – висмут ( = 0,999824), остальные ослабляют магнитное поле ещё меньше.

Парамагнетик – вещество, магнитный момент атома (молекулы) которого в отсутствии внешнего магнитного поля не равен нулю.

При внесении в магнитное поле магнитные моменты атомов парамагнетика ориентируются по направлению , что приводит к усилению поля. Для парамагнетиков  >1 (платина  = 1,00036; жидкий кислород ( = 1,0034).

5.2.4.1. Ферромагнетики

Возьмем две катушки с током и расположим их так, чтобы они притягивались друг к другу. Если ввести в катушку железный стержень, то сила взаимодействия резко возрастёт. Значит, у железа  >> 1.

Ферромагнетик – вещество, значительно усиливающее внешнее магнитное поле (железо, никель, кобальт и их соединения).

• Ферромагнетики применяют в электродвигателях, генераторах, трансформаторах, магнитных головках и др.

5.2.4.2. Природа ферромагнетизма

Явление ферромагнетизма объясняют так: электроны обладают «собственным вращением» (как бы вращаются вокруг своей оси) и создают вследствие этого магнитное поле, наряду с полем, появляющимся от их движения вокруг ядра.

В некоторых металлах (Fe, Ni, Co и др.) существуют малые области размером 10^–2–10^–4 см – домены, в которых собственные вращения всех электронов одинаково ориентированы. Они создают магнитные поля с некоторой индукцией. Сами же домены располагаются хаотически, поэтому индукция результирующего поля .

При внесении кристалла в магнитное поле поля доменов упорядочиваются и общее поле . После того, как все домены сориентированы, общее поле прекращает расти – достигает насыщения. При снятии внешнего поля значительная часть доменов сохраняет ориентацию и образец становится намагниченным. На этом явлении построено производство постоянных магнитов. Для их изготовления используют сталь, оксиды железа, сплав железа с алюминием, никель, кобальт и др.

5.2.4.3. Температура Кюри

При нагревании ферромагнетика ориентация доменов нарушается.

Температура Кюри (t_к) – температура перехода ферромагнетика в парамагнетик.

• Для железа t_кFe = 770⁰С; для кобальта t_кСо = 1130⁰С; для никеля t_кNi = 356⁰С.

5.2.5. Электромагнитная индукция

5.2.5.1. Опыт Фарадея. Электромагнитная индукция

Опыты Эрстеда показали, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. Можно предположить, что и поле создаёт ток.

В 1831 г. Фарадей проводил опыты с катушками и магнитами. Один из опытов: в цепь из катушки и гальванометра вводят постоянный магнит. Оказалось, что если магнит:

1) неподвижен (независимо от того, введён он в катушку или нет), тока в катушке нет;

2) движется (входит в катушку или выходит из неё), то в цепи катушки протекает ток.

Электромагнитная индукция (ЭМИ) – явление возникновения в замкнутом контуре электрического тока, обусловленное изменением магнитного потока, пронизывающего данный контур.

• Ток ЭМИ называют индукционным (наведённым). Опыты Фарадея показали, что вместо постоянного магнита можно использовать катушку с током, а вместо движения катушек друг относительно друга можно изменять ток в первичной (создающей поле) катушке. При этом её магнитное поле изменяется и во вторичной (контрольной) катушке наводится ток и, следовательно, ЭДС индукции.

• На основе изменения тока в первичной обмотке и наведения его во вторичной построен трансформатор (п.6.2.5.3).